楔形濾光片型高光譜相機也被稱為漸變?yōu)V光片型高光譜相機，可以實現(xiàn)在光譜區(qū)和空間區(qū)的連續(xù)取樣，它的設(shè)計理念是將一個楔形多層薄膜介質(zhì)作為濾光片，并將其安裝在緊靠著二維陣列探測器的位置，使探測器的若干像元與漸變?yōu)V光片的某一光譜帶相互對應(yīng)，圖10為楔形濾光片諧振層厚度調(diào)制示意圖。漸變?yōu)V光片型高光譜相機多以推掃成像為主，推掃的方向與波長漸變方向一致，通過掃描可以獲得被測目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)，像面上對應(yīng)的就是全部工作波段。

漸變?yōu)V光片是一種特殊的法布里-珀羅 (FabryPerot，F(xiàn)-P) 光學(xué)諧振器，具有波長漸變、通道可選、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，其鍍層呈楔子狀，改變諧振層的厚度，漸變?yōu)V光片的中心波長也會隨之改變。由于漸變?yōu)V光片不同中心波長所對應(yīng)的膜層厚度變化較緩，會帶來膜系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層數(shù)較多等問題，但是近年來隨著鍍膜工藝水平的提高，漸變?yōu)V光片的光譜透過率可以達到 70%，光譜分辨率能達到 1％。

根據(jù)漸變?yōu)V光片各波段與探測器像元之間的對應(yīng)關(guān)系，漸變?yōu)V光片高光譜相機又可以分為線性漸變型和濾光片陣列型，下面將針對兩種形式的高光譜相機的發(fā)展現(xiàn)狀進行具體介紹。

3.1 線性漸變?yōu)V光片型高光譜相機

線性漸變?yōu)V光片 (Linear Variable Filter, LVF) 是一種特殊的濾光片，其光譜特性會隨位置線性變化，能夠?qū)⑷肷涞膹?fù)色光分解成與濾光片位置相關(guān)的光譜。線性漸變?yōu)V光片有帶通、高通、低通等類型，成像光譜儀中常用的線性漸變?yōu)V光片一般是基于多光束干涉原理的 F-P 窄帶通線性漸變?yōu)V光片。

F-P 窄帶漸變?yōu)V光片通常由兩個反射膜層與一個厚度漸變的腔層組成，各位置的中心波長沿漸變方向連續(xù)線性變化，如圖 11 所示。其峰值透射波長λ0由公式 (4) 給出：

式中：n 為諧振腔層的折射率；l 表示諧振腔層的厚度；φ1和φ2分別為上反射膜系和下反射膜系的位相；k = 0,1,2,···。

線性漸變?yōu)V光片與面陣探測器共同組成線性漸變?yōu)V光片型高光譜相機，該類高光譜相機與光柵型高光譜相機相比具有光路緊湊、抗振動能力強等優(yōu)勢，因此受到越來越多的關(guān)注。

2000年前后，OCLI公司推出了商品化的Micropac系列光譜儀，儀器的光譜分辨率小于 2.5% 倍的中心波長，該系列可能是首款使用線性漸變?yōu)V光片的高光譜相機。

2005年，印度發(fā)射的“印度迷你衛(wèi)星-1”搭載了線性漸變?yōu)V光片高光譜相機，該儀器的光譜范圍為400~920nm，光譜分辨率優(yōu)于15nm。

2015年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的張建采用雙離子束濺射物理沉積方法，修正了線性漸變沉積速率，制備了高透過率、高色散系數(shù)的線性漸變?yōu)V光片。其工作波段為650~1050nm，各個位置的中心波長峰值透過率均達到85%以上，中心波長的線性變化率為20nm/mm。

2016年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的于新洋將線性漸變?yōu)V光片應(yīng)用在水果的品質(zhì)檢測研究中，使用中心波長線性變化率為35.9nm/mm的線性漸變?yōu)V光片研制了手持式近紅外品質(zhì)分析儀，其工作波段為620~1080nm，光譜分辨率小于1.5%倍的中心波長。

2017年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的袁境澤利用線性漸變?yōu)V光片設(shè)計了人體血紅蛋白無創(chuàng)分析儀。該分析儀的工作波段為620~1080nm，光譜分辨率小于1%倍的中心波長。

2018年，丹麥發(fā)射的立方星GOMX，其上搭載了微型漸變?yōu)V光片高光譜相機HyperScout，光譜范圍為0.4~1μm，光譜分辨率15nm，空間分辨率70m。

2018年，韓國標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院的Khaled Mahmoud在SPIE會議上介紹了其研制的緊湊型電荷耦合檢測器(CCD)光譜相機，該光譜相機在像素數(shù)量為1280×1024、像素尺寸為4.65μm的CCD探測器上集成了300~850nm波長的線性可變邊緣濾波片，光譜分辨率為10~20nm。

2020年，英國西蘇格蘭大學(xué)的Shigeng Song使用旋轉(zhuǎn)機械掩模方法和微波等離子體輔助脈沖直流反應(yīng)濺射工藝實現(xiàn)了線性漸變?yōu)V光片的大量制備，如圖12所示。

LVF由交替的高/低折射率材料疊層制成。在一側(cè)上沉積54個H/L交替層，H/L交替層逐漸增加，并在基板的另一側(cè)達到110個H/L交替層。最終，該LVF可以在450~900nm的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)半波寬為11.25nm的光譜分光，在中心波長處，光譜透過率可達40%~80%，如圖13所示。該制備工藝的優(yōu)勢在于可以批量制備廉價的線性漸變?yōu)V光片，推動線性漸變?yōu)V光片在無人機光譜儀等領(lǐng)域的使用。

2020年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的劉春雨團隊利用線性漸變?yōu)V光片不受狹縫限制的特點，結(jié)合數(shù)字域TDI技術(shù)，解決了星載輕小型高分辨率高光譜相機信噪比不足的問題，研制了一款工作波段為0.4~1μm、地面分辨率為10m，平均光譜分辨率為8.9nm、系統(tǒng)總質(zhì)量為7kg的輕小型星載高光譜成像光譜儀，其原理如圖14所示，探測器的P1~P3行連續(xù)成像多次，將多次成像的電子數(shù)相加可以提高圖像信噪比。同年，該團隊又公布了使用多片漸變?yōu)V光片探測器拼接技術(shù)的高分辨率大幅寬高光譜相機，該相機在500km軌道處幅寬達到了150km，而質(zhì)量僅為9.2kg。

3.2 濾光片陣列型高光譜相機

濾光片陣列是一個由基元重復(fù)排列而成的周期結(jié)構(gòu)，該基元內(nèi)部可以劃分為n個區(qū)域，通過設(shè)置每個區(qū)域的膜層厚度控制通過該區(qū)域的中心波長，將濾光片陣列與探測器像元進行一一對應(yīng)，即可實現(xiàn)像素級的光譜探測，圖15為濾光片陣列的分布方式示意圖。數(shù)據(jù)采集完成后，將不同基元內(nèi)部相同區(qū)域所對應(yīng)的像元進行拼接處理即可得到該位置所對應(yīng)的全譜段信息。

濾光片陣列高光譜相機在探測時要求濾光片陣列與探測器像元相匹配，匹配區(qū)域過小會導(dǎo)致系統(tǒng)的對準(zhǔn)誤差較大，對最終的光譜成像質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。相較于傳統(tǒng)推掃的高光譜相機，該相機獲取光譜信息和圖像信息的方式為凝視拍攝，可進行視頻高光譜成像，在進行暗弱目標(biāo)探測、天文觀測、機載探測及安防監(jiān)視領(lǐng)域優(yōu)勢較為明顯。

自2010年開始，包括我國在內(nèi)的多個國家都已對其開展了深入研究并取得了顯著成果。美國海洋光學(xué)公司的Jim Lane等人設(shè)計了一款基于像素級濾光片的四通道、半波寬約為20nm的成像光譜儀。該光譜儀四個通道的中心波長分別750nm、772nm、802nm和834nm。濾光片物理尺寸為35mm×23mm，包含875萬(3500×2500)個單獨的濾光單元，每個濾光單元的尺寸為10μm×10μm，每個濾光單元周圍有1μm的邊界，從而形成8μm×8μm的有效區(qū)域。濾光片的局部區(qū)域如圖16所示。

該光譜儀的實驗光路如圖17所示，其包含一個攝影物鏡，一個像素級濾光片，一個中繼物鏡和一個全色圖像接收器。成像過程中，攝影物鏡在濾光片上形成物體的中間圖像，隨后中繼透鏡將濾光片處的像再次成像到全色圖像接收器上。

比利時微電子研究中心的BertGeelen等人通過直接在探測器的每個像元處鍍膜實現(xiàn)了多光譜成像，如圖18所示。該團隊已實現(xiàn)2通道(1×2)、4通道(2×2)和16通道(4×4)鍍膜技術(shù)。這種光譜儀具有緊湊化、低成本、高采集速度以及靈活的頻帶選擇和帶寬調(diào)整能力等優(yōu)點。

佐治亞理工學(xué)院的易定容和孔令華等人通過將4通道像素級濾光片放置于探測器前方實現(xiàn)了多光譜探測，該光譜儀已被用于皮膚病診斷領(lǐng)域。該濾光片四個通道的中心波長分別為540nm、577nm、650nm和970nm，半波寬為30nm，單個濾光單元的尺寸為20.8μm×20.8μm，物理尺寸為6.5mm×5mm，濾光單元之間的間距約為1~2μm，圖19為該濾光片的實圖。

易定容團隊利用計算機控制的二維精密平移臺和旋轉(zhuǎn)臺將像素級濾光片固定在探測器前方，可實現(xiàn)小于1/1000rad的傾斜精度和1μm以內(nèi)的偏心精度，其裝置如圖20所示。

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的劉春雨和謝運強等人設(shè)計了一款16通道(4×4)像素級濾光片，半波寬約為25nm的短波紅外快照高光譜相機，所用濾光片和整機分別如圖21和圖22所示。

該光譜相機由攝影物鏡、像素級濾光片、中繼物鏡和全色探測器組成，濾光片16個通道的中心波長分別為1131、1163、1199、1238、1259、1301、1339、1381、1413、1456、1495、1532、1600、1636、1669nm，共有640×512個濾光單元，每個濾光單元的尺寸為15μm×15μm。

楔形濾光片是一種具有特殊光學(xué)性能的玻璃片，它能夠通過在玻璃中引入楔形角來對特定波長的光線進行過濾。這種濾光片能夠?qū)崿F(xiàn)對光譜信息的精確測量，因為它可以消除背景噪聲和其他干擾因素的影響。

高光譜相機是另一種重要的遙感設(shè)備，它可以通過拍攝一組連續(xù)的圖像來捕獲物體在不同波長下的光譜信息。這種相機具有高分辨率和高靈敏度的特點，能夠?qū)Φ匚镞M行精細的分類和識別。

楔形濾光片型高光譜相機結(jié)合了這兩種技術(shù)的優(yōu)勢，它可以通過對特定波長的精確測量來獲取高分辨率和高光譜信息。這種相機具有以下優(yōu)點：

1. 高分辨率和高光譜信息獲取能力：楔形濾光片型高光譜相機可以同時獲取高分辨率和高光譜信息，這使得它能夠更準(zhǔn)確地識別地物和測量光譜信息。

2. 精確的波長測量能力：楔形濾光片能夠?qū)μ囟úㄩL的光線進行精確的過濾，這使得相機能夠?qū)崿F(xiàn)對光譜信息的精確測量。

3. 強大的數(shù)據(jù)處理能力：楔形濾光片型高光譜相機可以同時獲取大量的光譜數(shù)據(jù)，這需要強大的數(shù)據(jù)處理能力來對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

4. 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：楔形濾光片型高光譜相機在環(huán)境保護、地球觀測、氣候變化研究、行星探索等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，是一種非常重要的遙感設(shè)備。

楔形濾光片型高光譜相機是一種先進的遙感設(shè)備，它具有高分辨率和高光譜信息獲取能力、精確的波長測量能力、強大的數(shù)據(jù)處理能力和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域等優(yōu)點。這種相機在未來的遙感領(lǐng)域中將會發(fā)揮越來越重要的作用。

為了充分發(fā)揮楔形濾光片型高光譜相機的優(yōu)勢，需要對其進行合理的操作和維護。首先，操作人員需要具備一定的專業(yè)技能和知識，以了解相機的性能和操作規(guī)范。其次，在拍攝過程中需要注意調(diào)整相機的參數(shù)和設(shè)置，以保證拍攝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。最后，需要定期對相機進行維護和保養(yǎng)，以保證其長期穩(wěn)定運行。