基于光譜濾波器的高光譜成像儀不太受歡迎，并且是最近才出現的。一個或多個光譜濾光片，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。當光束通過濾光片時，其一些光譜成分通過吸收或干涉過程被阻擋，而所需的光譜成分被透射。從紫外線到遠紅外區域，各種尺寸的吸收或干涉濾光片均可作為商用現貨 (COTS) 產品提供。電子可調濾波器(ETF)是另一種頻譜濾波器，它通過控制電壓或聲信號等來傳輸所需的頻譜帶。

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

光譜濾波器的一個示例是光楔形濾波器，也稱為線性可變濾波器(LVF)。它是一種涂有干涉濾光片的玻璃，其厚度沿一個方向增加。該方向稱為光譜方向。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物理維度線性變化。

圖 1.LVF 及其光譜通帶

圖2說明了基于 LVF 的高光譜成像儀的概念。在望遠鏡收集地面場景的輸入輻射光后，可以通過在二維探測器陣列前面放置 LVF 來構建簡單的推掃式高光譜成像儀。儀器的二維探測器陣列可以立即“看到”完整的場景。回想一下第 II-A 節中所描述的，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刻采集地面上的整個交叉軌跡線(見圖 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交叉軌跡線。同一時刻，交叉軌道線上有一個地面采樣單元)。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采集視場 (FOV) 中的所有交叉軌跡線，這是因為基于 LVF 的高光譜成像儀的 FOV 不僅限于沿軌道方向通過狹縫形成一條交叉軌道線。二維探測器陣列的每一行都會對 FOV 的相應交叉軌跡線進行成像，但其波段與相鄰線不同。因此，在探測器幀成像的每個時刻，都會獲取完整的二維場景。場景的每條線都是以不同的波長采集的。當衛星飛過場景時，每個濾鏡行都會經過場景。一旦完整的視場經過了傳感器，每個不同的濾光片行感測場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。通過重組這些在不同時刻獲取的圖像，可以重建每個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

至少有兩個星載高光譜成像儀使用 LVF 來色散輻射光的光譜。2018 年 4 月發射的印度迷你衛星 1 (IMS-1) 上的高光譜成像儀 (HySI) 使用 LVF，覆蓋 400 至 950 nm 的波長范圍，分散在探測器陣列的 512 個光譜元素上。這導致了大約 1 nm 光譜采樣間隔 (SSI) 的過采樣。考慮到應用要求和數據速率的限制，采用了8頻段分級。合并后，光譜帶寬變為8 nm，總共64個光譜帶[53]。另一種基于 LVF 的星載高光譜成像儀是高光譜納米衛星 HyperScout。它是一個3U立方體衛星，高光譜成像儀為1U(10厘米×10厘米×10厘米)。LVF 覆蓋的波長范圍為 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通過，而其他波長則被濾除。其透射光譜作為波長的函數表現出與標準具的共振相對應的大透射峰值。通過仔細控制反射鏡表面之間的距離，法布里-珀羅濾光片可以設計為僅傳輸所需的窄波長帶。吉倫等人。 [34]據報道，可見光和近紅外 (VNIR) (400-1000 nm) 波長范圍內的法布里-珀羅濾光片采用傳統半導體制造工藝制成，并直接集成在包含硅基 CMOS 圖像傳感器芯片的晶圓頂部。在探測器陣列頂部使用單片集成法布里-珀羅濾光片是將光譜學與高光譜成像儀成像技術相結合的創新方法。這可以實現低成本、緊湊性和高速度。作為這項創新技術的自然演變，基于 CMOS 的法布里-珀羅濾光片的波長范圍已擴展到 SWIR：1000-1700 nm，以及基于 InGaAs 的探測器陣列。

這種新的集成方法是獨特的，具有吸引人的優勢：首先，將濾波器和探測器陣列的生產合并到一個 CMOS 兼容工藝中，從而實現整體簡化和成本降低，并實現大規模生產。其次，單片集成減少了相鄰頻段之間的串擾，并減少了系統中的雜散光。這也對系統的靈敏度和速度產生積極影響。圖3上半部分顯示了在 VNIR 波長范圍內工作的 1088 行 x 2014 像素的硅基 CMOS 探測器陣列。當探測器陣列在晶圓級制造時，相同尺寸的帶通法布里-珀羅濾波器集成在探測器陣列特定行的像素頂部。濾光片的光譜帶通由兩個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)被集成在每六個相鄰像素行的頂部。這些多行像素具有相同的沉積過濾器厚度(或高度)，看起來像樓梯的臺階。

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

OCSF 的配置是沿軌道方向一個接一個布置的一系列濾光片行，允許創建與基于 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探測器行(例如六行)來感測地面物體的選擇，以使用片上延時積分或光譜維度中的片外數據合并來提高 SNR。圖3所示的帶有 OCSF 的 VNIR 探測器陣列具有 181 個光譜帶，波長范圍為 450 至 960 nm，SSI 為 5 nm。每個光譜帶的半峰全寬(FWHM)約為15 nm。臺階的寬度是六個探測器行(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 COTS 高光譜相機。它們由前光學器件和帶有集成 OCSF 的硅基 CMOS 探測器陣列以及成像控制電子設備組成。高光譜相機中沒有光譜儀。這就是為什么它們的體積和質量都很小。圓形相機采用 IMEC 第一代 OCSF，覆蓋 600-1000 nm 的光譜范圍，約 100 個光譜帶和 5 nm 帶寬。其體積約為6厘米×6厘米×8厘米。質量約為0.6公斤。方形相機采用IMEC第二代OCSF，覆蓋470-960 nm的光譜范圍，約150個光譜帶。

基于 ETF 的高光譜成像儀使用安裝在單色相機前面的濾光片，通過電子方式調整其光譜傳輸(即帶通)，以產生一系列波長的圖像切片堆棧。ETF是一種可以通過施加電壓、聲信號等以電子方式控制光譜傳輸的裝置[27]。基于 ETF 的高光譜成像儀的優點是，當濾光片調諧到特定的帶通波長時，會立即形成光譜帶的整個二維空間圖像。與基于色散元件和基于LVF/OCSF的高光譜成像儀不同，不需要通過衛星飛行運動觀察多條交叉軌跡線來獲得第二空間維度或累積光譜維度。這一優勢的代價是在衛星移動其視場以觀察地面上的下一個場景之前，需要額外的時間來調整 ETF 以覆蓋整個波長范圍。

ETF 通常分為以下三類。

液晶可調諧濾波器(LCTF)。

聲光可調諧濾波器(AOTF)。

基于干涉儀的濾波器。

LCTF 使用電子控制液晶元件來傳輸所需波長的光并阻擋其他波長的光。它具有圖像質量高、相對容易集成到光學系統中的優點。其缺點是由于使用了多個偏振元件，因此與傳統的固定波長濾光片相比，峰值透射率較低。AOTF 基于衍射原理。聲光調制器，也稱為布拉格盒，利用聲光效應來衍射和改變光的頻率。與 LCTF 相比，AOTF 具有更快的調諧速度(微秒與毫秒)和更寬的波長范圍。其缺點是由于聲波的聲光效應使光發生衍射和偏移，成像質量相對較差。

比較了基于 AOTF 和基于 LCTF 的高光譜成像儀在醫療應用中的性能，目的是突出兩種類型濾波器的杠桿點，以便于在高光譜成像儀設計中進行選擇。在他們的實驗中，檢查了三個參數：光譜分辨率、帶外抑制(即光譜串擾)和空間分辨率意義上的圖像質量。實驗結果表明，基于AOTF的高光譜成像儀在光譜分辨率、帶外抑制和波長之間的隨機切換速度方面表現出優越性，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。垂直和高清質量。他們的結論是，高光譜成像儀的有效設計取決于應用。例如，對于醫療應用，如果感興趣的組織需要更多光譜信息來實現未定義的光學特性，或者包含接近的光譜特征，AOTF 可能是更好的選擇。否則，LCTF 使用起來更方便、更簡單，特別是在需要組織發色團的空間映射時。

中國嫦娥三號月球飛船搭載的可見光和近紅外成像光譜儀(VNIS)是一種基于AOTF的高光譜成像儀。嫦娥三號于2013年12月6日進入繞月軌道，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器件的前面，僅讓處于共振條件λ = 2 d的光通過(第一個訂單)。每個板分離都會生成一個波長的二維圖像，其光譜范圍由傳輸響應的 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-珀羅濾波器可通過電子控制腔的寬度來調節帶通，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的 CMOS 探測器陣列頂部，固定腔用于固定帶通。

圖4.基于電子可調法布里-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法布里-珀羅濾波器技術的星載高光譜成像儀。溫室氣體衛星演示器 (GHGSat-D) 微型衛星任務于 2016 年 6 月發射[35]，使用電子可調法布里-珀羅濾波器，工作波長范圍為 1600 至 1700 nm，光譜分辨率約為0.1納米。選擇此波長范圍和光譜分辨率是因為存在溫室氣體甲烷和二氧化碳的光譜特征，以及來自其他大氣物質 H 2的干擾相對較小特別是O。這種基于ETF的小型化高光譜成像儀質量為5.4千克，體積為36厘米×26厘米×180厘米。另一種使用可調諧法布里-珀羅濾波器的星載高光譜成像儀是 2017 年 6 月發射的 Aalto-1 3U 立方體衛星上的 Aalto-1 光譜成像儀 (AaSI)。法布里-珀羅濾波器在閉合電容反饋環路中由三個不同的壓電執行器覆蓋 500–900 nm 的光譜范圍，光譜分辨率為 6–20 nm。