旋转滤光片型高光谱相机

旋转滤光片型高光谱相机

滤光片轮高光谱相机的结构如图2所示，它是以滤光片轮为分光元件，通过转动滤光片轮获得不同波段的光谱图像，从而完成复色光到单色光的分光。滤光片轮通常是将一组具有不同波长透过率的窄带滤光片固定在轮式结构上，每曝光一次采用一个滤光片。控制滤光片轮的旋转速度，使其转动频率与传感器采样频率同步，从而保证每个滤光片对应的谱段都能在传感器上成像。

滤光片轮高光谱相机的关键器件是滤光片轮，可以根据观测波段的不同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。但是由于光谱通道之间的切换需要依靠轮式结构的转动来完成，旋转结构带来的振动对成像质量影响较为明显，成像所需曝光时间较长；且单次曝光只能获得指定光谱范围的图像，光谱响应曲线是离散的，无法获取连续谱段的图像，存在实时性的问题；同时滤光片轮上各个滤光片的共面情况以及厚度均匀性也会带来成像模糊等问题。除此之外，随着光谱成像技术的发展，探测波段数目越来越多，滤光片轮已无法满足宽谱段高分辨率的观测，因此越来越多地被用于多光谱探测中。1994年，美国成功发射了对月探测卫星Clementine，该卫星的有效载荷：UV/VIS相机、NIR相机和HIRES相机都用到了滤光轮，覆盖波段及滤光轮的相关参数如表1所示。

美国航空航天局研制的JWST，其上搭载的MIRI中波红外相机-光谱仪和NIRSpec近红外多目标光谱仪都用到了滤光轮。NIRSpec将滤光轮与光栅轮进行组合使用，其中滤光轮的主要作用是将光波分

解为不同组分，再结合光栅轮进行更为精细的光谱分析。图3为NIRSpec所用滤光轮的示意图，该滤光轮覆盖光谱范围为0.6~5μm，主要由四个边缘滤光片、两个不同谱段的条带滤光片、一个用于捕获目标的透明滤光片以及一个用于在轨校准的反射镜组成。

MIRI也是JWST的主要载荷之一，MIRI主要由成像仪和两个光谱仪SPO、SMO组成，负责在5~28μm的中红外波段内进行成像及中低分辨率的光谱分析。滤光轮在MIRI中主要起连通成像、光谱的作用。如图4所示，该滤光轮主要分为18个通道，包括十个成像滤光片、四个日冕滤光片、一个中密度滤光片、一个双棱镜、一个透镜、一个与棱镜配重的明暗位置。

Euclid是欧洲航天局目前在研的卫星之一，预计发射至第二个拉格朗日点，该卫星的主要任务是在五年之内完成对整个河外星系暗弱目标的探测，有效载荷主要为一个成像仪器和一个光谱仪器，其中光谱仪器采用由四个滤光片构成的滤光轮进行分光，主要负责近红外波段的探测，其中每个滤光片有8.5°的倾斜，防止在探测器上形成鬼像，图5为该光谱仪中滤光轮的早期设计模型。

旋转滤光片型高光谱相机的主要组成部分包括：

1. 光学系统：它由一个透镜或反射镜组成，用于将入射的光线聚焦到感光元件上。

2. 滤光片：它是一个或多个具有特定透过率的膜层，允许特定波段的光线通过，而阻止其他波段的光线。滤光片可以旋转，以便在不同的波段上获得图像。

3. 感光元件：它是一个像素阵列，用于接收通过滤光片的光线，并将其转换为数字信号。

4. 数据处理和存储系统：它用于处理感光元件获取的数字信号，将其转换为图像，并将其存储在内置或外接存储设备中。

旋转滤光片型高光谱相机在多个领域都有应用：

1. 环境监测：高光谱相机可以获取地物的高分辨率和高精度图像，可用于环境监测和评估污染程度。例如，可以检测空气中的颗粒物、水质中的污染物以及土壤中的化学物质等。

2. 农业：高光谱相机可以用于评估作物的生长状况、营养状况和病虫害状况等。通过对作物的光谱反射率和吸收率的测量和分析，可以提供有关作物生长和健康的信息。

3. 医疗：高光谱相机在医疗领域的应用包括光谱分析和疾病诊断。例如，通过测量人体表面的光谱反射率和吸收率，可以诊断皮肤疾病和口腔疾病等。

4. 科学研究：高光谱相机可用于研究物质的光谱特性和物理化学性质。例如，在材料科学中，通过对材料的光谱特性和物理化学性质的测量和分析，可以研究材料的结构和性质。