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(xiàn)-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(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。

楔形濾光片是一種具有特殊光學(xué)性能的玻璃片，它能夠通過在玻璃中引入楔形角來對(duì)特定波長(zhǎng)的光線進(jìn)行過濾。這種濾光片能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光譜信息的精確測(cè)量，因?yàn)樗梢韵尘霸肼暫推渌蓴_因素的影響。

高光譜相機(jī)是另一種重要的遙感設(shè)備，它可以通過拍攝一組連續(xù)的圖像來捕獲物體在不同波長(zhǎng)下的光譜信息。這種相機(jī)具有高分辨率和高靈敏度的特點(diǎn)，能夠?qū)Φ匚镞M(jìn)行精細(xì)的分類和識(shí)別。

楔形濾光片型高光譜相機(jī)結(jié)合了這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，它可以通過對(duì)特定波長(zhǎng)的精確測(cè)量來獲取高分辨率和高光譜信息。這種相機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 高分辨率和高光譜信息獲取能力：楔形濾光片型高光譜相機(jī)可以同時(shí)獲取高分辨率和高光譜信息，這使得它能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別地物和測(cè)量光譜信息。

2. 精確的波長(zhǎng)測(cè)量能力：楔形濾光片能夠?qū)μ囟úㄩL(zhǎng)的光線進(jìn)行精確的過濾，這使得相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光譜信息的精確測(cè)量。

3. 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力：楔形濾光片型高光譜相機(jī)可以同時(shí)獲取大量的光譜數(shù)據(jù)，這需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

4. 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：楔形濾光片型高光譜相機(jī)在環(huán)境保護(hù)、地球觀測(cè)、氣候變化研究、行星探索等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，是一種非常重要的遙感設(shè)備。

楔形濾光片型高光譜相機(jī)是一種先進(jìn)的遙感設(shè)備，它具有高分辨率和高光譜信息獲取能力、精確的波長(zhǎng)測(cè)量能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域等優(yōu)點(diǎn)。這種相機(jī)在未來的遙感領(lǐng)域中將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

為了充分發(fā)揮楔形濾光片型高光譜相機(jī)的優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)其進(jìn)行合理的操作和維護(hù)。首先，操作人員需要具備一定的專業(yè)技能和知識(shí)，以了解相機(jī)的性能和操作規(guī)范。其次，在拍攝過程中需要注意調(diào)整相機(jī)的參數(shù)和設(shè)置，以保證拍攝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。最后，需要定期對(duì)相機(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，以保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。