濾光片分光型高光譜相機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
摘要：高光譜相機(jī)可將成像技術(shù)與光譜探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，在對(duì)目標(biāo)空間特征成像的同時(shí)，可以對(duì)每個(gè)空間像元形成多個(gè)窄波段實(shí)現(xiàn)連續(xù)的光譜覆蓋，不同光譜信息能充分反映地物內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的差異。與傳統(tǒng)的空間二維成像相比，高光譜相機(jī)可以同時(shí)獲取目標(biāo)的空間和光譜信息，在一定的空間分辨率下，能夠獲取寬譜段范圍內(nèi)地物獨(dú)有的連續(xù)特征光譜，對(duì)地物的精準(zhǔn)識(shí)別和探測(cè)具有顯著優(yōu)勢(shì)，目前已成為對(duì)地遙感重要的前沿技術(shù)手段，在農(nóng)、林、水、土、礦等資源調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著濾光片鍍膜技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了濾光片分光型高光譜相機(jī)的研制，目前基于濾光片分光原理的高光譜相機(jī)以大幅寬、高空間分辨率、高光譜分辨率和輕小型的優(yōu)勢(shì)成為高光譜遙感載荷的重要組成部分，在微納衛(wèi)星高光譜星座組網(wǎng)中獲得廣泛應(yīng)用。主要對(duì)濾光片分光型的高光譜相機(jī)進(jìn)行了綜述，介紹了國(guó)內(nèi)外典型濾光片分光型星載高光譜成像載荷，以及地面在研的濾光片分光型高光譜成像系統(tǒng)，并分析了這些系統(tǒng)的技術(shù)方案、性能指標(biāo)及應(yīng)用前景，闡述了基于濾光片分光原理的高光譜相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，最后展望了濾光片分光型高光譜相機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。
0引言
高光譜相機(jī)又稱為高光譜成像光譜儀，是集光譜采集和目標(biāo)成像于一體的探測(cè)設(shè)備，利用成像光譜技術(shù)能夠在連續(xù)光譜波段上對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行光譜成像，完成對(duì)該目標(biāo)空間、輻射和光譜三重信息的整合，提升了目標(biāo)觀測(cè)的信息維度。目前，高光譜相機(jī)已廣泛應(yīng)用于資源普查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事防御等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)分光原理的不同，現(xiàn)有的高光譜相機(jī)主要分為三類：色散型、干涉型和濾光片型。色散型高光譜相機(jī)一般先利用色散元件(光柵或者棱鏡)進(jìn)行分光，再經(jīng)由成像系統(tǒng)成像在探測(cè)器上；干涉型高光譜相機(jī)主要是利用干涉圖與光譜圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，借助干涉儀來測(cè)量譜線元的干涉強(qiáng)度，并對(duì)干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變換得到目標(biāo)的光譜圖；濾光片型高光譜相機(jī)則是在成像光路中加入濾光片進(jìn)行分光，根據(jù)濾光片的不同，濾光片型高光譜相機(jī)又可以細(xì)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(diǎn)濾光片型。圖1所示為前三種濾光片高光譜相機(jī)的原理示意圖。基于濾光片型的高光譜相機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、空間分辨率高、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著鍍膜技術(shù)和商業(yè)高光譜遙感的發(fā)展，基于鍍膜型的高光譜相機(jī)也得以迅速發(fā)展，文中將對(duì)各種基于濾光片型高光譜相機(jī)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
1旋轉(zhuǎn)濾光片型高光譜相機(jī)
濾光片輪高光譜相機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是以濾光片輪為分光元件，通過轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片輪獲得不同波段的光譜圖像，從而完成復(fù)色光到單色光的分光。濾光片輪通常是將一組具有不同波長(zhǎng)透過率的窄帶濾光片固定在輪式結(jié)構(gòu)上，每曝光一次采用一個(gè)濾光片。控制濾光片輪的旋轉(zhuǎn)速度，使其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與傳感器采樣頻率同步，從而保證每個(gè)濾光片對(duì)應(yīng)的譜段都能在傳感器上成像。
濾光片輪高光譜相機(jī)的關(guān)鍵器件是濾光片輪，可以根據(jù)觀測(cè)波段的不同替換相應(yīng)譜段范圍的濾光片輪，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，譜段更換靈活。但是由于光譜通道之間的切換需要依靠輪式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)來完成，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶來的振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響較為明顯，成像所需曝光時(shí)間較長(zhǎng)；且單次曝光只能獲得指定光譜范圍的圖像，光譜響應(yīng)曲線是離散的，無法獲取連續(xù)譜段的圖像，存在實(shí)時(shí)性的問題；同時(shí)濾光片輪上各個(gè)濾光片的共面情況以及厚度均勻性也會(huì)帶來成像模糊等問題。除此之外，隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，探測(cè)波段數(shù)目越來越多，濾光片輪已無法滿足寬譜段高分辨率的觀測(cè)，因此越來越多地被用于多光譜探測(cè)中。1994年，美國(guó)成功發(fā)射了對(duì)月探測(cè)衛(wèi)星Clementine，該衛(wèi)星的有效載荷：UV/VIS相機(jī)、NIR相機(jī)和HIRES相機(jī)都用到了濾光輪，覆蓋波段及濾光輪的相關(guān)參數(shù)如表1所示。
美國(guó)航空航天局研制的JWST，其上搭載的MIRI中波紅外相機(jī)-光譜儀和NIRSpec近紅外多目標(biāo)光譜儀都用到了濾光輪。NIRSpec將濾光輪與光柵輪進(jìn)行組合使用，其中濾光輪的主要作用是將光波分
解為不同組分，再結(jié)合光柵輪進(jìn)行更為精細(xì)的光譜分析。圖3為NIRSpec所用濾光輪的示意圖，該濾光輪覆蓋光譜范圍為0.6~5μm，主要由四個(gè)邊緣濾光片、兩個(gè)不同譜段的條帶濾光片、一個(gè)用于捕獲目標(biāo)的透明濾光片以及一個(gè)用于在軌校準(zhǔn)的反射鏡組成。
MIRI也是JWST的主要載荷之一，MIRI主要由成像儀和兩個(gè)光譜儀SPO、SMO組成，負(fù)責(zé)在5~28μm的中紅外波段內(nèi)進(jìn)行成像及中低分辨率的光譜分析。濾光輪在MIRI中主要起連通成像、光譜的作用。如圖4所示，該濾光輪主要分為18個(gè)通道，包括十個(gè)成像濾光片、四個(gè)日冕濾光片、一個(gè)中密度濾光片、一個(gè)雙棱鏡、一個(gè)透鏡、一個(gè)與棱鏡配重的明暗位置。
Euclid是歐洲航天局目前在研的衛(wèi)星之一，預(yù)計(jì)發(fā)射至第二個(gè)拉格朗日點(diǎn)，該衛(wèi)星的主要任務(wù)是在五年之內(nèi)完成對(duì)整個(gè)河外星系暗弱目標(biāo)的探測(cè)，有效載荷主要為一個(gè)成像儀器和一個(gè)光譜儀器，其中光譜儀器采用由四個(gè)濾光片構(gòu)成的濾光輪進(jìn)行分光，主要負(fù)責(zé)近紅外波段的探測(cè)，其中每個(gè)濾光片有8.5°的傾斜，防止在探測(cè)器上形成鬼像，圖5為該光譜儀中濾光輪的早期設(shè)計(jì)模型。
2可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)
可調(diào)諧濾光片高光譜相機(jī)以可調(diào)諧濾光片為分光元件，根據(jù)調(diào)諧方式的不同主要分為液晶可調(diào)諧濾光片(Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF)高光譜相機(jī)和聲光可調(diào)諧濾光片(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)高光譜相機(jī)。
2.1液晶可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)
如圖6所示，液晶可調(diào)諧濾光片高光譜相機(jī)主要利用LCTF技術(shù)進(jìn)行分光。LCTF是以液晶的電控雙折射效應(yīng)為原理進(jìn)行研制的，它由多組平行排列的Lyot型濾光片級(jí)聯(lián)而成，如圖7所示，為一級(jí)Lyot濾光片的原理示意圖，每一級(jí)Lyot濾光片都是通過在兩個(gè)平行的偏振片之間填充液晶層和石英晶體來實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)制。
當(dāng)某一波長(zhǎng)的光經(jīng)過第一個(gè)偏振片后會(huì)變成線偏振光，線偏振光進(jìn)入液晶層時(shí)會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，產(chǎn)生一束尋常光(o光)和非常光(e光)，它們的傳播方向相同，但傳播速度不同，因此經(jīng)過液晶層后的出射光會(huì)產(chǎn)生相位差，相位差由公式(1)給出：
式中：d為液晶層的厚度；?n為液晶對(duì)波長(zhǎng)λ為的光的等效雙折射率，且?n依賴于波長(zhǎng)λ、溫度T和施加電壓V。
經(jīng)過第二個(gè)偏振片后，兩束光發(fā)生干涉，通過單極Lyot結(jié)構(gòu)的透過率由公式(2)給出：
若通過控制電壓使每一級(jí)Lyot的光程差是前一級(jí)的二倍，即δn+1=2δn，則N級(jí)Lyot濾光片級(jí)聯(lián)的透過率為：
溫度一定時(shí)，LCTF的透射率函數(shù)僅依賴于波長(zhǎng)和電壓，利用晶體的光電效應(yīng)，通過對(duì)液晶層施加外部電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的選擇透過性。
LCTF型高光譜相機(jī)主要通過電壓調(diào)制透過的波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)任意寬波段范圍內(nèi)的快速調(diào)制，相比于濾光輪型高光譜相機(jī)，其無需輪式機(jī)構(gòu)，避免了微振動(dòng)等的影響，且其具有原理簡(jiǎn)單、體積小、能耗低等優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前輕小型衛(wèi)星有效載荷中占有獨(dú)特地位。LCTF型高光譜相機(jī)的視場(chǎng)角一般較小，適合對(duì)指定采樣目標(biāo)進(jìn)行小視場(chǎng)范圍的光譜成像。
值得注意的是，LCTF作為核心分光元件，其本身存在光譜透過率低的問題，直接限制了LCTF成像光譜儀的光譜檢測(cè)能力；此外，液晶的折射率受溫度影響較大，中心波長(zhǎng)隨溫度變化漂移明顯，對(duì)光譜測(cè)量精度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。
由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的火星車樣機(jī)FIDO上裝有的相機(jī)Pancam就是由一組CCD相機(jī)和LCTF構(gòu)成，其中LCTF被放在CCD相機(jī)的物方一側(cè)，主要工作在650nm、740nm和855nm波段處，帶寬分別為18nm、25nm和28nm。
2014年，日本發(fā)射了微納衛(wèi)星Rising-2，主要用于觀測(cè)高分辨率積雨云場(chǎng)景以及高層大氣中的精靈現(xiàn)象，該衛(wèi)星上搭載的高精度望遠(yuǎn)鏡HPT可能是首個(gè)使用LCTF技術(shù)的星載載荷。HPT的視場(chǎng)角為0.28°×0.21°，光譜范圍為400~1050nm，其中LCTF僅用于近紅外波段(650~1050nm)的分光，圖8為HPT光路示意圖。
2016年，菲律賓發(fā)射的第一顆微型衛(wèi)星Diwata-1上搭載的多光譜相機(jī)SMI也采用了LCTF技術(shù)，SMI所在軌道高度為400km，空間分辨率達(dá)80m，覆蓋波段為可見光波段(420~700nm)和近紅外波段(650~1050nm)，主要用于監(jiān)測(cè)植被變化和菲律賓水域浮游植物生長(zhǎng)量的估測(cè)。
2.2聲光可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)
AOTF主要由聲光介質(zhì)(通常為各向異性晶體)、換能器陣列(PZT)和聲終端組成。聲波屬于機(jī)械波，在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起介質(zhì)的疏密變化，由此會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)折射率的疏密變化，形成以聲波波長(zhǎng)為光柵常數(shù)的透射光柵，當(dāng)光線以特定的角度入射到聲光介質(zhì)上時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，完成復(fù)色光到單色光的分光，ATOF型高光譜相機(jī)就是根據(jù)該原理進(jìn)行研制的。
與LCTF型高光譜相機(jī)相比，ATOF型高光譜相機(jī)同樣具備小型化的優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)機(jī)載、彈載等多類搭載環(huán)境。AOTF型高光譜相機(jī)的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍取決于聲光晶體的通光譜段，盡管常用的氧化碲(TeO2)晶體能夠覆蓋0.2~4.5μm的波長(zhǎng)范圍，但是往往會(huì)受到超聲換能器的帶寬影響，使其波長(zhǎng)調(diào)控范圍被限制在一個(gè)倍程(λ~2λ)，因此，在調(diào)控范圍的靈活性方面，LCTF技術(shù)更具備競(jìng)爭(zhēng)力。
2003年6月，歐洲太空局發(fā)射的“火星快車”上搭載的SPICAM高光譜相機(jī)用于紫外和紅外波段的探測(cè)，其中紅外通道就采用了微型AOTF近紅外光譜成像儀，主要通過在TeO2晶體上施加聲波，實(shí)現(xiàn)了在1.1~1.7μm波段內(nèi)的分光。
2006年4月，抵達(dá)金星的金星快車也應(yīng)用了近紅外AOTF光譜儀，光譜范圍為0.65~1.7μm，光譜分辨率優(yōu)于1nm。
2013年，我國(guó)發(fā)射的“嫦娥三號(hào)”月球著陸車上搭載的凝視型高光譜相機(jī)VNIS也采用了AOTF的分光原理，圖9所示為AOTF設(shè)計(jì)示意圖。
VNIS的光譜范圍為0.45~2.4μm，可見光波段的視場(chǎng)角為6°×6°，近紅外波段的視場(chǎng)角為3°×3°，VNIS使用40~180MHz的連續(xù)可調(diào)射頻頻率，在450~950nm波段實(shí)現(xiàn)了低于8nm的光譜分辨率，在900~2400nm波段實(shí)現(xiàn)了低于12nm的光譜分辨率，為月面巡視礦物組成析提供了科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)，是我國(guó)該類技術(shù)的首次空間應(yīng)用。
3 楔形濾光片型高光譜相機(jī)
楔形濾光片型高光譜相機(jī)也被稱為漸變?yōu)V光片型高光譜相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)在光譜區(qū)和空間區(qū)的連續(xù)取樣，它的設(shè)計(jì)理念是將一個(gè)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(cè)器的位置，使探測(cè)器的若干像元與漸變?yōu)V光片的某一光譜帶相互對(duì)應(yīng)，圖10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(jī)多以推掃成像為主，推掃的方向與波長(zhǎng)漸變方向一致，通過掃描可以獲得被測(cè)目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)，像面上對(duì)應(yīng)的就是全部工作波段。
漸變?yōu)V光片是一種特殊的法布里-珀羅 (FabryPerot，F-P) 光學(xué)諧振器，具有波長(zhǎng)漸變、通道可選、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，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(zhǎng)也會(huì)隨之改變。由于漸變?yōu)V光片不同中心波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的膜層厚度變化較緩，會(huì)帶來膜系結(jié)構(gòu)復(fù)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(dá)到 70%，光譜分辨率能達(dá)到 1％。
根據(jù)漸變?yōu)V光片各波段與探測(cè)器像元之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，漸變?yōu)V光片高光譜相機(jī)又可以分為線性漸變型和濾光片陣列型，下面將針對(duì)兩種形式的高光譜相機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行具體介紹。
3.1 線性漸變?yōu)V光片型高光譜相機(jī)
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(huì)隨位置線性變化，能夠?qū)⑷肷涞膹?fù)色光分解成與濾光片位置相關(guān)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(gè)反射膜層與一個(gè)厚度漸變的腔層組成，各位置的中心波長(zhǎng)沿漸變方向連續(xù)線性變化，如圖 11 所示。其峰值透射波長(zhǎng)λ0由公式 (4) 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(cè)器共同組成線性漸變?yōu)V光片型高光譜相機(jī)，該類高光譜相機(jī)與光柵型高光譜相機(jī)相比具有光路緊湊、抗振動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此受到越來越多的關(guān)注。
2000年前后，OCLI公司推出了商品化的Micropac系列光譜儀，儀器的光譜分辨率小于 2.5% 倍的中心波長(zhǎng)，該系列可能是首款使用線性漸變?yōu)V光片的高光譜相機(jī)。
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(jī)，該儀器的光譜范圍為400~920nm，光譜分辨率優(yōu)于15nm。
2015年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)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650~1050nm，各個(gè)位置的中心波長(zhǎng)峰值透過率均達(dá)到85%以上，中心波長(zhǎng)的線性變化率為20nm/mm。
2016年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的于新洋將線性漸變?yōu)V光片應(yīng)用在水果的品質(zhì)檢測(cè)研究中，使用中心波長(zhǎng)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620~1080nm，光譜分辨率小于1.5%倍的中心波長(zhǎng)。
2017年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的袁境澤利用線性漸變?yōu)V光片設(shè)計(jì)了人體血紅蛋白無創(chuàng)分析儀。該分析儀的工作波段為620~1080nm，光譜分辨率小于1%倍的中心波長(zhǎng)。
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(jī)HyperScout，光譜范圍為0.4~1μm，光譜分辨率15nm，空間分辨率70m。
2018年，韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院的Khaled Mahmoud在SPIE會(huì)議上介紹了其研制的緊湊型電荷耦合檢測(cè)器(CCD)光譜相機(jī)，該光譜相機(jī)在像素?cái)?shù)量為1280×1024、像素尺寸為4.65μm的CCD探測(cè)器上集成了300~850nm波長(zhǎng)的線性可變邊緣濾波片，光譜分辨率為10~20nm。
2020年，英國(guó)西蘇格蘭大學(xué)的Shigeng Song使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械掩模方法和微波等離子體輔助脈沖直流反應(yīng)濺射工藝實(shí)現(xiàn)了線性漸變?yōu)V光片的大量制備，如圖12所示。
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(gè)H/L交替層，H/L交替層逐漸增加，并在基板的另一側(cè)達(dá)到110個(gè)H/L交替層。最終，該LVF可以在450~900nm的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)半波寬為11.25nm的光譜分光，在中心波長(zhǎng)處，光譜透過率可達(dá)40%~80%，如圖13所示。該制備工藝的優(yōu)勢(shì)在于可以批量制備廉價(jià)的線性漸變?yōu)V光片，推動(dòng)線性漸變?yōu)V光片在無人機(jī)光譜儀等領(lǐng)域的使用。
2020年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的劉春雨團(tuán)隊(duì)利用線性漸變?yōu)V光片不受狹縫限制的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字域TDI技術(shù)，解決了星載輕小型高分辨率高光譜相機(jī)信噪比不足的問題，研制了一款工作波段為0.4~1μm、地面分辨率為10m，平均光譜分辨率為8.9nm、系統(tǒng)總質(zhì)量為7kg的輕小型星載高光譜成像光譜儀，其原理如圖14所示，探測(cè)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(tuán)隊(duì)又公布了使用多片漸變?yōu)V光片探測(cè)器拼接技術(shù)的高分辨率大幅寬高光譜相機(jī)，該相機(jī)在500km軌道處幅寬達(dá)到了150km，而質(zhì)量?jī)H為9.2kg。
3.2 濾光片陣列型高光譜相機(jī)
濾光片陣列是一個(gè)由基元重復(fù)排列而成的周期結(jié)構(gòu)，該基元內(nèi)部可以劃分為n個(gè)區(qū)域，通過設(shè)置每個(gè)區(qū)域的膜層厚度控制通過該區(qū)域的中心波長(zhǎng)，將濾光片陣列與探測(cè)器像元進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的光譜探測(cè)，圖15為濾光片陣列的分布方式示意圖。數(shù)據(jù)采集完成后，將不同基元內(nèi)部相同區(qū)域所對(duì)應(yīng)的像元進(jìn)行拼接處理即可得到該位置所對(duì)應(yīng)的全譜段信息。
濾光片陣列高光譜相機(jī)在探測(cè)時(shí)要求濾光片陣列與探測(cè)器像元相匹配，匹配區(qū)域過小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)誤差較大，對(duì)最終的光譜成像質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。相較于傳統(tǒng)推掃的高光譜相機(jī)，該相機(jī)獲取光譜信息和圖像信息的方式為凝視拍攝，可進(jìn)行視頻高光譜成像，在進(jìn)行暗弱目標(biāo)探測(cè)、天文觀測(cè)、機(jī)載探測(cè)及安防監(jiān)視領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)較為明顯。
自2010年開始，包括我國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家都已對(duì)其開展了深入研究并取得了顯著成果。美國(guó)海洋光學(xué)公司的Jim Lane等人設(shè)計(jì)了一款基于像素級(jí)濾光片的四通道、半波寬約為20nm的成像光譜儀。該光譜儀四個(gè)通道的中心波長(zhǎng)分別750nm、772nm、802nm和834nm。濾光片物理尺寸為35mm×23mm，包含875萬(wàn)(3500×2500)個(gè)單獨(dú)的濾光單元，每個(gè)濾光單元的尺寸為10μm×10μm，每個(gè)濾光單元周圍有1μm的邊界，從而形成8μm×8μm的有效區(qū)域。濾光片的局部區(qū)域如圖16所示。
該光譜儀的實(shí)驗(yàn)光路如圖17所示，其包含一個(gè)攝影物鏡，一個(gè)像素級(jí)濾光片，一個(gè)中繼物鏡和一個(gè)全色圖像接收器。成像過程中，攝影物鏡在濾光片上形成物體的中間圖像，隨后中繼透鏡將濾光片處的像再次成像到全色圖像接收器上。
比利時(shí)微電子研究中心的BertGeelen等人通過直接在探測(cè)器的每個(gè)像元處鍍膜實(shí)現(xiàn)了多光譜成像，如圖18所示。該團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)2通道(1×2)、4通道(2×2)和16通道(4×4)鍍膜技術(shù)。這種光譜儀具有緊湊化、低成本、高采集速度以及靈活的頻帶選擇和帶寬調(diào)整能力等優(yōu)點(diǎn)。
佐治亞理工學(xué)院的易定容和孔令華等人通過將4通道像素級(jí)濾光片放置于探測(cè)器前方實(shí)現(xiàn)了多光譜探測(cè)，該光譜儀已被用于皮膚病診斷領(lǐng)域。該濾光片四個(gè)通道的中心波長(zhǎng)分別為540nm、577nm、650nm和970nm，半波寬為30nm，單個(gè)濾光單元的尺寸為20.8μm×20.8μm，物理尺寸為6.5mm×5mm，濾光單元之間的間距約為1~2μm，圖19為該濾光片的實(shí)圖。
易定容團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)控制的二維精密平移臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)將像素級(jí)濾光片固定在探測(cè)器前方，可實(shí)現(xiàn)小于1/1000rad的傾斜精度和1μm以內(nèi)的偏心精度，其裝置如圖20所示。
中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的劉春雨和謝運(yùn)強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了一款16通道(4×4)像素級(jí)濾光片，半波寬約為25nm的短波紅外快照高光譜相機(jī)，所用濾光片和整機(jī)分別如圖21和圖22所示。
該光譜相機(jī)由攝影物鏡、像素級(jí)濾光片、中繼物鏡和全色探測(cè)器組成，濾光片16個(gè)通道的中心波長(zhǎng)分別為1131、1163、1199、1238、1259、1301、1339、1381、1413、1456、1495、1532、1600、1636、1669nm，共有640×512個(gè)濾光單元，每個(gè)濾光單元的尺寸為15μm×15μm。
4 量子點(diǎn)光譜儀
量子點(diǎn)又稱為“納米晶”，它是一種無機(jī)材料，自身穩(wěn)定性高，其半徑小于大塊的激子波爾半徑。顏色是物質(zhì)的本征狀態(tài)，一般來說，宏觀材料的顏色不會(huì)因材料本身形狀和體積的改變而發(fā)生變化，而量子點(diǎn)作為一種尺寸非常小的納米材料，其顏色會(huì)因自身原子個(gè)數(shù)的增加或減少而變化，即改變量子點(diǎn)的形狀和大小可以調(diào)諧其吸收的光譜范圍，利用量子點(diǎn)對(duì)光譜的調(diào)諧特性能夠?qū)崿F(xiàn)分光的功能。將不同尺寸的量子點(diǎn)集成在同一基板上，可以看作一種特殊形式的濾波器。單個(gè)量子點(diǎn)對(duì)透過的光波非常地敏感，合理地控制量子點(diǎn)的大小、形狀以及排列方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜連續(xù)精確的探測(cè)；將不同種類的量子點(diǎn)集成一起，則可以實(shí)現(xiàn)不同波段的同時(shí)探測(cè)，量子點(diǎn)光譜儀(Colloidal Quantum Dot Spectrometers,CQDs)就是以此為原理進(jìn)行研制的，其工作原理如圖23所示。
2015年，清華大學(xué)的鮑捷等人首次提出了量子點(diǎn)光譜儀的概念。他們利用量子點(diǎn)體積微小的特點(diǎn)，將195種量子點(diǎn)集中在同一張薄膜上，并將該薄膜與微型探測(cè)器陣列附和在一起，構(gòu)成了微型量子點(diǎn)光譜儀。理論上量子點(diǎn)光譜儀可以覆蓋0.2~5μm的光譜范圍，這種新型光譜儀在減小儀器體積和質(zhì)量的同時(shí)并不影響光譜儀本身的分辨率和使用效率。
2021年，李慧宇團(tuán)隊(duì)針對(duì)近紅外譜段的量子點(diǎn)光譜儀進(jìn)行了研究，他們選取了PbS和PbSe兩種材料的量子點(diǎn)，通過控制交替合成、配體交換和陽(yáng)離子交換等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)了這兩種量子點(diǎn)的光譜調(diào)諧，該團(tuán)隊(duì)采用195個(gè)量子點(diǎn)進(jìn)行集成，將其作為濾光元件，選用金屬氧化物半導(dǎo)體作為探測(cè)器，構(gòu)成了近紅外量子點(diǎn)光譜儀，圖24所示為該團(tuán)隊(duì)研制的近紅外量子點(diǎn)光譜儀原理圖，其光譜范圍為0.9~1.7μm，平均光譜分辨率可達(dá)6nm。
傳統(tǒng)概念上的光譜儀配置了高精度的光學(xué)和機(jī)械元件，體積笨重、造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用領(lǐng)域嚴(yán)重受限，量子點(diǎn)光譜儀的出現(xiàn)突破了上述局限，為微型光譜儀的推廣提供了新思路。但由于量子點(diǎn)對(duì)光波的調(diào)諧與濾波器類似，在光譜反演時(shí)存在嚴(yán)重的噪聲問題，因此，繼量子點(diǎn)光譜儀出現(xiàn)之后也推動(dòng)了具有針對(duì)性的光譜重建算法的發(fā)展。
5 總結(jié)與展望
高光譜相機(jī)所得數(shù)據(jù)能夠同時(shí)獲取被測(cè)目標(biāo)的二維空間信息及一維光譜信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的“指紋”探測(cè)。目前，高光譜相機(jī)正朝
著寬譜段，高的空間、光譜以及時(shí)間分辨率的方向發(fā)展，廣泛應(yīng)用于軍事、海洋科學(xué)、大氣科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。高光譜相機(jī)的分光方式直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能、體積及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，文中主要針對(duì)濾光片分光型的高光譜相機(jī)進(jìn)行了介紹，該類型的高光譜相機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、光路簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)，不同類型的濾光片在成像光譜系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)也不盡相同.
總的來看，濾光片分光型的高光譜相機(jī)正處于起步階段，其光譜分辨率還無法與高精度的光柵色散分光方式相比擬，因此提高系統(tǒng)的光譜分辨率和能量利用率將成為鍍膜型高光譜相機(jī)總的發(fā)展方向，尤其是隨著鍍膜技術(shù)以及量子點(diǎn)等新材料的發(fā)展，基于鍍膜型的高光譜相機(jī)的光譜分辨率和能量利用率已得到了大幅提高，研發(fā)成本也有望進(jìn)一步降低；此外，濾光片與探測(cè)器的結(jié)合也將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的光譜分辨率，甚至可以與高精度的光柵色散分光相媲美，因此，濾光片和探測(cè)器晶元的結(jié)合也是鍍膜型高光譜相機(jī)的一大發(fā)展趨勢(shì)。不難看出，濾光片型高光譜相機(jī)的發(fā)展將推動(dòng)高光譜成像領(lǐng)域的顛覆性發(fā)展，并由此帶動(dòng)微納衛(wèi)星高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，為未來微納高光譜衛(wèi)星星座組網(wǎng)在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行，更好地服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
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來源：劉春雨，丁祎，劉帥，樊星皓，謝運(yùn)強(qiáng) 濾光片分光型高光譜相機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) (特邀)：紅外與激光工程 第51卷第一期
