引言

楔形濾光片型高光譜相機也被稱為漸變濾光片型高光譜相機，可以實現在光譜區和空間區的連續取樣，它的設計理念是將一個楔形多層薄膜介質作為濾光片，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濾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制示意圖。漸變濾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據，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

漸變濾光片是一種特殊的法布里-珀羅 (Fabry Perot，F-P) 光學諧振器，具有波長漸變、通道可選、性能穩定等優點，其鍍層呈楔子狀，改變諧振層的厚度，漸變濾光片的中心波長也會隨之改變。由于漸變濾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、層數較多等問題，但是近年來隨著鍍膜工藝水平的提高，漸變濾光片的光譜透過率可以達到70%，光譜分辨率能達到1％。根據漸變濾光片各波段與探測器像元之間的對應關系，漸變濾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結構形式簡單、體積小、質量輕、空間分辨率高、靈活性好等優點。近年來，隨著鍍膜技術和商業高光譜遙感的發展，基于鍍膜型的高光譜相機也得以迅速發展。

線性漸變濾光片型高光譜相機

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，根據濾光片的不同，濾光片型高光譜相機又可以細分為旋轉濾光片型、楔形濾光片型、可調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

線性漸變濾光片(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，能夠將入射的復色光分解成與濾光片位置相關的光譜。線性漸變濾光片有帶通、高通、低通等類型，成像光譜儀中常用的線性漸變濾光片一般是基于多光束干涉原理的F-P窄帶通線性漸變濾光片。F-P窄帶漸變濾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線性變化，如圖2所示。

圖2 線性漸變濾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，···。

線性漸變濾光片與面陣探測器共同組成線性漸變濾光片型高光譜相機，該類高光譜相機與光柵型高光譜相機相比具有光路緊湊、抗振動能力強等優勢，因此受到越來越多的關注。

發展與現狀

2005年，印度發射的“印度迷你衛星-1”搭載了線性漸變濾光片高光譜相機，該儀器的光譜范圍為400~920nm，光譜分辨率優于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、高色散系數的線性漸變濾光片。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濾光片應用在水果的品質檢測研究中，使用中心波長線性變化率為35.9nm/mm的線性漸變濾光片研制了手持式近紅外品質分析儀，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濾光片設計了人體血紅蛋白無創分析儀。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，丹麥發射的立方星 GOMX，其上搭載了微型漸變濾光片高光譜相機，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了線性漸變濾光片的大量制備，如圖3所示。

圖3(a)輔助脈沖-直流旋轉鼓形濺射沉積系統原理圖；(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 的光譜范圍內實現半波寬為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。該制備工藝的優勢在于可以批量制備廉價的線性漸變濾光片，推動線性漸變濾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濾光片不受狹縫限制的特點，結合數字域 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、系統總質量為 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 行連續成像多次，將多次成像的電子數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濾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，而質量僅為 9.2 kg。

圖5 線性漸變濾光片與數字域TDI的原理圖

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審核編輯黃宇