任廣洪，賀文俊，王晨宇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

光譜成像技術(shù)充分利用光譜技術(shù)與成像技術(shù)，可以獲取目標(biāo)的二維空間信息以及可分辨單元的一維光譜信息［1-2］。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事偵查、海洋污染監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)、氣象監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［3-6］。但是在傳統(tǒng)成像光譜儀中，狹縫寬度決定了光通量的大小，光譜分辨率與光通量互相制約。為了解決光譜分辨率與光通量之間的矛盾，孔徑編碼光譜成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)把傳統(tǒng)光譜儀里的狹縫替換為編碼模板，可以突破傳統(tǒng)光譜成像儀原理上的制約關(guān)系，使整個(gè)系統(tǒng)在獲得高光譜分辨率的同時(shí)還可以獲得較高的光通量［7-8］。但是，孔徑編碼光譜成像儀依然存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、可靠性低等缺點(diǎn)。

為彌補(bǔ)孔徑編碼光譜成像儀的缺點(diǎn)，將數(shù)字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）作為編碼器件融入整個(gè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)編碼器件相比，DMD 器件具有編碼方式靈活、調(diào)制速率高、結(jié)構(gòu)小巧穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。解決了孔徑編碼光譜成像儀機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、可靠性低等問題［9］。中波紅外孔徑編碼光譜成像儀本質(zhì)上是一種基于DMD 的光譜維編碼光譜成像儀。該光譜儀具有光通量大、信噪比高、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。

1 中波紅外孔徑編碼光譜成像儀工作原理及組成

中波紅外孔徑編碼光譜成像儀是一種以DMD 為編碼器件的光譜維編碼成像光譜儀。該儀器內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)主要包括望遠(yuǎn)系統(tǒng)、雙光路Offner 光柵成像系統(tǒng)、中繼成像系統(tǒng)、光譜維編碼區(qū)以及制冷型中波紅外探測(cè)器等多個(gè)部分［10］，具體光路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中紅外孔徑編碼光譜成像儀三維光路示意圖

首先，來(lái)自目標(biāo)場(chǎng)景的光線通過(guò)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，在望遠(yuǎn)系統(tǒng)聚焦作用與折轉(zhuǎn)反射鏡的光路折疊作用下光線聚焦于DMD-1 的表面上，這一過(guò)程實(shí)際上就是獲取遠(yuǎn)處目標(biāo)場(chǎng)景信息的過(guò)程。望遠(yuǎn)系統(tǒng)焦距大小決定了系統(tǒng)視場(chǎng)和空間分辨率等光學(xué)性能指標(biāo)。通過(guò)使反射鏡與物鏡光軸產(chǎn)生51°夾角的方法，確保光線正入射到DMD-1上。會(huì)聚于DMD 上的光線包含了目標(biāo)的所有信息，這時(shí)若DMD-1 處于全開狀態(tài)，所有光線都會(huì)經(jīng)過(guò)反射24°后進(jìn)入系統(tǒng)的下一部分，也就是雙光路Offner 光柵系統(tǒng)中。DMD-1 上的信息既是前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)的像，同時(shí)又是雙光路Offner 光柵成像系統(tǒng)的物方信息。

隨后，經(jīng)過(guò)DMD-1 反射的光線入射至凹面反射鏡，經(jīng)過(guò)凹面反射鏡的反射作用后入射至凸面光柵上，通過(guò)光柵分光使其產(chǎn)生X方向的色散，再回到凹面反射鏡，不同波長(zhǎng)光線色散后分別聚焦于DMD-2 表面的不同空間位置。系統(tǒng)中的Offner 成像系統(tǒng)的放大倍率為1。DMD 作為理想的編碼器件，可以快速加載任意二值化編碼模板圖案。而系統(tǒng)的光譜維編碼就是通過(guò)控制DMD-2 微鏡單元的狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜通道的選通。色散后的目標(biāo)場(chǎng)景信息經(jīng)過(guò)DMD-2 調(diào)制后，經(jīng)過(guò)Offner 光柵成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)光線的合光。

從雙光Offner 光柵成像系統(tǒng)返回的光線被折轉(zhuǎn)平面反射鏡反射后進(jìn)入中繼成像系統(tǒng)，并在中波紅外探測(cè)器的焦平面上獲得無(wú)色散的目標(biāo)場(chǎng)景圖像。雙光路Offner 光柵成像系統(tǒng)與制冷型中波紅外探測(cè)器的光瞳銜接就是由中繼成像系統(tǒng)完成。對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景信息的色散、編碼、合光等多個(gè)功能都是由DMD-2 與雙光路Offner 光柵成像系統(tǒng)共同工作才能完成，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 中紅外孔徑編碼光譜成像儀實(shí)物圖

但是在實(shí)際工作中，該系統(tǒng)存在明顯的雜散光，這些雜散光嚴(yán)重影響了光譜成像儀的光學(xué)像質(zhì)，為光譜圖像的解碼和復(fù)原引入了額外的誤差。

針對(duì)中波紅外孔徑編碼光譜成像儀存在的雜散光問題進(jìn)行分析并最終完成校正。利用TracePro 軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體建模，并單獨(dú)建立系統(tǒng)內(nèi)DMD 器件以及凸面閃耀光柵的分析模型。完成系統(tǒng)內(nèi)所有散射表面模型的參數(shù)設(shè)置，并對(duì)系統(tǒng)完成光學(xué)追跡，最終確定系統(tǒng)雜散光來(lái)源，提出校正方法并設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證校正方法的正確性。

2 雜散光仿真與分析

2.1 雜散光仿真模型建立

2.1.1 DMD 模型建立及衍射特性分析

系統(tǒng)中使用的兩塊DMD 均是德州儀器的DLP9500。根據(jù)DMD 器件的工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用TracePro 軟件建立DMD 器件仿真模型［11］。利用軟件內(nèi)的鱗甲結(jié)構(gòu)，設(shè)置單體邊長(zhǎng)為10.8 μm 且沿對(duì)角線反轉(zhuǎn)12°的正方形微鏡片，根據(jù)微鏡數(shù)計(jì)算出DMD 工作面的大小為20.736 mm×11.664 mm，則鱗甲范圍就是長(zhǎng)為20.736 mm 寬為11.664 mm 的一個(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域，設(shè)置長(zhǎng)方形區(qū)域?yàn)轺[甲的范圍。圖3 為建立的DMD 模型圖。

圖3 DMD 器件各個(gè)狀態(tài)模型圖

圖3為DMD 處于開態(tài)和關(guān)態(tài)時(shí)的光路圖。從這四幅圖可以清楚看出DMD 模型可以完成對(duì)光線沿著對(duì)角線偏轉(zhuǎn)的工作特性，在TracePro 軟件中實(shí)現(xiàn)了DMD 光學(xué)模型的建立。利用上述仿真模型，結(jié)合FDTD 軟件對(duì)DMD 器件的衍射特性進(jìn)行分析，當(dāng)入射光垂直入射到DMD 表面時(shí)，在3～5 μm 范圍內(nèi)以0.5 μm 為步長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。當(dāng)微鏡片處于開態(tài)時(shí)，分別探討不同衍射級(jí)次下DMD 在不同波長(zhǎng)處的衍射效率，并得出衍射效率隨波長(zhǎng)變化曲線，如圖4 所示。

圖4 中波紅外波段衍射效率曲線圖

2.1.2 凸面光柵模型建立及其衍射特性分析

凸面光柵處于Offner 光柵成像系統(tǒng)中，其同時(shí)具有分光與合光的作用。首先，利用UG 軟件建立凸面光柵的幾何模型，再把建好的幾何模型導(dǎo)入到TracePro 軟件中，通過(guò)調(diào)整其工作面的表面屬性來(lái)模擬出凸面光柵。將凸面閃耀光柵表面進(jìn)行微元化，在局部坐標(biāo)系中，任意微元表面都近似等效為平面光柵，滿足Hill 微分方程［12-15］。以中心波長(zhǎng)作為閃耀波長(zhǎng)λB，以能量占比最大的那一類光線的入射角作為入射角i，根據(jù)閃耀光柵方程可得衍射角θ。

其中，d為光柵周期；m為衍射級(jí)次。進(jìn)一步可得閃耀角的初始值γ為：

假設(shè)凸面閃耀光柵的槽型為直角三角形，則可計(jì)算得到槽深的初始值h為：

將光柵各種參數(shù)的初始值等作為設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，通過(guò)計(jì)算可得出任意入射光線的衍射效率，上標(biāo)中λ表示工作波長(zhǎng)、F表示視場(chǎng)編號(hào)，下標(biāo)m和n分別表示入射光線的光瞳采樣序號(hào)。則工作波長(zhǎng)范圍（λ1～λ2）內(nèi)的平均衍射效率為：

其中，K為視場(chǎng)采樣數(shù)；Y為工作波長(zhǎng)采樣數(shù)，M和N表示光瞳采樣數(shù)。該凸面光柵的工作級(jí)次為-1 級(jí)，利用上述方法計(jì)算出光柵各個(gè)級(jí)次不同波長(zhǎng)下的工作效率如表1 所示。

表1 凸面光柵各級(jí)次的衍射效率

利用表1 中的數(shù)據(jù)，設(shè)置TracePro 中的光柵面型，建立單獨(dú)面型庫(kù)，根據(jù)相應(yīng)特點(diǎn)建立光柵面型，并將該面型附在事先建立好的凸面光柵幾何模型上。光柵面型設(shè)置與具體結(jié)果如圖5所示。由圖5 可以看出，從DMD-1 中反射而來(lái)的光線，經(jīng)過(guò)凸面光柵后，由于凸面光柵的色散效應(yīng)，各個(gè)波長(zhǎng)的光線經(jīng)過(guò)不同的路徑，聚焦于DMD-2 的不同空間位置。當(dāng)光線再次經(jīng)過(guò)凸面光柵后，原本色散的光線完成了合光。由此可見，凸面光柵具有明顯的色散效應(yīng)，分光與合光的位置與理論位置重合。

圖5 凸面光柵模型圖

從Zemax 導(dǎo)入系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)模型，并將DMD 與凸面閃耀光柵的模型導(dǎo)入系統(tǒng)模型中。從UG 中導(dǎo)入系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)，并將光學(xué)系統(tǒng)與光機(jī)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密組合。設(shè)置各個(gè)表面的屬性，系統(tǒng)整體建模結(jié)果如圖6 所示。

圖6 中波紅外孔徑編碼光譜成像儀仿真模型

2.2 雜散光分析

將光譜儀內(nèi)部所有表面都設(shè)置為L(zhǎng)ambertian型表面光源，發(fā)射形式為灰體輻射，溫度設(shè)為室溫的295 K，波長(zhǎng)為3～5 μm。設(shè)置了追跡的最大光線數(shù)為105條/面，追跡所有表面光源并挑選出到達(dá)探測(cè)器表面的光線，將每個(gè)元件表面單獨(dú)設(shè)置為表面光源，各元件對(duì)應(yīng)序號(hào)如表2 所示。各元件雜散輻射能量占比如圖7 所示。

表2 中波紅外孔徑編碼光譜成像儀各元件對(duì)應(yīng)序號(hào)

圖7 各元件自發(fā)雜散輻射能量占比

根據(jù)對(duì)元件表面的單獨(dú)仿真分析結(jié)果可知，中波紅外孔徑編碼光譜成像儀的內(nèi)部雜散輻射最大來(lái)源為DMD-2 的機(jī)械邊框。內(nèi)部熱輻射引起的雜散光，其具體的雜散輻射光路與探測(cè)器照度如圖8 所示。

圖8 成像光譜儀內(nèi)部雜散輻射示意圖

此外，DMD 在工作過(guò)程中器件表面的溫度提高，致使整個(gè)器件包括邊框在內(nèi)的溫度全部上升，為模擬這一現(xiàn)象，將DMD-2 的機(jī)械邊框設(shè)置為表面光源時(shí)，以5 K 為步長(zhǎng)在295～340 K 范圍內(nèi)設(shè)置10 組不同溫度的灰體輻射表面光源。并分別對(duì)其產(chǎn)生的內(nèi)部雜散輻射影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 DMD-2 機(jī)械邊框溫度與其造成內(nèi)部雜散輻射能量關(guān)系

根據(jù)仿真結(jié)果可知，隨著DMD 邊框的溫度上升，進(jìn)而輻射的能量增加，對(duì)系統(tǒng)雜散輻射的影響也開始增大。而且根據(jù)變化曲線可以看出，在295 K～315 K 范圍內(nèi)時(shí)，溫度對(duì)DMD-2 機(jī)械邊框雜散輻射的影響不大，造成的雜散輻射數(shù)值也相對(duì)較低。之后溫度的影響逐漸顯著，因此在進(jìn)行雜散輻射抑制時(shí)應(yīng)盡量降低溫度以控制DMD-2 機(jī)械邊框自發(fā)輻射的影響。

3 校正方法與實(shí)驗(yàn)研究

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的儀器為中波紅外孔徑編碼光譜成像儀原理樣機(jī)和面源黑體，其具體實(shí)物如圖10 所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置

圖中原理樣機(jī)內(nèi)部放置著除探測(cè)器表面之外的所有光學(xué)結(jié)構(gòu)，這些光學(xué)結(jié)構(gòu)都被放置于原理樣機(jī)的“黑匣子”內(nèi)，唯一例外的結(jié)構(gòu)就是DMD 器件部分，整個(gè)DMD 器件的電路板以及DMD 器件的具體實(shí)物位于“黑匣子”外部，緊接著原理樣機(jī)的儀器就是儀器的探測(cè)器，光路圖中用最后一塊接收屏代替。

3.1 系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)輻射的抑制及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)仿真確定系統(tǒng)內(nèi)部的雜散輻射主要來(lái)源是DMD-2 的機(jī)械邊框，根據(jù)2.2 節(jié)中邊框溫度與雜散輻射能量的關(guān)系，當(dāng)溫度降低時(shí)系統(tǒng)的雜散輻射能量也隨之降低，因此，可以通過(guò)局部控溫的方法，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的DMD-2 所在位置進(jìn)行降溫處理。

通過(guò)局部控溫的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)輻射的抑制，具體是對(duì)整個(gè)DMD 編碼器件進(jìn)行降溫處理。同時(shí)在DMD 邊框表面放置一個(gè)溫度傳感器，方便記錄DMD 表面的實(shí)時(shí)溫度，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。由于這種方法涉及系統(tǒng)內(nèi)部元件的局部溫度變化，因此將面源黑體的溫度固定不變。在此實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)采用面源黑體溫度為50 ℃的圖像作為初始圖像，如圖11 所示。

圖11 校正前探測(cè)器采集圖像

如圖11 所示，探測(cè)器表面右上角存在明顯雜散輻射，與軟件仿真的結(jié)果相互印證，確定二者的準(zhǔn)確性。之后對(duì)DMD-2 進(jìn)行降溫處理，在降溫的同時(shí)，時(shí)刻關(guān)注溫度傳感器溫度，當(dāng)表面溫度達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值時(shí)，保持溫度并記錄當(dāng)時(shí)探測(cè)器采集的圖像，依次降溫至320 K、305 K、290 K 和275 K，并記錄下各個(gè)溫度情況下探測(cè)器采集圖像，結(jié)果如圖12 所示。

圖12（a）模擬器件工作后溫度升高至340 K產(chǎn)生明顯自發(fā)輻射的情況，以下稱為初始狀態(tài)，圖12（b）為通過(guò)局部控溫方法將整個(gè)DMD 編碼器件降溫至320 K 后探測(cè)器采集到的圖像，可以看出右上角雜散輻射部分能量有輕微降低，圖12（c）為溫度降為305 K 后探測(cè)器采集到的圖像，圖12（d）與圖12（e）依次為溫度降低為290 K以及275 K 后探測(cè)器采集到的圖像，具體參數(shù)如表3 所示。

表3 DMD-2 降溫至各溫度探測(cè)器采集圖像的參數(shù)

結(jié)合圖12 與表3 內(nèi)的信息可知，通過(guò)局部控溫的方法，可以明顯看出右上角產(chǎn)生的鬼像減少，但并未完全消失。從數(shù)據(jù)上來(lái)說(shuō)探測(cè)器像面各像素強(qiáng)度分布更加均勻，成像質(zhì)量更好與仿真結(jié)果相吻合。證明了內(nèi)部雜散輻射仿真驗(yàn)證的正確性。同時(shí)也驗(yàn)證了系統(tǒng)內(nèi)部雜散輻射的校正方法是有效的。

3.2 基于差分編碼掩模序列的雜散輻射校正方法

在相對(duì)輻射標(biāo)定的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)蜏孛嬖春隗w溫度穩(wěn)定時(shí)，原理樣機(jī)內(nèi)部雜散輻射產(chǎn)生非均勻噪聲，圖13 給出了電平中值隨時(shí)間的變化情況［17］。

圖13 電平中值隨時(shí)間的變化曲線

圖13（a）給出了當(dāng)?shù)蜏孛嬖春隗w溫度穩(wěn)定時(shí)，探測(cè)器采集圖像的電平中值隨時(shí)間的漂移特性。漂移問題主要由暗電流、光電探測(cè)器的非均勻響應(yīng)等因素產(chǎn)生。從圖中可見，非均勻噪聲呈現(xiàn)出緩慢的時(shí)間變化，并疊加了空間非均勻性。圖13（b）為低溫面源黑體溫度穩(wěn)定，具有高值的線段是光譜維DMD-2 處于“全開”狀態(tài)時(shí)紅外圖像電平中值隨時(shí)間的變化情況，具有低值的線段是光譜維DMD-2 處于“全關(guān)”狀態(tài)時(shí)紅外圖像電平中值隨時(shí)間的變化情況，而這些線段在較短時(shí)間間隔內(nèi)具有相同的斜率。

以上表明，無(wú)論光譜維DMD-2 是處于“全開”狀態(tài)還是“全關(guān)”狀態(tài)，紅外圖像的時(shí)間變化都保持相同的規(guī)律，這說(shuō)明這種時(shí)間變化只取決于紅外探測(cè)器自身。因此，可以在編碼模板的循環(huán)序列中插入一個(gè)額外的編碼模板，該編碼模板使光譜維DMD-2 的所有像素都處于“全關(guān)”狀態(tài)，使用這種方法抑制非均勻噪聲的時(shí)間漂移問題。

用于驗(yàn)證校正方法的DMD-2 加載的差分編碼掩模序列如圖14 所示。

圖14 DMD-2 加載的差分編碼掩模序列

圖14（a）～（e）對(duì)應(yīng)5 個(gè)經(jīng)過(guò)光譜定標(biāo)修正的編碼模板，構(gòu)成最大信噪比增益編碼矩陣，原理樣機(jī)之前的工作流程為：DMD-2 按時(shí)間序列依次加載這5 個(gè)模板，中波紅外探測(cè)器采集得到相應(yīng)的5 幅紅外圖像，如圖15 所示。然后通過(guò)解碼矩陣計(jì)算得到一個(gè)光譜立方體數(shù)據(jù)。

圖15 DMD-2 加載掩模序列后探測(cè)器采集到的圖像

當(dāng)一個(gè)額外的編碼模板，如圖14（f），被增加到編碼循環(huán)序列中時(shí)，每個(gè)光譜立方體數(shù)據(jù)的獲取都需要采集6 幅被編碼的紅外圖像。前5個(gè)編碼模板對(duì)應(yīng)的紅外圖像都減去第6 個(gè)編碼模板對(duì)應(yīng)的紅外圖像，將得到5 幅新的差分紅外圖像，如圖16 所示。

圖16 掩模序列差分后的編碼圖像

圖16為使用圖14（a）～（e）分別與圖14（f）進(jìn)行差分后的結(jié)果，從中可以明顯看出處于右上角的雜散輻射得到了有效的抑制。并且通過(guò)數(shù)據(jù)處理得知，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)差分法處理后，探測(cè)器像面點(diǎn)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差降低為887，極差降低為952，系統(tǒng)探測(cè)器像面能量分布更加均勻，說(shuō)明成像質(zhì)量得到提高。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論，即利用差分編碼掩模序列的方法可以有效處理系統(tǒng)內(nèi)的雜散輻射。

4 結(jié)論

本文針對(duì)一款基于DMD 的中波紅外孔徑編碼光譜成像儀，進(jìn)行了系統(tǒng)雜散光分析與校正方法的研究。構(gòu)建了DMD 器件以及凸面光柵的雜散光分析模型，利用TracePro 分析建立的光譜儀模型，確定了系統(tǒng)的雜散輻射來(lái)源為DMD 機(jī)械邊框的自發(fā)輻射，并提出了局部控溫與差分編碼掩膜序列的方法來(lái)抑制系統(tǒng)的雜散光，并對(duì)不同校正方法進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真分析結(jié)果一致，證明了提出光譜成像儀雜散輻射來(lái)源分析以及具體的雜散輻射抑制方法準(zhǔn)確無(wú)誤。