楔形滤光片型高光谱相机

楔形滤光片型高光谱相机也被称为渐变滤光片型高光谱相机，可以实现在光谱区和空间区的连续取样，它的设计理念是将一个楔形多层薄膜介质作为滤光片，并将其安装在紧靠着二维阵列探测器的位置，使探测器的若干像元与渐变滤光片的某一光谱带相互对应，图10为楔形滤光片谐振层厚度调制示意图。渐变滤光片型高光谱相机多以推扫成像为主，推扫的方向与波长渐变方向一致，通过扫描可以获得被测目标的完整数据，像面上对应的就是全部工作波段。

渐变滤光片是一种特殊的法布里-珀罗 (FabryPerot，F-P) 光学谐振器，具有波长渐变、通道可选、性能稳定等优点，其镀层呈楔子状，改变谐振层的厚度，渐变滤光片的中心波长也会随之改变。由于渐变滤光片不同中心波长所对应的膜层厚度变化较缓，会带来膜系结构复杂、层数较多等问题，但是近年来随着镀膜工艺水平的提高，渐变滤光片的光谱透过率可以达到 70%，光谱分辨率能达到 1％。

根据渐变滤光片各波段与探测器像元之间的对应关系，渐变滤光片高光谱相机又可以分为线性渐变型和滤光片阵列型，下面将针对两种形式的高光谱相机的发展现状进行具体介绍。

3.1 线性渐变滤光片型高光谱相机

线性渐变滤光片 (Linear Variable Filter, LVF) 是一种特殊的滤光片，其光谱特性会随位置线性变化，能够将入射的复色光分解成与滤光片位置相关的光谱。线性渐变滤光片有带通、高通、低通等类型，成像光谱仪中常用的线性渐变滤光片一般是基于多光束干涉原理的 F-P 窄带通线性渐变滤光片。

F-P 窄带渐变滤光片通常由两个反射膜层与一个厚度渐变的腔层组成，各位置的中心波长沿渐变方向连续线性变化，如图 11 所示。其峰值透射波长λ0由公式 (4) 给出：

式中：n 为谐振腔层的折射率；l 表示谐振腔层的厚度；φ1和φ2分别为上反射膜系和下反射膜系的位相；k = 0,1,2,···。

线性渐变滤光片与面阵探测器共同组成线性渐变滤光片型高光谱相机，该类高光谱相机与光栅型高光谱相机相比具有光路紧凑、抗振动能力强等优势，因此受到越来越多的关注。

2000年前后，OCLI公司推出了商品化的Micropac系列光谱仪，仪器的光谱分辨率小于 2.5% 倍的中心波长，该系列可能是首款使用线性渐变滤光片的高光谱相机。

2005年，印度发射的“印度迷你卫星-1”搭载了线性渐变滤光片高光谱相机，该仪器的光谱范围为400~920nm，光谱分辨率优于15nm。

2015年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的张建采用双离子束溅射物理沉积方法，修正了线性渐变沉积速率，制备了高透过率、高色散系数的线性渐变滤光片。其工作波段为650~1050nm，各个位置的中心波长峰值透过率均达到85%以上，中心波长的线性变化率为20nm/mm。

2016年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的于新洋将线性渐变滤光片应用在水果的品质检测研究中，使用中心波长线性变化率为35.9nm/mm的线性渐变滤光片研制了手持式近红外品质分析仪，其工作波段为620~1080nm，光谱分辨率小于1.5%倍的中心波长。

2017年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的袁境泽利用线性渐变滤光片设计了人体血红蛋白无创分析仪。该分析仪的工作波段为620~1080nm，光谱分辨率小于1%倍的中心波长。

2018年，丹麦发射的立方星GOMX，其上搭载了微型渐变滤光片高光谱相机HyperScout，光谱范围为0.4~1μm，光谱分辨率15nm，空间分辨率70m。

2018年，韩国标准与科学研究院的Khaled Mahmoud在SPIE会议上介绍了其研制的紧凑型电荷耦合检测器(CCD)光谱相机，该光谱相机在像素数量为1280×1024、像素尺寸为4.65μm的CCD探测器上集成了300~850nm波长的线性可变边缘滤波片，光谱分辨率为10~20nm。

2020年，英国西苏格兰大学的Shigeng Song使用旋转机械掩模方法和微波等离子体辅助脉冲直流反应溅射工艺实现了线性渐变滤光片的大量制备，如图12所示。

LVF由交替的高/低折射率材料叠层制成。在一侧上沉积54个H/L交替层，H/L交替层逐渐增加，并在基板的另一侧达到110个H/L交替层。最终，该LVF可以在450~900nm的光谱范围内实现半波宽为11.25nm的光谱分光，在中心波长处，光谱透过率可达40%~80%，如图13所示。该制备工艺的优势在于可以批量制备廉价的线性渐变滤光片，推动线性渐变滤光片在无人机光谱仪等领域的使用。

2020年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘春雨团队利用线性渐变滤光片不受狭缝限制的特点，结合数字域TDI技术，解决了星载轻小型高分辨率高光谱相机信噪比不足的问题，研制了一款工作波段为0.4~1μm、地面分辨率为10m，平均光谱分辨率为8.9nm、系统总质量为7kg的轻小型星载高光谱成像光谱仪，其原理如图14所示，探测器的P1~P3行连续成像多次，将多次成像的电子数相加可以提高图像信噪比。同年，该团队又公布了使用多片渐变滤光片探测器拼接技术的高分辨率大幅宽高光谱相机，该相机在500km轨道处幅宽达到了150km，而质量仅为9.2kg。

3.2 滤光片阵列型高光谱相机

滤光片阵列是一个由基元重复排列而成的周期结构，该基元内部可以划分为n个区域，通过设置每个区域的膜层厚度控制通过该区域的中心波长，将滤光片阵列与探测器像元进行一一对应，即可实现像素级的光谱探测，图15为滤光片阵列的分布方式示意图。数据采集完成后，将不同基元内部相同区域所对应的像元进行拼接处理即可得到该位置所对应的全谱段信息。

滤光片阵列高光谱相机在探测时要求滤光片阵列与探测器像元相匹配，匹配区域过小会导致系统的对准误差较大，对最终的光谱成像质量产生一定影响。相较于传统推扫的高光谱相机，该相机获取光谱信息和图像信息的方式为凝视拍摄，可进行视频高光谱成像，在进行暗弱目标探测、天文观测、机载探测及安防监视领域优势较为明显。

自2010年开始，包括我国在内的多个国家都已对其开展了深入研究并取得了显著成果。美国海洋光学公司的Jim Lane等人设计了一款基于像素级滤光片的四通道、半波宽约为20nm的成像光谱仪。该光谱仪四个通道的中心波长分别750nm、772nm、802nm和834nm。滤光片物理尺寸为35mm×23mm，包含875万(3500×2500)个单独的滤光单元，每个滤光单元的尺寸为10μm×10μm，每个滤光单元周围有1μm的边界，从而形成8μm×8μm的有效区域。滤光片的局部区域如图16所示。

该光谱仪的实验光路如图17所示，其包含一个摄影物镜，一个像素级滤光片，一个中继物镜和一个全色图像接收器。成像过程中，摄影物镜在滤光片上形成物体的中间图像，随后中继透镜将滤光片处的像再次成像到全色图像接收器上。

比利时微电子研究中心的BertGeelen等人通过直接在探测器的每个像元处镀膜实现了多光谱成像，如图18所示。该团队已实现2通道(1×2)、4通道(2×2)和16通道(4×4)镀膜技术。这种光谱仪具有紧凑化、低成本、高采集速度以及灵活的频带选择和带宽调整能力等优点。

佐治亚理工学院的易定容和孔令华等人通过将4通道像素级滤光片放置于探测器前方实现了多光谱探测，该光谱仪已被用于皮肤病诊断领域。该滤光片四个通道的中心波长分别为540nm、577nm、650nm和970nm，半波宽为30nm，单个滤光单元的尺寸为20.8μm×20.8μm，物理尺寸为6.5mm×5mm，滤光单元之间的间距约为1~2μm，图19为该滤光片的实图。

易定容团队利用计算机控制的二维精密平移台和旋转台将像素级滤光片固定在探测器前方，可实现小于1/1000rad的倾斜精度和1μm以内的偏心精度，其装置如图20所示。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘春雨和谢运强等人设计了一款16通道(4×4)像素级滤光片，半波宽约为25nm的短波红外快照高光谱相机，所用滤光片和整机分别如图21和图22所示。

该光谱相机由摄影物镜、像素级滤光片、中继物镜和全色探测器组成，滤光片16个通道的中心波长分别为1131、1163、1199、1238、1259、1301、1339、1381、1413、1456、1495、1532、1600、1636、1669nm，共有640×512个滤光单元，每个滤光单元的尺寸为15μm×15μm。

楔形滤光片是一种具有特殊光学性能的玻璃片，它能够通过在玻璃中引入楔形角来对特定波长的光线进行过滤。这种滤光片能够实现对光谱信息的精确测量，因为它可以消除背景噪声和其他干扰因素的影响。

高光谱相机是另一种重要的遥感设备，它可以通过拍摄一组连续的图像来捕获物体在不同波长下的光谱信息。这种相机具有高分辨率和高灵敏度的特点，能够对地物进行精细的分类和识别。

楔形滤光片型高光谱相机结合了这两种技术的优势，它可以通过对特定波长的精确测量来获取高分辨率和高光谱信息。这种相机具有以下优点：

1. 高分辨率和高光谱信息获取能力：楔形滤光片型高光谱相机可以同时获取高分辨率和高光谱信息，这使得它能够更准确地识别地物和测量光谱信息。

2. 精确的波长测量能力：楔形滤光片能够对特定波长的光线进行精确的过滤，这使得相机能够实现对光谱信息的精确测量。

3. 强大的数据处理能力：楔形滤光片型高光谱相机可以同时获取大量的光谱数据，这需要强大的数据处理能力来对数据进行处理和分析。

4. 广泛的应用领域：楔形滤光片型高光谱相机在环境保护、地球观测、气候变化研究、行星探索等领域都有广泛的应用，是一种非常重要的遥感设备。

楔形滤光片型高光谱相机是一种先进的遥感设备，它具有高分辨率和高光谱信息获取能力、精确的波长测量能力、强大的数据处理能力和广泛的应用领域等优点。这种相机在未来的遥感领域中将会发挥越来越重要的作用。

为了充分发挥楔形滤光片型高光谱相机的优势，需要对其进行合理的操作和维护。首先，操作人员需要具备一定的专业技能和知识，以了解相机的性能和操作规范。其次，在拍摄过程中需要注意调整相机的参数和设置，以保证拍摄数据的准确性和稳定性。最后，需要定期对相机进行维护和保养，以保证其长期稳定运行。