中国科学院长春光学精密机械与物理研究所引用格式刘春雨

撰稿人：刘春雨

单位：中国科学教授春光学精密机械与化学研究所

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刘春雨,丁祎,刘帅,樊星皓,谢运强.滤光片分光型高波谱单反发展现况及趋势（特邀）[J].红外与激光工程,2022,51(1):.doi:10.3788/

文章背景

高波谱单反是集波谱采集和目标成像于一体的侦测设备，借助成像波谱技术才能在连续波谱波段上对同一目标进行波谱成像，完成对该目标空间、辐射和波谱三重信息的整合，极大地提高了目标观测的信息维度。目前已成为对地遥感重要的前沿技术手段，在农、林、水、土、矿等资源调查与环境检测等领域具有重要的应用价值。

按照分光原理的不同，现有的高波谱单反主要分为三类:色散型、干涉型和滤光片型。图1为三种类型高波谱单反工作原理示意图，色散型高波谱单反通常先借助色散器件（光栅或则棱镜）进行分光，再经由成像系统成像在侦测器上；干涉型高波谱单反主要是借助干涉图与波谱图之间的对应关系，利用干涉仪来检测谱线元的干涉硬度，并对干涉图进行逆傅里叶变换得到目标的波谱图；滤光片型高波谱单反则是在成像光路中加入滤光片进行分光。随着滤光片镀膜技术的急速发展，极大地推动了滤光片分光型高波谱单反的研发，目前基于滤光片分光原理的高波谱单反以急剧宽、高空间码率、高波谱帧率和轻中型的优势成为高光谱遥感荷载的重要组成部份，在微纳卫星高波谱天秤组网中获得了广泛应用。

图1高波谱原理成像示意图

主要内容

按照滤光片的不同，滤光片型高波谱单反可以细分为：旋转滤光片型、楔形滤光片型、可调谐滤光片型和量子点滤光片型。作者首先回顾了四种滤光片分光高波谱单反的基本原理及其技术特征，此后，介绍了国外外典型滤光片分光型星载高波谱成像荷载，以及地面在研的滤光片分光型高光谱成像系统，包括那些系统的技术方案、性能指标及应用前景，最后，作者讨论了几种高波谱单反的局限性、并展望了其未来发展方向。

滤光片轮高波谱单反通过转动滤光片轮获得不同波段的波谱图象，进而完成复色光到单色光的分光。如图2所示，滤光片轮一般是将一组具有不同波长透过率的窄带滤光片固定在履带结构上，每爆光一次采用一个滤光片。控制滤光片轮的旋转速率，使其转动频度与传感取样频度同步，从而保证每位滤光片对应的谱段都能在传感上成像。

图2旋转滤光片型高波谱单反原理图

滤光片轮高波谱单反的关键元件是滤光片轮，可以依据观测波段的不同傅里叶红外光谱仪原理示意图，替换相应谱段范围的滤光片轮，光路结构简单，谱段更换灵活。并且因为波谱通道之间的切换须要借助履带结构的转动来完成，旋转结构带来的震动对成像质量影响较为显著，成像所需爆光时间较长;且单次爆光只能获得指定波谱范围的图象，波谱响应曲线是离散的，难以获取连续谱段的图象，存在实时性的问题。随着波谱成像技术的发展，滤光片轮已难以满足宽谱段高帧率的观测，因而越来越多地被用于多波谱侦测中。

可调谐滤光片高波谱单反以可调谐滤光片为分光器件，按照调谐方法的不同主要分为液晶可调谐滤光片（,LCTF）高波谱单反和声光可调谐滤光片（-Optic,AOTF）高波谱单反。

如图3(a)所示，液晶可调谐滤光片高波谱单反主要借助LCTF技术进行分光，LCTF借助Lyot滤光片级连结构，通过电流调制透过的波长，实现任意宽波段范围内的快速调制，一级Lyot滤光片的结构如图3(b)所示。而AOTF主要由声光介质（一般为各向异性晶体）、换能器阵列（PZT）和声终端组成。借助声波在介质中传播时造成的介质的明暗变化改变介质折射率，产生以声波波长为光栅常数的透射光栅，完成复色光到单色光的分光。2013年我国发射的嫦娥三号地球着陆车上搭载的注视型高波谱单反VNIS就采用了AOTF的分光原理，其设计示意图如图4所示。

相比于滤光轮型高波谱单反，可调谐滤光片型高波谱单反无需履带机构，避开了微震动等的影响，具有原理简单，容积小，煤耗低等优势，在当前轻中型卫星有效荷载中占有奇特地位。

图3（a）LCTF成像波谱仪原理图；（b）一级Lyot滤光片结布光

图4VNIS中AOTF混频片设计示意图

楔形滤光片型高波谱单反可以实现在波谱区和空间区的连续采样，它的设计理念是将一个楔形多层薄膜介质作为滤光片，并将其安装在靠近着二维阵列侦测器的位置，使侦测器的若干像元与渐变滤光片的某一波谱带互相对应，按照渐变滤光片各波段与侦测器像元之间的对应关系，渐变滤光片高波谱单反又可以分为线性渐变形和滤光片阵列型两种。其中，线性渐变滤光片（,LVF）是一种特殊的滤光片，其波谱特点会随位置线性变化，就能将入射的复色光分解成与滤光片位置相关的波谱，图5所示为LVF分光示意图；而滤光片阵列是由一个基元重复排列而成的周期结构，该基元内部可以界定为n个区域，通过设置每位区域的膜层宽度控制通过该区域的中心波长，将滤光片阵列与侦测器像元进行一一对应傅里叶红外光谱仪原理示意图，即可实现象素级的波谱侦测，图6(a)(b)所示为一款16通道(4×4)象素级滤光片的示意图。

图5线性渐变滤光片结构及分光示意图

图6(a)16通道象素级滤光片示意图；(b)显微镜右图像

量子点又称为“纳米晶”，它是一种无机材料，自身稳定性高，其直径大于大块的激子波尔直径。量子点的颜色会因自身原子个数的降低或降低而变化，改变量子点的形状和大小可以调谐其吸收的波谱范围。将不同规格的量子点集成在同一基板上，可以看作一种特殊方式的混频器。单个量子点对透过的光波极为敏感，合理的控制量子点的大小、形状以及排列方法，可以实现对波谱连续精确的侦测；将不同种类的量子点集成一起，则可以实现不同波段的同时侦测，量子点波谱仪就是借此为原理进行研发的，其工作原理如图7所示。

图7量子点波谱仪工作原理示意图

研究前景与展望

总的来看，滤光片分光型的高波谱单反正处于起步阶段，其波谱码率还未能和高精度的光栅色散分光形式相比拟，因而提升系统的波谱码率和能量借助率将成为镀膜型高波谱单反总的发展方向，尤其是随着镀膜技术以及量子点等新材料的发展，基于镀膜型的高波谱单反的波谱码率和能量借助率已得到了急剧增强，研制成本也有望进一步增加；据悉，滤光片与侦测器的结合也将进一步提升系统的波谱码率，甚至可以和高精度的光栅色散分光相抗衡，因而，滤光片和侦测器晶元的结合也是镀膜型高波谱单反的一大发展趋势。不难看出，滤光片型高波谱单反的发展将推动高波谱成像领域的颠覆性发展，并由此推动微纳卫星高波谱遥感技术的发展，为未来微纳高波谱卫星天秤组网在轨业务运行，更好地服务于国民经济奠定技术基础。

作者介绍

第一作者

刘春雨

刘春雨，女，中国科学教授春光学精密机械与化学研究所研究员，博士生导师。2011年获中国科学教授春光学精密机械与化学研究所工学博士学位。常年从事光学遥感荷载研制工作。已在著名光学刊物上发表收录论文10余篇，申请/授权国家发明专利20余项，主持或参与包括科技部重点专项、仪器专项在内的科研项目10余项，获国家科学技术进步二等奖一项。

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