楔形濾光片型高光譜相機也被稱為漸變?yōu)V光片型高光譜相機，可以實現(xiàn)在光譜區(qū)和空間區(qū)的連續(xù)取樣，它的設計理念是將一個楔形多層薄膜介質(zhì)作為濾光片，并將其安裝在緊靠著二維陣列探測器的位置，使探測器的若干像元與漸變?yōu)V光片的某一光譜帶相互對應，圖1為楔形濾光片諧振層厚度調(diào)制示意圖。漸變?yōu)V光片型高光譜相機多以推掃成像為主，推掃的方向與波長漸變方向一致，通過掃描可以獲得被測目標的完整數(shù)據(jù)，像面上對應的就是全部工作波段。

圖1 楔形濾光片諧振層厚度示意圖 漸變?yōu)V光片是一種特殊的法布里-珀羅 (Fabry Perot，F(xiàn)-P) 光學諧振器，具有波長漸變、通道可選、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，其鍍層呈楔子狀，改變諧振層的厚度，漸變?yōu)V光片的中心波長也會隨之改變。由于漸變?yōu)V光片不同中心波長所對應的膜層厚度變化較緩，會帶來膜系結構復雜、層數(shù)較多等問題，但是近年來隨著鍍膜工藝水平的提高，漸變?yōu)V光片的光譜透過率可以達到70%，光譜分辨率能達到1％。根據(jù)漸變?yōu)V光片各波段與探測器像元之間的對應關系，漸變?yōu)V光片高光譜相機又可以分為線性漸變型和濾光片陣列型，基于濾光片型的高光譜相機具有系統(tǒng)結構形式簡單、體積小、質(zhì)量輕、空間分辨率高、靈活性好等優(yōu)點。近年來，隨著鍍膜技術和商業(yè)高光譜遙感的發(fā)展，基于鍍膜型的高光譜相機也得以迅速發(fā)展。

01

//線性漸變?yōu)V光片型高光譜相機

濾光片型高光譜相機則是在成像光路中加入濾光片進行分光，根據(jù)濾光片的不同，濾光片型高光譜相機又可以細分為旋轉(zhuǎn)濾光片型、楔形濾光片型、可調(diào)諧濾光片型和量子點濾光片型。下圖為前三種濾光片高光譜相機的原理示意圖。

高光譜成像原理示意圖 線性漸變?yōu)V光片?(Linear Variable Filter, LVF)?是一種特殊的濾光片，其光譜特性會隨位置線性變化，能夠?qū)⑷肷涞膹蜕夥纸獬膳c濾光片位置相關的光譜。線性漸變?yōu)V光片有帶通、高通、低通等類型，成像光譜儀中常用的線性漸變?yōu)V光片一般是基于多光束干涉原理的?F-P?窄帶通線性漸變?yōu)V光片。F-P?窄帶漸變?yōu)V光片通常由兩個反射膜層與一個厚度漸變的腔層組成，各位置的中心波長沿漸變方向連續(xù)線性變化，如圖2所示。

圖2 線性漸變?yōu)V光片結構及分光示意圖

其峰值透射波長?λ0?由下列公式給出?：

式中：n為諧振腔層的折射率；l表示諧振腔層的厚度；φ1和φ2分別為上反射膜系和下反射膜系的位相；k=0，1，2，···。 線性漸變?yōu)V光片與面陣探測器共同組成線性漸變?yōu)V光片型高光譜相機，該類高光譜相機與光柵型高光譜相機相比具有光路緊湊、抗振動能力強等優(yōu)勢，因此受到越來越多的關注。

02

//發(fā)展與現(xiàn)狀

2005 年，印度發(fā)射的“印度迷你衛(wèi)星-1”搭載了線性漸變?yōu)V光片高光譜相機，該儀器的光譜范圍為400~920 nm，光譜分辨率優(yōu)于 15 nm。 2015 年，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的張建采用雙離子束濺射物理沉積方法，修正了線性漸變沉積速率，制備了高透過率、高色散系數(shù)的線性漸變?yōu)V光片。其工作波段為 650~1050 nm，各個位置的中心波長峰值透過率均達到 85% 以上，中心波長的線性變化率為 20 nm/mm。 2016 年，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的于新洋將線性漸變?yōu)V光片應用在水果的品質(zhì)檢測研究中，使用中心波長線性變化率為35.9nm/mm的線性漸變?yōu)V光片研制了手持式近紅外品質(zhì)分析儀，其工作波段為620~1080 nm，光譜分辨率小于1.5%倍的中心波長。2017 年，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的袁境澤利用線性漸變?yōu)V光片設計了人體血紅蛋白無創(chuàng)分析儀。該分析儀的工作波段為620~1080 nm，光譜分辨率小于 1% 倍的中心波長。 2018 年，丹麥發(fā)射的立方星 GOMX，其上搭載了微型漸變?yōu)V光片高光譜相機，光譜范圍為 0.4~1 μm，光譜分辨率 15 nm，空間分辨率 70 m。 2020 年，英國西蘇格蘭大學的Shigeng Song使用旋轉(zhuǎn)機械掩模方法和微波等離子體輔助脈沖直流反應濺射工藝實現(xiàn)了線性漸變?yōu)V光片的大量制備，如圖3所示。

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圖3 (a)?輔助脈沖-直流旋轉(zhuǎn)鼓形濺射沉積系統(tǒng)原理圖；?(b) LVF?制備效果圖

LVF 由交替的高/低折射率材料疊層制成。在一側(cè)上沉積 54 個 H/L 交替層，H/L 交替層逐漸增加，并在基板的另一側(cè)達到 110 個 H/L 交替層。最終，該LVF 可以在 450~900 nm 的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)半波寬為11.25 nm 的光譜分光，在中心波長處，光譜透過率可達 40%~80%，如圖4所示。該制備工藝的優(yōu)勢在于可以批量制備廉價的線性漸變?yōu)V光片，推動線性漸變?yōu)V光片在無人機光譜儀等領域的使用。

圖4 濾光片的光能透過率

2020 年，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的劉春雨團隊利用線性漸變?yōu)V光片不受狹縫限制的特點，結合數(shù)字域 TDI 技術，解決了星載輕小型高分辨率高光譜相機信噪比不足的問題，研制了一款工作波段為 0.4~1 μm、地面分辨率為 10 m，平均光譜分辨率為 8.9 nm、系統(tǒng)總質(zhì)量為 7 kg 的輕小型星載高光譜成像光譜儀，其原理如圖5所示，探測器的P1~P3 行連續(xù)成像多次，將多次成像的電子數(shù)相加可以提高圖像信噪比。同年，該團隊又公布了使用多片漸變?yōu)V光片探測器拼接技術的高分辨率大幅寬高光譜相機，該相機在 500 km 軌道處幅寬達到了 150 km，而質(zhì)量僅為 9.2 kg。

圖5 線性漸變?yōu)V光片與數(shù)字域?TDI?的原理圖

編輯：黃飛

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