渐变滤光片型高光谱相机原理与发展现状

引言

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1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。

图1 楔形滤光片谐振层厚度示意图

渐变滤光片是一种特殊的法布里-珀罗 (Fabry Perot，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，基于滤光片型的高光谱相机具有系统结构形式简单、体积小、质量轻、空间分辨率高、灵活性好等优点。近年来，随着镀膜技术和商业高光谱遥感的发展，基于镀膜型的高光谱相机也得以迅速发展。

线性渐变滤光片型高光谱相机

滤光片型高光谱相机则是在成像光路中加入滤光片进行分光，根据滤光片的不同，滤光片型高光谱相机又可以细分为旋转滤光片型、楔形滤光片型、可调谐滤光片型和量子点滤光片型。下图为前三种滤光片高光谱相机的原理示意图。

高光谱成像原理示意图

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2所示。

图2 线性渐变滤光片结构及分光示意图

其峰值透射波长λ0由下列公式给出：

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。

发展与现状

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15 nm。

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 650~1050 nm，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20 nm/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620~1080 nm，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620~1080 nm，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，光谱范围为 0.4~1 μm，光谱分辨率 15 nm，空间分辨率 70 m。

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3所示。

图3(a)辅助脉冲-直流旋转鼓形溅射沉积系统原理图；(b) LVF制备效果图

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 450~900 nm 的光谱范围内实现半波宽为11.25 nm 的光谱分光，在中心波长处，光谱透过率可达40%~80%，如图4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。

图4 滤光片的光能透过率

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 0.4~1 μm、地面分辨率为 10 m，平均光谱分辨率为 8.9 nm、系统总质量为 7 kg 的轻小型星载高光谱成像光谱仪，其原理如图5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 500 km 轨道处幅宽达到了 150 km，而质量仅为 9.2 kg。

图5 线性渐变滤光片与数字域TDI的原理图

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审核编辑黄宇