漸變?yōu)V光片型高光譜相機(jī)原理與發(fā)展現(xiàn)狀

引言

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(yīng)，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(jī)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(biāo)的完整數(shù)據(jù)，像面上對應(yīng)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(xué)諧振器，具有波長漸變、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光片的中心波長也會隨之改變。由于漸變?yōu)V光片不同中心波長所對應(yīng)的膜層厚度變化較緩，會帶來膜系結(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光片各波段與探測器像元之間的對應(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，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。

線性漸變?yōu)V光片型高光譜相機(jī)

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。下圖為前三種濾光片高光譜相機(jī)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?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(jié)構(gòu)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(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、抗振動能力強(qiáng)等優(yōu)勢，因此受到越來越多的關(guān)注。

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(jī)，該儀器的光譜范圍為400~920nm，光譜分辨率優(yōu)于15 nm。

2015年，中國科學(xué)院長春光學(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 650~1050 nm，各個(gè)位置的中心波長峰值透過率均達(dá)到85%以上，中心波長的線性變化率為20 nm/mm。

2016 年，中國科學(xué)院長春光學(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(xué)院長春光學(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620~1080 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(jī)，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(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3所示。

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(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 450~900 nm 的光譜范圍內(nèi)實(shí)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(dá)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(jià)的線性漸變?yōu)V光片，推動線性漸變?yōu)V光片在無人機(jī)光譜儀等領(lǐng)域的使用。

圖4 濾光片的光能透過率

2020 年，中國科學(xué)院長春光學(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 0.4~1 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(tuán)隊(duì)又公布了使用多片漸變?yōu)V光片探測器拼接技術(shù)的高分辨率大幅寬高光譜相機(jī)，該相機(jī)在 500 km 軌道處幅寬達(dá)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

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審核編輯黃宇