旋轉(zhuǎn)濾光片型高光譜相機(jī)

濾光片輪高光譜相機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是以濾光片輪為分光元件，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片輪獲得不同波段的光譜圖像，從而完成復(fù)色光到單色光的分光。濾光片輪通常是將一組具有不同波長(zhǎng)透過(guò)率的窄帶濾光片固定在輪式結(jié)構(gòu)上，每曝光一次采用一個(gè)濾光片。控制濾光片輪的旋轉(zhuǎn)速度，使其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與傳感器采樣頻率同步，從而保證每個(gè)濾光片對(duì)應(yīng)的譜段都能在傳感器上成像。

濾光片輪高光譜相機(jī)的關(guān)鍵器件是濾光片輪，可以根據(jù)觀測(cè)波段的不同替換相應(yīng)譜段范圍的濾光片輪，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，譜段更換靈活。但是由于光譜通道之間的切換需要依靠輪式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響較為明顯，成像所需曝光時(shí)間較長(zhǎng)；且單次曝光只能獲得指定光譜范圍的圖像，光譜響應(yīng)曲線是離散的，無(wú)法獲取連續(xù)譜段的圖像，存在實(shí)時(shí)性的問(wèn)題；同時(shí)濾光片輪上各個(gè)濾光片的共面情況以及厚度均勻性也會(huì)帶來(lái)成像模糊等問(wèn)題。除此之外，隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，探測(cè)波段數(shù)目越來(lái)越多，濾光片輪已無(wú)法滿足寬譜段高分辨率的觀測(cè)，因此越來(lái)越多地被用于多光譜探測(cè)中。1994年，美國(guó)成功發(fā)射了對(duì)月探測(cè)衛(wèi)星Clementine，該衛(wèi)星的有效載荷：UV/VIS相機(jī)、NIR相機(jī)和HIRES相機(jī)都用到了濾光輪，覆蓋波段及濾光輪的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

美國(guó)航空航天局研制的JWST，其上搭載的MIRI中波紅外相機(jī)-光譜儀和NIRSpec近紅外多目標(biāo)光譜儀都用到了濾光輪。NIRSpec將濾光輪與光柵輪進(jìn)行組合使用，其中濾光輪的主要作用是將光波分

解為不同組分，再結(jié)合光柵輪進(jìn)行更為精細(xì)的光譜分析。圖3為NIRSpec所用濾光輪的示意圖，該濾光輪覆蓋光譜范圍為0.6~5μm，主要由四個(gè)邊緣濾光片、兩個(gè)不同譜段的條帶濾光片、一個(gè)用于捕獲目標(biāo)的透明濾光片以及一個(gè)用于在軌校準(zhǔn)的反射鏡組成。

MIRI也是JWST的主要載荷之一，MIRI主要由成像儀和兩個(gè)光譜儀SPO、SMO組成，負(fù)責(zé)在5~28μm的中紅外波段內(nèi)進(jìn)行成像及中低分辨率的光譜分析。濾光輪在MIRI中主要起連通成像、光譜的作用。如圖4所示，該濾光輪主要分為18個(gè)通道，包括十個(gè)成像濾光片、四個(gè)日冕濾光片、一個(gè)中密度濾光片、一個(gè)雙棱鏡、一個(gè)透鏡、一個(gè)與棱鏡配重的明暗位置。

Euclid是歐洲航天局目前在研的衛(wèi)星之一，預(yù)計(jì)發(fā)射至第二個(gè)拉格朗日點(diǎn)，該衛(wèi)星的主要任務(wù)是在五年之內(nèi)完成對(duì)整個(gè)河外星系暗弱目標(biāo)的探測(cè)，有效載荷主要為一個(gè)成像儀器和一個(gè)光譜儀器，其中光譜儀器采用由四個(gè)濾光片構(gòu)成的濾光輪進(jìn)行分光，主要負(fù)責(zé)近紅外波段的探測(cè)，其中每個(gè)濾光片有8.5°的傾斜，防止在探測(cè)器上形成鬼像，圖5為該光譜儀中濾光輪的早期設(shè)計(jì)模型。

旋轉(zhuǎn)濾光片型高光譜相機(jī)的主要組成部分包括：

1. 光學(xué)系統(tǒng)：它由一個(gè)透鏡或反射鏡組成，用于將入射的光線聚焦到感光元件上。

2. 濾光片：它是一個(gè)或多個(gè)具有特定透過(guò)率的膜層，允許特定波段的光線通過(guò)，而阻止其他波段的光線。濾光片可以旋轉(zhuǎn)，以便在不同的波段上獲得圖像。

3. 感光元件：它是一個(gè)像素陣列，用于接收通過(guò)濾光片的光線，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

4. 數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)：它用于處理感光元件獲取的數(shù)字信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為圖像，并將其存儲(chǔ)在內(nèi)置或外接存儲(chǔ)設(shè)備中。

旋轉(zhuǎn)濾光片型高光譜相機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用：

1. 環(huán)境監(jiān)測(cè)：高光譜相機(jī)可以獲取地物的高分辨率和高精度圖像，可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估污染程度。例如，可以檢測(cè)空氣中的顆粒物、水質(zhì)中的污染物以及土壤中的化學(xué)物質(zhì)等。

2. 農(nóng)業(yè)：高光譜相機(jī)可以用于評(píng)估作物的生長(zhǎng)狀況、營(yíng)養(yǎng)狀況和病蟲(chóng)害狀況等。通過(guò)對(duì)作物的光譜反射率和吸收率的測(cè)量和分析，可以提供有關(guān)作物生長(zhǎng)和健康的信息。

3. 醫(yī)療：高光譜相機(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括光譜分析和疾病診斷。例如，通過(guò)測(cè)量人體表面的光譜反射率和吸收率，可以診斷皮膚疾病和口腔疾病等。

4. 科學(xué)研究：高光譜相機(jī)可用于研究物質(zhì)的光譜特性和物理化學(xué)性質(zhì)。例如，在材料科學(xué)中，通過(guò)對(duì)材料的光譜特性和物理化學(xué)性質(zhì)的測(cè)量和分析，可以研究材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。