分块可调谐滤波器改善多光谱成像

1、分块可调谐滤波器改善多光谱成像    作者：JohnNoto，MichaelDorin，JoshuaSemeter蚀刻形成的液晶法布里珀罗可调谐光学滤波器，具有大气传感应用中用于背景鉴别的足够高的光谱分辨率和快速调谐能力。自从1989年发现红色精灵，以及观测平台不断地由地面转移到空间，研究瞬态大气和环境事件越发显得日益重要。红色精灵是伴随着雷暴在云层上空发生的电光放电现象，一般被描述为“异常或者向上闪电”，常常具有复杂的树状结构。红色精灵的典型闪光时间为几个毫秒。在大    作者：John Noto，Michael Dori

2、n，Joshua Semeter     蚀刻形成的液晶法布里珀罗可调谐光学滤波器，具有大气传感应用中用于背景鉴别的足够高的光谱分辨率和快速调谐能力。     自从1989年发现红色精灵，以及观测平台不断地由地面转移到空间，研究瞬态大气和环境事件越发显得日益重要。红色精灵是伴随着雷暴在云层上空发生的电光放电现象，一般被描述为“异常或者向上闪电”，常常具有复杂的树状结构。红色精灵的典型闪光时间为几个毫秒。在大气上层发生的类似现象还包括蓝色喷流、流星余迹以及可能是大家普遍都知道的极光。多光谱成像是研究这些发光现象的至关

3、重要的手段。除了在大气科学和空间天气学中的应用，多光谱成像技术还广泛适用于从生物医学工程到国家安全的很多不同领域。     虽然被动探测瞬态大气或环境事件比较简单，但确定此类事件的温度、速度和组成等物理参数却并非易事。它的要求非常苛刻，仪器必须具有足够窄的带宽，才能探测高亮度宽带灰体背景辐射下受激或消融成分的原子谱线特征。探测器的响应必须足够快，因为此类发光物质的寿命都非常短暂。实际探测中需要高亮度、快速的光学器件以及轻巧、紧凑的装置。此外，特别具有挑战性的是相机不能只工作在静态和预先设定的波长。虽然待测原子的跃迁波长可能是众所周知的，但是必需要有这样一

4、直补偿机制能够补偿传感器相对于事件的运动（轨道、弹道或静态）带来的较大多普勒频移。焦平面阵列（FPA）成像探测器和电子器件的发展，使得人们可以很容易地构建和获取此类成像传感器，但具有一个合适的色散元件对系统的成功非常关键。     许多设备都可以同时收集空间信息和光谱信息，但大多数是有局限的，或者由于光谱分辨率不够而无法鉴别背景，或者由于预先设定的窄带发射波长而无法补偿多普勒频移。这需要一种创新来提高光谱分辨率（用于背景鉴别），以及在多普勒频移的可能动态范围内实现快速调谐。     传统上，光谱成像设计在快速光学元

5、件之后使用合适的阵列探测器，以及静态窄带滤波器来隔离不感兴趣的光谱，或者使用衍射光栅作为色散元件。窄带滤波的方法具有最高的亮度以及真实的二维图像，但不能同时记录多光谱，因此需要装配多个滤光片以收集不同波长的图像。基于光栅的系统性能更好，但是只能进行一维成像。由于另一维包含了空间信息，这种限制需要一个扫描镜或“推扫”方法来形成二维图像。     “推扫”系统实际上是一个光栅分光计。在“推扫”系统中，或者是一个可移动的反射镜，或者是载有分光计的飞行器（航天器、卫星等）的运动，在感兴趣的入射狭缝区域扫描。之后线性谱被重建后输入到一个数据立方。这类系统的优点是具

6、有较宽的波长范围，以及通过操纵狭缝宽度来控制光谱分辨率的能力。这些成像器受到固有的低效率光栅系统的限制，并且由于输出量受到光栅效率和狭缝尺寸的限制，因此需要很长的时间来建立一个完整的数据立方。      图1. 上图是利用桑德日斯多姆高层大气科学研究所的传统全天空（鱼眼）白光成像器所拍摄的极光图片，下图是利用同步多光谱成像器拍摄的极光图片。      图2. 分块可调滤波器的样机分为四个区域，其中有三个区域达到了预期的透射率和精细度。     研究人员最近

7、开发了一种层析型光谱成像器。这些成像器把空间和光谱信息分散记录在整个FPA上，之后通过计算重新构建数据立方。通过层析扫描技术可以重构三维光谱图像。尽管这种技术具有高通量（通过使用棱镜或光栅而不是狭缝）和同步性的优点，但也存在不足。如果图像在传输过程中被破坏或丢失，那将不可能重构数据立方。而对于其他类型的光谱成像器，一小部分数据的丢失只是在数据立方里形成一些小孔。     最常见的多光谱成像器是直接成像分光计或分光光度计。这种设备通常是根据滤光盘上多个窄带相干滤光片获得的一组图像来建立数据立方。这些系统的优点是高通量并且易于解释和分析；而其缺点是静态滤光片

8、的固定中心波长会随着使用年限和温度发生漂移。     位于丹麦格陵兰岛上的桑德日斯多姆高层大气科学研究所的同步多光谱成像器（SMI）是一个直接成像分光计，其作用是作为具有两种工作模式的高速窄视场数字极光相机。这种多光谱工作模式可以对一个视场在四个波段同时记录，并具有1km的空间分辨率和典型的1s的时间分辨率。单通道模式通过一个大于 640nm的边缘滤波器对单个视场进行成像，其空间分辨率是0.3km，时间分辨率是40ms。 SMI的核心是一个传统的窄带宽视场成像器，它具有一个由四块棱镜或光楔组成的阵列，其作用是在重新成像之前改变准直光束的方向，从而在焦平面

9、上形成四幅图像。窄带相干滤光片确定了静态的波长通带（见图1）。     一种新型分段可调光滤波器克服了这些限制，它作为一个关键的色散元件被安装在混合型多光谱成像系统中。基于法布里珀罗技术，这种下一代可调谐光滤波器在一个基底上具有多个独立可调的滤波器波段。这种最近获得专利的技术可以使多光谱成像器产生小且密集的窄带光谱像的数据立方。  图3. 使用同一个光学系统，多光谱成像器的每一个区域可以同时记录不同波长的场景图像。在本图中，上面两个透光区域代表在通带上，下面两个透光区域不在通带上。这两者之间的差异将为预期组分的存在提供明确的证明。图像

10、是伪彩色。      典型的法布里珀罗（FP）干涉仪是一对高度抛光的反射镜以一定的距离面对面平行放置，以形成一个谐振腔。所有波长的光输入到干涉仪，在两个反射镜之间多次反射并发生干涉，在输出端形成同心圆环状的干涉条纹。不同波长的光被分成不同的圆环，并从干涉条纹的中心向外以不同的角度被分开。当使用准直光束时，FP干涉仪就作为一个可调滤波器，只有对应中心圆或干涉级次的单一波长的光才能透射过去。     FP干涉仪具有固有的高光谱分辨率并能保证图像质量，并且对于一个给定的光谱分辨率具有最高的光通量。在分光仪器中，

11、在相同的分辨率条件下，FP 干涉仪的光度-分辨率积要比光栅分光计大几百倍，这是相对于光栅分光计而言FP干涉仪的所谓的“贾奎诺优点（Jacquinot advantage）”。级次选择滤光片用来阻止邻近级次的光进入（或射出）干涉仪。使用FP干涉仪作为可调滤波器，在使用准直光束或与成像探测器配合使用时的光通量比光栅分光计大得多。最基本的可调FP系统有一个空气隙，它可以通过改变谐振腔内的气压来调节。     液晶法布里珀罗（LCFP）可调滤波器的谐振腔内充满了液晶（LC）而不是空气，这显著地改善了传统的FP干涉仪。通过施加一个低压电场可以改变液晶的折射率，这等

12、同于改变两个反射镜之间的物理距离或腔内的压力。这种高光谱分辨率的可调光滤波器具有全固态、坚固、紧凑和易于使用的优点，并可以快速、准确、稳定地进行光谱选择。LCFP单元的透光层可以蚀刻成独立可调的部分（见图2）。这些部分可以同时分别调谐到干涉仪工作范围内的任何一个波长。干涉仪的工作范围一般来说很宽，它只取决于干涉仪反射镜镀膜的反射率。这种波长的灵活性使FP干涉仪比基于传统滤波器的系统具有了更多功能。     把具有四个波段的分块LCFP集成到SMI系统中，就可以对每一个波段动态选择，因此提高了仪器的功效和功能。Scientific Solutions公司在SMI设计之后的目标是建造两个配备多个分块可调滤波器的成像器。这种成像器的优点是真正实现同步多光谱成像、自动图像配准，以及能同时校准每个波长通道。将每个光谱通道独立地调节到各自的波长，可以实现在多个波长上同时成像，并且创建的数据立方不会使遥感系统在远距离传输数据时过载（见图3）。处理这些数据是简单、即时甚至是自动的。多个数据立方能够以千赫兹的速率采集，并保持基于滤波器