基于光譜濾波器的高光譜成像儀不太受歡迎，并且是最近才出現(xiàn)的。一個(gè)或多個(gè)光譜濾光片，例如吸收濾光片或干涉濾光片，用于傳輸所選擇的感興趣的光譜帶。當(dāng)光束通過(guò)濾光片時(shí)，其一些光譜成分通過(guò)吸收或干涉過(guò)程被阻擋，而所需的光譜成分被透射。從紫外線到遠(yuǎn)紅外區(qū)域，各種尺寸的吸收或干涉濾光片均可作為商用現(xiàn)貨 (COTS) 產(chǎn)品提供。電子可調(diào)濾波器(ETF)是另一種頻譜濾波器，它通過(guò)控制電壓或聲信號(hào)等來(lái)傳輸所需的頻譜帶。

基于光譜濾波器的高光譜成像儀的基本原理類(lèi)似于基于色散元件的成像儀。然而，主要區(qū)別在于，來(lái)自望遠(yuǎn)鏡的輻射光直接聚焦在二維濾光片上，而不是在傳統(tǒng)光譜儀中通過(guò)光柵或棱鏡進(jìn)行準(zhǔn)直然后分散。該濾波器的尺寸與二維探測(cè)器陣列相同，并安裝在靠近探測(cè)器敏感表面的位置。它將地面采樣單元的光譜內(nèi)容分布在光譜維度上。

光譜濾波器的一個(gè)示例是光楔形濾波器，也稱(chēng)為線性可變?yōu)V波器(LVF)。它是一種涂有干涉濾光片的玻璃，其厚度沿一個(gè)方向增加。該方向稱(chēng)為光譜方向。通帶，即透射曲線峰值的光譜位置，隨著沉積物的厚度而變化，如圖1所示。因此，光譜通帶沿著濾波器的一個(gè)物理維度線性變化。

圖 1.LVF 及其光譜通帶

圖2說(shuō)明了基于 LVF 的高光譜成像儀的概念。在望遠(yuǎn)鏡收集地面場(chǎng)景的輸入輻射光后，可以通過(guò)在二維探測(cè)器陣列前面放置 LVF 來(lái)構(gòu)建簡(jiǎn)單的推掃式高光譜成像儀。儀器的二維探測(cè)器陣列可以立即“看到”完整的場(chǎng)景。回想一下第 II-A 節(jié)中所描述的，在推掃模式下工作的基于色散元件的高光譜成像儀在某一時(shí)刻采集地面上的整個(gè)交叉軌跡線(見(jiàn)圖 2)，而在拂掃模式下工作的基于色散元件的高光譜成像儀采集地面上的整個(gè)交叉軌跡線。同一時(shí)刻，交叉軌道線上有一個(gè)地面采樣單元)。與基于色散元件的高光譜成像儀不同，基于 LVF 的高光譜成像儀同時(shí)采集視場(chǎng) (FOV) 中的所有交叉軌跡線，這是因?yàn)榛?LVF 的高光譜成像儀的 FOV 不僅限于沿軌道方向通過(guò)狹縫形成一條交叉軌道線。二維探測(cè)器陣列的每一行都會(huì)對(duì) FOV 的相應(yīng)交叉軌跡線進(jìn)行成像，但其波段與相鄰線不同。因此，在探測(cè)器幀成像的每個(gè)時(shí)刻，都會(huì)獲取完整的二維場(chǎng)景。場(chǎng)景的每條線都是以不同的波長(zhǎng)采集的。當(dāng)衛(wèi)星飛過(guò)場(chǎng)景時(shí)，每個(gè)濾鏡行都會(huì)經(jīng)過(guò)場(chǎng)景。一旦完整的視場(chǎng)經(jīng)過(guò)了傳感器，每個(gè)不同的濾光片行感測(cè)場(chǎng)景中地面采樣單元的所有交叉軌跡線并獲取所有光譜分量。通過(guò)重組這些在不同時(shí)刻獲取的圖像，可以重建每個(gè)地面采樣單元的全光譜曲線。

圖 2.基于 LVF 的高光譜成像儀概念的圖示

至少有兩個(gè)星載高光譜成像儀使用 LVF 來(lái)色散輻射光的光譜。2018 年 4 月發(fā)射的印度迷你衛(wèi)星 1 (IMS-1) 上的高光譜成像儀 (HySI) 使用 LVF，覆蓋 400 至 950 nm 的波長(zhǎng)范圍，分散在探測(cè)器陣列的 512 個(gè)光譜元素上。這導(dǎo)致了大約 1 nm 光譜采樣間隔 (SSI) 的過(guò)采樣。考慮到應(yīng)用要求和數(shù)據(jù)速率的限制，采用了8頻段分級(jí)。合并后，光譜帶寬變?yōu)? nm，總共64個(gè)光譜帶[53]。另一種基于 LVF 的星載高光譜成像儀是高光譜納米衛(wèi)星 HyperScout。它是一個(gè)3U立方體衛(wèi)星，高光譜成像儀為1U(10厘米×10厘米×10厘米)。LVF 覆蓋的波長(zhǎng)范圍為 450 至 900 nm，SSI 為 10 nm。

采用基于法布里-珀羅干涉儀 (FPI) 的濾光片來(lái)傳輸選定的感興趣的光譜帶。法布里-珀羅濾光片允許某些波長(zhǎng)通過(guò)，而其他波長(zhǎng)則被濾除。其透射光譜作為波長(zhǎng)的函數(shù)表現(xiàn)出與標(biāo)準(zhǔn)具的共振相對(duì)應(yīng)的大透射峰值。通過(guò)仔細(xì)控制反射鏡表面之間的距離，法布里-珀羅濾光片可以設(shè)計(jì)為僅傳輸所需的窄波長(zhǎng)帶。吉倫等人。 [34]據(jù)報(bào)道，可見(jiàn)光和近紅外 (VNIR) (400-1000 nm) 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的法布里-珀羅濾光片采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造工藝制成，并直接集成在包含硅基 CMOS 圖像傳感器芯片的晶圓頂部。在探測(cè)器陣列頂部使用單片集成法布里-珀羅濾光片是將光譜學(xué)與高光譜成像儀成像技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新方法。這可以實(shí)現(xiàn)低成本、緊湊性和高速度。作為這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的自然演變，基于 CMOS 的法布里-珀羅濾光片的波長(zhǎng)范圍已擴(kuò)展到 SWIR：1000-1700 nm，以及基于 InGaAs 的探測(cè)器陣列。

這種新的集成方法是獨(dú)特的，具有吸引人的優(yōu)勢(shì)：首先，將濾波器和探測(cè)器陣列的生產(chǎn)合并到一個(gè) CMOS 兼容工藝中，從而實(shí)現(xiàn)整體簡(jiǎn)化和成本降低，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。其次，單片集成減少了相鄰頻段之間的串?dāng)_，并減少了系統(tǒng)中的雜散光。這也對(duì)系統(tǒng)的靈敏度和速度產(chǎn)生積極影響。圖3上半部分顯示了在 VNIR 波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的 1088 行 x 2014 像素的硅基 CMOS 探測(cè)器陣列。當(dāng)探測(cè)器陣列在晶圓級(jí)制造時(shí)，相同尺寸的帶通法布里-珀羅濾波器集成在探測(cè)器陣列特定行的像素頂部。濾光片的光譜帶通由兩個(gè)平行鏡面之間的距離(即厚度)控制。相同的帶通法布里-珀羅濾波器可以部署在探測(cè)器陣列的多行上。在圖中，相同的帶通濾波器(具有相同的厚度)被集成在每六個(gè)相鄰像素行的頂部。這些多行像素具有相同的沉積過(guò)濾器厚度(或高度)，看起來(lái)像樓梯的臺(tái)階。

圖 3.OCSF(每個(gè)臺(tái)階有六行，具有相同的光譜帶通濾波器)和兩個(gè)基于 OCSF 的高光譜相機(jī)

OCSF 的配置是沿軌道方向一個(gè)接一個(gè)布置的一系列濾光片行，允許創(chuàng)建與基于 LVF 的高光譜成像儀相同的推掃式高光譜成像儀。最重要的是，這種配置提供了使用相同光譜帶通的多個(gè)探測(cè)器行(例如六行)來(lái)感測(cè)地面物體的選擇，以使用片上延時(shí)積分或光譜維度中的片外數(shù)據(jù)合并來(lái)提高 SNR。圖3所示的帶有 OCSF 的 VNIR 探測(cè)器陣列具有 181 個(gè)光譜帶，波長(zhǎng)范圍為 450 至 960 nm，SSI 為 5 nm。每個(gè)光譜帶的半峰全寬(FWHM)約為15 nm。臺(tái)階的寬度是六個(gè)探測(cè)器行(這些行放置在相同的法布里-珀羅濾波器上)。

圖3的下半部分顯示了 IMEC 使用 OCSF 制造的兩臺(tái) COTS 高光譜相機(jī)。它們由前光學(xué)器件和帶有集成 OCSF 的硅基 CMOS 探測(cè)器陣列以及成像控制電子設(shè)備組成。高光譜相機(jī)中沒(méi)有光譜儀。這就是為什么它們的體積和質(zhì)量都很小。圓形相機(jī)采用 IMEC 第一代 OCSF，覆蓋 600-1000 nm 的光譜范圍，約 100 個(gè)光譜帶和 5 nm 帶寬。其體積約為6厘米×6厘米×8厘米。質(zhì)量約為0.6公斤。方形相機(jī)采用IMEC第二代OCSF，覆蓋470-960 nm的光譜范圍，約150個(gè)光譜帶。

基于 ETF 的高光譜成像儀使用安裝在單色相機(jī)前面的濾光片，通過(guò)電子方式調(diào)整其光譜傳輸(即帶通)，以產(chǎn)生一系列波長(zhǎng)的圖像切片堆棧。ETF是一種可以通過(guò)施加電壓、聲信號(hào)等以電子方式控制光譜傳輸?shù)难b置[27]。基于 ETF 的高光譜成像儀的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)濾光片調(diào)諧到特定的帶通波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)立即形成光譜帶的整個(gè)二維空間圖像。與基于色散元件和基于LVF/OCSF的高光譜成像儀不同，不需要通過(guò)衛(wèi)星飛行運(yùn)動(dòng)觀察多條交叉軌跡線來(lái)獲得第二空間維度或累積光譜維度。這一優(yōu)勢(shì)的代價(jià)是在衛(wèi)星移動(dòng)其視場(chǎng)以觀察地面上的下一個(gè)場(chǎng)景之前，需要額外的時(shí)間來(lái)調(diào)整 ETF 以覆蓋整個(gè)波長(zhǎng)范圍。

ETF 通常分為以下三類(lèi)。

液晶可調(diào)諧濾波器(LCTF)。

聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)。

基于干涉儀的濾波器。

LCTF 使用電子控制液晶元件來(lái)傳輸所需波長(zhǎng)的光并阻擋其他波長(zhǎng)的光。它具有圖像質(zhì)量高、相對(duì)容易集成到光學(xué)系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是由于使用了多個(gè)偏振元件，因此與傳統(tǒng)的固定波長(zhǎng)濾光片相比，峰值透射率較低。AOTF 基于衍射原理。聲光調(diào)制器，也稱(chēng)為布拉格盒，利用聲光效應(yīng)來(lái)衍射和改變光的頻率。與 LCTF 相比，AOTF 具有更快的調(diào)諧速度(微秒與毫秒)和更寬的波長(zhǎng)范圍。其缺點(diǎn)是由于聲波的聲光效應(yīng)使光發(fā)生衍射和偏移，成像質(zhì)量相對(duì)較差。

比較了基于 AOTF 和基于 LCTF 的高光譜成像儀在醫(yī)療應(yīng)用中的性能，目的是突出兩種類(lèi)型濾波器的杠桿點(diǎn)，以便于在高光譜成像儀設(shè)計(jì)中進(jìn)行選擇。在他們的實(shí)驗(yàn)中，檢查了三個(gè)參數(shù)：光譜分辨率、帶外抑制(即光譜串?dāng)_)和空間分辨率意義上的圖像質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于AOTF的高光譜成像儀在光譜分辨率、帶外抑制和波長(zhǎng)之間的隨機(jī)切換速度方面表現(xiàn)出優(yōu)越性，而基于LCTF的高光譜成像儀在空間圖像分辨率、水平和方向方面都有更好的性能。垂直和高清質(zhì)量。他們的結(jié)論是，高光譜成像儀的有效設(shè)計(jì)取決于應(yīng)用。例如，對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，如果感興趣的組織需要更多光譜信息來(lái)實(shí)現(xiàn)未定義的光學(xué)特性，或者包含接近的光譜特征，AOTF 可能是更好的選擇。否則，LCTF 使用起來(lái)更方便、更簡(jiǎn)單，特別是在需要組織發(fā)色團(tuán)的空間映射時(shí)。

中國(guó)嫦娥三號(hào)月球飛船搭載的可見(jiàn)光和近紅外成像光譜儀(VNIS)是一種基于AOTF的高光譜成像儀。嫦娥三號(hào)于2013年12月6日進(jìn)入繞月軌道，并于2013年12月14日在月球軟著陸。

法布里-珀羅濾波器是一種基于干涉儀的濾波器。圖 4顯示了基于法布里-珀羅濾波器的高光譜成像儀的概念圖。法布里-珀羅濾光片安裝在成像光學(xué)器件的前面，僅讓處于共振條件λ = 2 d的光通過(guò)(第一個(gè)訂單)。每個(gè)板分離都會(huì)生成一個(gè)波長(zhǎng)的二維圖像，其光譜范圍由傳輸響應(yīng)的 FWHM 給出。這里使用的法布里-珀羅濾波器的方式與基于片上法布里-珀羅濾波器(OCFPF)的高光譜成像儀的方式不同。這里使用的法布里-珀羅濾波器可通過(guò)電子控制腔的寬度來(lái)調(diào)節(jié)帶通，而片上濾波器中使用的法布里-珀羅濾波器沉積在晶圓制造級(jí)的 CMOS 探測(cè)器陣列頂部，固定腔用于固定帶通。

圖4.基于電子可調(diào)法布里-珀羅濾波器的高光譜成像儀的概念圖

至少有兩種基于電子可調(diào)法布里-珀羅濾波器技術(shù)的星載高光譜成像儀。溫室氣體衛(wèi)星演示器 (GHGSat-D) 微型衛(wèi)星任務(wù)于 2016 年 6 月發(fā)射[35]，使用電子可調(diào)法布里-珀羅濾波器，工作波長(zhǎng)范圍為 1600 至 1700 nm，光譜分辨率約為0.1納米。選擇此波長(zhǎng)范圍和光譜分辨率是因?yàn)榇嬖跍厥覛怏w甲烷和二氧化碳的光譜特征，以及來(lái)自其他大氣物質(zhì) H 2的干擾相對(duì)較小特別是O。這種基于ETF的小型化高光譜成像儀質(zhì)量為5.4千克，體積為36厘米×26厘米×180厘米。另一種使用可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的星載高光譜成像儀是 2017 年 6 月發(fā)射的 Aalto-1 3U 立方體衛(wèi)星上的 Aalto-1 光譜成像儀 (AaSI)。法布里-珀羅濾波器在閉合電容反饋環(huán)路中由三個(gè)不同的壓電執(zhí)行器覆蓋 500–900 nm 的光譜范圍，光譜分辨率為 6–20 nm。