討論和理解用于地球觀測(cè)的濾光片

　　大型、高度均勻的收集光學(xué)元件

　　如果目標(biāo)成分的光譜波段極窄或光譜接近“背景”波段，或者信號(hào)相對(duì)于背景的貢獻(xiàn)很小，則可能需要提供增強(qiáng)波長(zhǎng)選擇性的大型窄帶通濾波器(NBPF)。

　　其中一種應(yīng)用是從軌道上測(cè)量或映射閃電，這需要在大視場(chǎng)上具有高波長(zhǎng)選擇性。閃電可以通過觀察777.4nm處的窄原子氧三重態(tài)線來研究(參考MeteoSAT LI)。

　　然而，確切地知道雷電將在何時(shí)何地發(fā)生是具有挑戰(zhàn)性的，因此需要一個(gè)非常大的探測(cè)器區(qū)域來保持這種非常窄的波長(zhǎng)選擇性。這就需要極其均勻、狹窄的濾光片。益瑞電已經(jīng)展示了在直徑>125 mm的工作通光孔徑上生產(chǎn)這種以目標(biāo)波長(zhǎng)20 pm為中心的NBPF的能力。

　　圖1.CWL在125 mm直徑上的空間變化顯示出高度均勻的大NBPF。來源：益瑞電光譜技術(shù)

　　具有如此高精度和“視場(chǎng)”的儀器的好處必須與制造這種大型復(fù)雜濾光片和相關(guān)光學(xué)元件的重量和成本增加相抵消。

　　緊湊/多光譜成像

　　為了最大限度地降低每條“科學(xué)線”的重量和成本，一些EO成像系統(tǒng)試圖通過使用單個(gè)探測(cè)器覆蓋多個(gè)感興趣的光譜波段，將盡可能多的科學(xué)納入一臺(tái)儀器中。這種多光譜成像(MSI)導(dǎo)致了對(duì)濾波器陣列的需求，其中光譜性能可以在整個(gè)部件的空間上變化。

　　圖2.10個(gè)BPF的多光譜陣列(根據(jù)ABB加拿大公司為加拿大航天局空間技術(shù)開發(fā)計(jì)劃的分包合同開發(fā))。來源：益瑞電光譜技術(shù)

　　通過使用具有這種多區(qū)域結(jié)構(gòu)的濾光片，探測(cè)器上的各種像素波段將對(duì)各種光譜波段敏感，因此可以評(píng)估各種成分或感興趣的現(xiàn)象。

　　多區(qū)域/多光譜濾波器(MZF或MSF)陣列的制造可以通過使用屠夫塊結(jié)構(gòu)來完成，其中制造，分離并固定成一個(gè)陣列的各種濾波器;或通過在單片基板上圖案化(通過掩蔽)各種光譜帶。通過將組裝和圖案組合在單個(gè)濾波器陣列上，混合方法也是可行的。

　　屠宰塊 MZF 陣列通過避免復(fù)合涂層運(yùn)行產(chǎn)量，提供了簡(jiǎn)化涂層工藝的優(yōu)勢(shì);濾光片制造商只需要在任何給定的基板上涂覆單個(gè)帶，這是大多數(shù)“傳統(tǒng)”光學(xué)濾光片制造中使用的方法。

　　當(dāng)要評(píng)估多個(gè)(>4或5)目標(biāo)條帶或單個(gè)濾波帶的復(fù)雜性升高時(shí)，Butcher塊陣列可能是一個(gè)很好的選擇，這促使過濾器涂層厚度增加并降低運(yùn)行成功率。

　　圖案化的MZF陣列具有產(chǎn)生幾乎任何形狀或大小的光譜帶(不僅是肉塊中的條紋或矩形)的潛力，并在過渡區(qū)的大小方面有了相當(dāng)大的改進(jìn)(2倍或更多)。

　　使用圖案化陣列限制良好像素的損失可能是有利的，因?yàn)檫^渡區(qū)下的像素通常不可用于分析。此外，在單片基板上涂覆可以規(guī)避與不同光譜帶之間的對(duì)準(zhǔn)公差相關(guān)的挑戰(zhàn)。

　　高空間和光譜分辨率

　　通過限制與目標(biāo)頻段相關(guān)的濾波器帶寬，可以加強(qiáng)對(duì)“科學(xué)線”的更大區(qū)分。在MSI應(yīng)用中，光譜分辨率的這種增強(qiáng)意味著空間分辨率的損失，因?yàn)樗s小了任何單個(gè)波段的信噪比(減少總光)和孔徑尺寸(可用像素)。

　　相比之下，如果使用覆蓋整個(gè)可見光譜的寬帶全色(PAN)濾光片，則這些像素處總光的增加可提供增強(qiáng)的空間分辨率。對(duì)于 Landsat 8，PAN 波段具有更高的空間分辨率(15 m 對(duì) 30 m)，是其他光學(xué)頻段的兩倍(見表 2)。

　　通過“PAN銳化”將PAN和波長(zhǎng)選擇波段結(jié)合在一起，可以應(yīng)用陣列來準(zhǔn)確映射特定信號(hào)的來源以及信號(hào)所代表的內(nèi)容。

　　堅(jiān)固可靠的光學(xué)元件

　　如果系統(tǒng)在軌道上無法承受使用條件，那么運(yùn)行帶有高分辨率光學(xué)濾光片的系統(tǒng)就沒有價(jià)值。

　　通過對(duì)沉積工藝(濺射或增強(qiáng)蒸發(fā))和材料的嚴(yán)格控制，經(jīng)驗(yàn)豐富的制造商可以創(chuàng)建具有出色密度和附著力的光學(xué)濾光片，以承受濕度和溫度波動(dòng)的典型地面要求，而不會(huì)隨著使用或時(shí)間而改變或退化。

　　典型的可靠性規(guī)格包括：

　　· 在以下情況下，光譜性能沒有變化或表面質(zhì)量沒有下降：

　　o 24 小時(shí)濕熱暴露(95% 相對(duì)濕度;49 °C))

　　o -60 至 70 °C 的熱循環(huán)/沖擊測(cè)試

　　· 膠帶和摩擦附著力測(cè)試

　　一旦這些濾波器和濾波器陣列進(jìn)入軌道，它們可能還需要承受極端溫度范圍(低至70 K)以及地球大氣通常過濾掉的太陽(yáng)和電子輻射。部署在這些環(huán)境中的過濾器和濾波器陣列可能需要進(jìn)一步的專門測(cè)試，以確認(rèn)它們能夠在苛刻的操作環(huán)境中生存。