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透過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?？刂茷V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)來完成，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶來的振動(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；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，無法獲取連續(xù)譜段的圖像，存在實(shí)時(shí)性的問題；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)帶來成像模糊等問題。除此之外，隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，探測(cè)波段數(shù)目越來越多，濾光片輪已無法滿足寬譜段高分辨率的觀測(cè)，因此越來越多地被用于多光譜探測(cè)中。1994年，美國成功發(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)具有特定透過率的膜層，允許特定波段的光線通過，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)估作物的生長狀況、營養(yǎng)狀況和病蟲害狀況等。通過對(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)。