可調(diào)諧濾光片型高光譜相機

可調(diào)諧濾光片高光譜相機以可調(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)高光譜相機和聲光可調(diào)諧濾光片(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)高光譜相機。

2.1液晶可調(diào)諧濾光片型高光譜相機

如圖6所示，液晶可調(diào)諧濾光片高光譜相機主要利用LCTF技術(shù)進行分光。LCTF是以液晶的電控雙折射效應(yīng)為原理進行研制的，它由多組平行排列的Lyot型濾光片級聯(lián)而成，如圖7所示，為一級Lyot濾光片的原理示意圖，每一級Lyot濾光片都是通過在兩個平行的偏振片之間填充液晶層和石英晶體來實現(xiàn)對波長的調(diào)制。

當某一波長的光經(jīng)過第一個偏振片后會變成線偏振光，線偏振光進入液晶層時會發(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為液晶對波長λ為的光的等效雙折射率，且?n依賴于波長λ、溫度T和施加電壓V。

經(jīng)過第二個偏振片后，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Lyot的光程差是前一級的二倍，即δn+1=2δn，則N級Lyot濾光片級聯(lián)的透過率為：

溫度一定時，LCTF的透射率函數(shù)僅依賴于波長和電壓，利用晶體的光電效應(yīng)，通過對液晶層施加外部電壓，可以實現(xiàn)對波長的選擇透過性。

LCTF型高光譜相機主要通過電壓調(diào)制透過的波長，可以實現(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，其無需輪式機構(gòu)，避免了微振動等的影響，且其具有原理簡單、體積小、能耗低等優(yōu)勢，在當前輕小型衛(wèi)星有效載荷中占有獨特地位。LCTF型高光譜相機的視場角一般較小，適合對指定采樣目標進行小視場范圍的光譜成像。

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能力；此外，液晶的折射率受溫度影響較大，中心波長隨溫度變化漂移明顯，對光譜測量精度也會產(chǎn)生一定的影響。

由美國噴氣推進實驗室自主研制的火星車樣機FIDO上裝有的相機Pancam就是由一組CCD相機和LCTF構(gòu)成，其中LCTF被放在CCD相機的物方一側(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，主要用于觀測高分辨率積雨云場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鏡HPT可能是首個使用LCTF技術(shù)的星載載荷。HPT的視場角為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SMI也采用了LCTF技術(shù)，SMI所在軌道高度為400km，空間分辨率達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)測植被變化和菲律賓水域浮游植物生長量的估測。

2.2聲光可調(diào)諧濾光片型高光譜相機

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。聲波屬于機械波，在介質(zhì)中傳播時會引起介質(zhì)的疏密變化，由此會導(dǎo)致介質(zhì)折射率的疏密變化，形成以聲波波長為光柵常數(shù)的透射光柵，當光線以特定的角度入射到聲光介質(zhì)上時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，完成復(fù)色光到單色光的分光，ATOF型高光譜相機就是根據(jù)該原理進行研制的。

與LCTF型高光譜相機相比，ATOF型高光譜相機同樣具備小型化的優(yōu)勢，能夠適應(yīng)機載、彈載等多類搭載環(huán)境。AOTF型高光譜相機的波長調(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的波長范圍，但是往往會受到超聲換能器的帶寬影響，使其波長調(diào)控范圍被限制在一個倍程(λ~2λ)，因此，在調(diào)控范圍的靈活性方面，LCTF技術(shù)更具備競爭力。

2003年6月，歐洲太空局發(fā)射的“火星快車”上搭載的SPICAM高光譜相機用于紫外和紅外波段的探測，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，實現(xiàn)了在1.1~1.7μm波段內(nèi)的分光。

2006年4月，抵達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，我國發(fā)射的“嫦娥三號”月球著陸車上搭載的凝視型高光譜相機VNIS也采用了AOTF的分光原理，圖9所示為AOTF設(shè)計示意圖。

VNIS的光譜范圍為0.45~2.4μm，可見光波段的視場角為6°×6°，近紅外波段的視場角為3°×3°，VNIS使用40~180MHz的連續(xù)可調(diào)射頻頻率，在450~950nm波段實現(xiàn)了低于8nm的光譜分辨率，在900~2400nm波段實現(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)探測數(shù)據(jù)，是我國該類技術(shù)的首次空間應(yīng)用。

可調(diào)諧濾光片一般由多層光學(xué)薄膜構(gòu)成，這些薄膜具有不同的光學(xué)特性，可以實現(xiàn)對特定波長范圍的光的反射或透射。通過改變?yōu)V光片的諧振頻率，可以在不同的波長范圍內(nèi)對入射光進行過濾。一般來說，濾光片的諧振頻率與其所選擇的波長范圍成反比，即濾光片越能濾出低頻成分，就能獲得越寬的波長范圍。

可調(diào)諧濾光片型高光譜相機具有許多優(yōu)點。

1. 它可以獲取豐富的光譜信息，從而可以對不同的目標進行精確的識別和分析。

2. 由于這種相機采用了可調(diào)諧濾光片技術(shù)，因此它可以實現(xiàn)對不同波長范圍的光的過濾，從而可以在不同的應(yīng)用場景下進行靈活的配置。

3. 這種相機還具有高靈敏度和高分辨率的特點，可以實現(xiàn)對目標的高精度定位和分析。

   
   

可調(diào)諧濾光片型高光譜相機的工作原理是：

當光線通過相機鏡頭進入相機后，會被分解成不同的光譜成分，然后這些光譜成分會通過可調(diào)諧濾光片過濾，最后再通過成像器件將過濾后的光譜成分轉(zhuǎn)換成圖像。在拍攝圖像時，可調(diào)諧濾光片會不斷地在特定的波長范圍內(nèi)進行掃描，以便獲取不同波長的圖像。通過對不同波長的圖像進行合成和處理，可以獲得高分辨率和高清晰度的圖像。

可調(diào)諧濾光片型高光譜相機在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

例如，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中，這種相機可以用于檢測大氣中的有害氣體成分；在地理信息系統(tǒng)中，這種相機可以用于對地形地貌進行精確測繪；在醫(yī)療診斷領(lǐng)域中，這種相機可以用于對腫瘤等病變進行早期發(fā)現(xiàn)和定位；在軍事偵查領(lǐng)域中，這種相機可以用于對目標進行精確識別和定位。