旋轉濾光片型高光譜相機

濾光片輪高光譜相機的結構如圖2所示，它是以濾光片輪為分光元件，通過轉動濾光片輪獲得不同波段的光譜圖像，從而完成復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構上，每曝光一次采用一個濾光片?？刂茷V光片輪的旋轉速度，使其轉動頻率與傳感器采樣頻率同步，從而保證每個濾光片對應的譜段都能在傳感器上成像。

濾光片輪高光譜相機的關鍵器件是濾光片輪，可以根據觀測波段的不同替換相應譜段范圍的濾光片輪，光路結構簡單，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構的轉動來完成，旋轉結構帶來的振動對成像質量影響較為明顯，成像所需曝光時間較長；且單次曝光只能獲得指定光譜范圍的圖像，光譜響應曲線是離散的，無法獲取連續(xù)譜段的圖像，存在實時性的問題；同時濾光片輪上各個濾光片的共面情況以及厚度均勻性也會帶來成像模糊等問題。除此之外，隨著光譜成像技術的發(fā)展，探測波段數目越來越多，濾光片輪已無法滿足寬譜段高分辨率的觀測，因此越來越多地被用于多光譜探測中。1994年，美國成功發(fā)射了對月探測衛(wèi)星Clementine，該衛(wèi)星的有效載荷：UV/VIS相機、NIR相機和HIRES相機都用到了濾光輪，覆蓋波段及濾光輪的相關參數如表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-光譜儀和NIRSpec近紅外多目標光譜儀都用到了濾光輪。NIRSpec將濾光輪與光柵輪進行組合使用，其中濾光輪的主要作用是將光波分

解為不同組分，再結合光柵輪進行更為精細的光譜分析。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，主要由四個邊緣濾光片、兩個不同譜段的條帶濾光片、一個用于捕獲目標的透明濾光片以及一個用于在軌校準的反射鏡組成。

MIRI也是JWST的主要載荷之一，MIRI主要由成像儀和兩個光譜儀SPO、SMO組成，負責在5~28μm的中紅外波段內進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個通道，包括十個成像濾光片、四個日冕濾光片、一個中密度濾光片、一個雙棱鏡、一個透鏡、一個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，預計發(fā)射至第二個拉格朗日點，該衛(wèi)星的主要任務是在五年之內完成對整個河外星系暗弱目標的探測，有效載荷主要為一個成像儀器和一個光譜儀器，其中光譜儀器采用由四個濾光片構成的濾光輪進行分光，主要負責近紅外波段的探測，其中每個濾光片有8.5°的傾斜，防止在探測器上形成鬼像，圖5為該光譜儀中濾光輪的早期設計模型。

旋轉濾光片型高光譜相機的主要組成部分包括：

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

2. 濾光片：它是一個或多個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，以便在不同的波段上獲得圖像。

3. 感光元件：它是一個像素陣列，用于接收通過濾光片的光線，并將其轉換為數字信號。

4. 數據處理和存儲系統(tǒng)：它用于處理感光元件獲取的數字信號，將其轉換為圖像，并將其存儲在內置或外接存儲設備中。

旋轉濾光片型高光譜相機在多個領域都有應用：

1. 環(huán)境監(jiān)測：高光譜相機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)測和評估污染程度。例如，可以檢測空氣中的顆粒物、水質中的污染物以及土壤中的化學物質等。

2. 農業(yè)：高光譜相機可以用于評估作物的生長狀況、營養(yǎng)狀況和病蟲害狀況等。通過對作物的光譜反射率和吸收率的測量和分析，可以提供有關作物生長和健康的信息。

3. 醫(yī)療：高光譜相機在醫(yī)療領域的應用包括光譜分析和疾病診斷。例如，通過測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. 科學研究：高光譜相機可用于研究物質的光譜特性和物理化學性質。例如，在材料科學中，通過對材料的光譜特性和物理化學性質的測量和分析，可以研究材料的結構和性質。