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。

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(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)入射光進(jìn)行過濾。一般來說，濾光片的諧振頻率與其所選擇的波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍。

可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)。

1. 它可以獲取豐富的光譜信息，從而可以對(duì)不同的目標(biāo)進(jìn)行精確的識(shí)別和分析。

2. 由于這種相機(jī)采用了可調(diào)諧濾光片技術(shù)，因此它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)范圍的光的過濾，從而可以在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行靈活的配置。

3. 這種相機(jī)還具有高靈敏度和高分辨率的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度定位和分析。

   
   

可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)的工作原理是：

當(dāng)光線通過相機(jī)鏡頭進(jìn)入相機(jī)后，會(huì)被分解成不同的光譜成分，然后這些光譜成分會(huì)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(shí)，可調(diào)諧濾光片會(huì)不斷地在特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，以便獲取不同波長(zhǎng)的圖像。通過對(duì)不同波長(zhǎng)的圖像進(jìn)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(jī)在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

例如，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，這種相機(jī)可以用于檢測(cè)大氣中的有害氣體成分；在地理信息系統(tǒng)中，這種相機(jī)可以用于對(duì)地形地貌進(jìn)行精確測(cè)繪；在醫(yī)療診斷領(lǐng)域中，這種相機(jī)可以用于對(duì)腫瘤等病變進(jìn)行早期發(fā)現(xiàn)和定位；在軍事偵查領(lǐng)域中，這種相機(jī)可以用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確識(shí)別和定位。