可调谐滤光片型高光谱相机

可调谐滤光片型高光谱相机

可调谐滤光片高光谱相机以可调谐滤光片为分光元件，根据调谐方式的不同主要分为液晶可调谐滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF)高光谱相机和声光可调谐滤光片(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)高光谱相机。

2.1液晶可调谐滤光片型高光谱相机

如图6所示，液晶可调谐滤光片高光谱相机主要利用LCTF技术进行分光。LCTF是以液晶的电控双折射效应为原理进行研制的，它由多组平行排列的Lyot型滤光片级联而成，如图7所示，为一级Lyot滤光片的原理示意图，每一级Lyot滤光片都是通过在两个平行的偏振片之间填充液晶层和石英晶体来实现对波长的调制。

当某一波长的光经过第一个偏振片后会变成线偏振光，线偏振光进入液晶层时会发生双折射现象，产生一束寻常光(o光)和非常光(e光)，它们的传播方向相同，但传播速度不同，因此经过液晶层后的出射光会产生相位差，相位差由公式(1)给出：

式中：d为液晶层的厚度；∆n为液晶对波长λ为的光的等效双折射率，且∆n依赖于波长λ、温度T和施加电压V。

经过第二个偏振片后，两束光发生干涉，通过单极Lyot结构的透过率由公式(2)给出：

若通过控制电压使每一级Lyot的光程差是前一级的二倍，即δn+1=2δn，则N级Lyot滤光片级联的透过率为：

温度一定时，LCTF的透射率函数仅依赖于波长和电压，利用晶体的光电效应，通过对液晶层施加外部电压，可以实现对波长的选择透过性。

LCTF型高光谱相机主要通过电压调制透过的波长，可以实现任意宽波段范围内的快速调制，相比于滤光轮型高光谱相机，其无需轮式机构，避免了微振动等的影响，且其具有原理简单、体积小、能耗低等优势，在当前轻小型卫星有效载荷中占有独特地位。LCTF型高光谱相机的视场角一般较小，适合对指定采样目标进行小视场范围的光谱成像。

值得注意的是，LCTF作为核心分光元件，其本身存在光谱透过率低的问题，直接限制了LCTF成像光谱仪的光谱检测能力；此外，液晶的折射率受温度影响较大，中心波长随温度变化漂移明显，对光谱测量精度也会产生一定的影响。

由美国喷气推进实验室自主研制的火星车样机FIDO上装有的相机Pancam就是由一组CCD相机和LCTF构成，其中LCTF被放在CCD相机的物方一侧，主要工作在650nm、740nm和855nm波段处，带宽分别为18nm、25nm和28nm。

2014年，日本发射了微纳卫星Rising-2，主要用于观测高分辨率积雨云场景以及高层大气中的精灵现象，该卫星上搭载的高精度望远镜HPT可能是首个使用LCTF技术的星载载荷。HPT的视场角为0.28°×0.21°，光谱范围为400~1050nm，其中LCTF仅用于近红外波段(650~1050nm)的分光，图8为HPT光路示意图。

2016年，菲律宾发射的第一颗微型卫星Diwata-1上搭载的多光谱相机SMI也采用了LCTF技术，SMI所在轨道高度为400km，空间分辨率达80m，覆盖波段为可见光波段(420~700nm)和近红外波段(650~1050nm)，主要用于监测植被变化和菲律宾水域浮游植物生长量的估测。

2.2声光可调谐滤光片型高光谱相机

AOTF主要由声光介质(通常为各向异性晶体)、换能器阵列(PZT)和声终端组成。声波属于机械波，在介质中传播时会引起介质的疏密变化，由此会导致介质折射率的疏密变化，形成以声波波长为光栅常数的透射光栅，当光线以特定的角度入射到声光介质上时就会发生衍射现象，完成复色光到单色光的分光，ATOF型高光谱相机就是根据该原理进行研制的。

与LCTF型高光谱相机相比，ATOF型高光谱相机同样具备小型化的优势，能够适应机载、弹载等多类搭载环境。AOTF型高光谱相机的波长调谐范围取决于声光晶体的通光谱段，尽管常用的氧化碲(TeO2)晶体能够覆盖0.2~4.5μm的波长范围，但是往往会受到超声换能器的带宽影响，使其波长调控范围被限制在一个倍程(λ~2λ)，因此，在调控范围的灵活性方面，LCTF技术更具备竞争力。

2003年6月，欧洲太空局发射的“火星快车”上搭载的SPICAM高光谱相机用于紫外和红外波段的探测，其中红外通道就采用了微型AOTF近红外光谱成像仪，主要通过在TeO2晶体上施加声波，实现了在1.1~1.7μm波段内的分光。

2006年4月，抵达金星的金星快车也应用了近红外AOTF光谱仪，光谱范围为0.65~1.7μm，光谱分辨率优于1nm。

2013年，我国发射的“嫦娥三号”月球着陆车上搭载的凝视型高光谱相机VNIS也采用了AOTF的分光原理，图9所示为AOTF设计示意图。

VNIS的光谱范围为0.45~2.4μm，可见光波段的视场角为6°×6°，近红外波段的视场角为3°×3°，VNIS使用40~180MHz的连续可调射频频率，在450~950nm波段实现了低于8nm的光谱分辨率，在900~2400nm波段实现了低于12nm的光谱分辨率，为月面巡视矿物组成析提供了科学探测数据，是我国该类技术的首次空间应用。

可调谐滤光片一般由多层光学薄膜构成，这些薄膜具有不同的光学特性，可以实现对特定波长范围的光的反射或透射。通过改变滤光片的谐振频率，可以在不同的波长范围内对入射光进行过滤。一般来说，滤光片的谐振频率与其所选择的波长范围成反比，即滤光片越能滤出低频成分，就能获得越宽的波长范围。

可调谐滤光片型高光谱相机具有许多优点。

1. 它可以获取丰富的光谱信息，从而可以对不同的目标进行精确的识别和分析。

2. 由于这种相机采用了可调谐滤光片技术，因此它可以实现对不同波长范围的光的过滤，从而可以在不同的应用场景下进行灵活的配置。

3. 这种相机还具有高灵敏度和高分辨率的特点，可以实现对目标的高精度定位和分析。

   
   

可调谐滤光片型高光谱相机的工作原理是：

当光线通过相机镜头进入相机后，会被分解成不同的光谱成分，然后这些光谱成分会通过可调谐滤光片过滤，最后再通过成像器件将过滤后的光谱成分转换成图像。在拍摄图像时，可调谐滤光片会不断地在特定的波长范围内进行扫描，以便获取不同波长的图像。通过对不同波长的图像进行合成和处理，可以获得高分辨率和高清晰度的图像。

可调谐滤光片型高光谱相机在各个领域都有广泛的应用。

例如，在环境监测领域中，这种相机可以用于检测大气中的有害气体成分；在地理信息系统中，这种相机可以用于对地形地貌进行精确测绘；在医疗诊断领域中，这种相机可以用于对肿瘤等病变进行早期发现和定位；在军事侦查领域中，这种相机可以用于对目标进行精确识别和定位。