石穎超， 張路明， 陳 飛， 苑偉政， 虞益挺*

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 寧波研究院 機電學(xué)院， 陜西 西安 710072；2. 西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室 陜西省微納機電系統(tǒng)重點實驗室，陜西 西安 710072）

1 引 言

數(shù)字微鏡器件的誕生改變了傳統(tǒng)光譜成像技術(shù)的格局。光譜成像技術(shù)不僅具有成熟的理論支撐，而且具有極強的發(fā)展?jié)摿?。光譜成像系統(tǒng)不同于光譜儀，不僅能夠獲取觀測區(qū)域的光譜信息，同時也能獲取觀測區(qū)域的空間信息，實現(xiàn)“圖譜合一”。1983 年，世界上最早的一臺光譜成像儀AIS-1 誕生于美國NASA 噴氣動力實驗室［1］。如今，經(jīng)過40 年的發(fā)展，光譜成像技術(shù)具有多種分類標(biāo)準(zhǔn)，按照掃描方式可以分為擺掃式［2］、推掃式［3］、凝視式［4］和快照式［5］等類型。

數(shù)字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）的誕生和發(fā)展與光譜成像技術(shù)處于同一時期。1982 年，DMD 被作為一種空間光調(diào)制器件誕生于德州儀器實驗室［6］，早期主要應(yīng)用在投影顯示領(lǐng)域。經(jīng)過科研人員不斷的挖掘和探索，DMD 的應(yīng)用領(lǐng)域也從傳統(tǒng)的投影顯示領(lǐng)域擴展到無掩膜光刻［7-9］、光束整形［10-13］、全息成像［14-15］和共焦測量［16-17］等領(lǐng)域。

靈活的調(diào)制模式賦予了DMD 在光譜成像領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢，通過對成像視場的靈活設(shè)置，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)推掃式和快照式光譜成像系統(tǒng)中的機械狹縫和機械掩模版。傳統(tǒng)推掃式光譜成像系統(tǒng)通常由尺寸較大的掃描機構(gòu)和其他光學(xué)元件構(gòu)成，而DMD 的使用可以替代其中的掃描機構(gòu)，在芯片級別的尺寸上實現(xiàn)推掃以及多種掃描方式［18］，可以進一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性并縮小系統(tǒng)的體積。同時，DMD 的微鏡陣列是一種天然的可編程掩膜版，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械掩模版。通過對DMD 微鏡陣列進行編程，可以獲得諸如哈達(dá)瑪變換掩膜版等多種形式的編碼孔徑光譜成像儀［19］。近年來，研究人員已提出多種基于DMD 的不同類型的光譜成像系統(tǒng)［20-21］，但在應(yīng)用領(lǐng)域基于DMD 的光譜成像系統(tǒng)還存在一些難點亟待解決。

本文詳細(xì)介紹了兩類基于DMD 的光譜成像系統(tǒng)的組成和工作原理，一類是利用DMD 進行推掃的光譜成像系統(tǒng)，另一類是利用DMD 進行編碼孔徑的光譜成像系統(tǒng)。除此之外，還詳細(xì)介紹了基于DMD 光譜成像系統(tǒng)具有的衍射像差和像面傾斜導(dǎo)致的像差以及消除DMD 像差的相關(guān)研究，并探討了基于DMD 的光譜成像系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展方向。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

按照在光譜成像系統(tǒng)中的作用，DMD 可以分為兩大類：編碼孔徑光譜成像和推掃式光譜成像。在編碼孔徑光譜成像系統(tǒng)中，DMD 的主要功能是代替機械掩膜版實現(xiàn)可編程掩膜；在推掃式光譜成像系統(tǒng)中，DMD 的作用是代替機械狹縫完成掃描功能。DMD 作為整個光譜成像系統(tǒng)的核心器件，起著舉足輕重的作用。

DMD 的發(fā)展始于1977 年由著名物理學(xué)家拉里·霍姆貝克領(lǐng)導(dǎo)的德克薩斯儀器公司。之后，德克薩斯儀器公司獲得了美國國防部的一個項目，要求制造一種可以調(diào)節(jié)光線的設(shè)備。經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，霍姆貝克提出利用微鏡作為一種開關(guān)來調(diào)制光。Instruments Hombeck 公司在1987 年研發(fā)了第一臺數(shù)字微鏡設(shè)備［6］，并于1991 年獲得DMD 設(shè)計的第一項專利，這是數(shù)字微鏡器件最早的原型，標(biāo)志著DMD 真正意義上的誕生。DMD 早期主要應(yīng)用于投影顯示，隨著研究人員的不斷開發(fā)，DMD的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

DMD 的微鏡結(jié)構(gòu)包含兩部分，一部分是位于底部的CMOS 電路，另一部分是位于上部的鋁制微機械結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。DMD 工作時，通過底部的CMOS 電路傳輸電信號，通過靜電力驅(qū)動依附于鉸鏈上的微鏡進行雙穩(wěn)態(tài)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度隨DMD 規(guī)格的不同而變化。需要注意的是，DMD 微鏡是沿著正方形的對角線進行偏轉(zhuǎn)的。DMD 只有在不加電壓的情況下才會處于水平狀態(tài)。工作時，每個微鏡要么處于開態(tài)，要么處于關(guān)態(tài)。

為滿足差異化的市場需求，如今的DMD 已經(jīng)發(fā)展成為具備多種規(guī)格、包含多種版本的系列化產(chǎn)品。芯片尺寸從0.16 英寸到0.8 英寸不等，最小顯示分辨率為320×180，最大顯示分辨率為3 840×2 160。微鏡尺寸包含5.4，7.6，10.8 和13.68 μm 多種規(guī)格。早期DMD 多偏轉(zhuǎn)±10°，當(dāng)前大多版本的DMD 的偏轉(zhuǎn)角度為±12°，±14.5°，±17°，偏轉(zhuǎn)角度的提高有助于對比度的提高。同時，DMD 還具備方形和菱形［23］兩種不同的微鏡排列方式，如圖2 所示。

圖2 DMD 的排列方式Fig.2 Arrangement modes of DMD

某些型號的DMD 不僅具有可見光窗口，還具有紫外和近紅外窗口［24］。顯示分辨率為1 024×768 的DMD 具有多波長保護窗口，因此該款DMD 成為最常用的器件。通過改變用于保護芯片的前窗的材料，可以針對不同的電磁光譜對DMD 進行優(yōu)化。多種型號和規(guī)格的DMD，不僅可以滿足傳統(tǒng)意義上的投影與顯示應(yīng)用，還能夠滿足3D 打印、3D 掃描、機器視覺、光譜和汽車電子等領(lǐng)域的應(yīng)用［20］。

2.1 基于DMD 的編碼孔徑光譜成像

基于DMD 的編碼孔徑光譜成像系統(tǒng)通過對孔徑進行編碼采集得到混疊光譜數(shù)據(jù)，之后再進行解碼，從而獲得目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)立方體，實現(xiàn)光譜成像功能。按照“先編碼后色散”還是“先色散后編碼”，編碼孔徑光譜成像系統(tǒng)可以分為空間維編碼光譜成像系統(tǒng)和光譜維編碼光譜成像系統(tǒng)，它們可以有效提高系統(tǒng)光通量。

圖3 為基于DMD 的空間維編碼光譜成像系統(tǒng)的基本工作原理。DMD 作為空間編碼掩膜版，目標(biāo)經(jīng)過DMD 完成空間維調(diào)制，再經(jīng)過色散元件，由探測器獲得混疊光譜信息。最后，經(jīng)過解碼過程獲得目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)立方體。

基于DMD 的空間維編碼光譜成像的典型應(yīng)用是壓縮感知光譜成像。該技術(shù)利用空間和光譜信息在某一變換域的稀疏性，通過DMD 的空間編碼完成信息的稀疏采樣。其求解原理如下：

式中：τ為正則化系數(shù)；Φ為編碼矩陣，編碼矩陣可采用哈達(dá)瑪矩陣、伯努利隨機矩陣等，加載到DMD 上完成空間維編碼；y為測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)的維度遠(yuǎn)小于目標(biāo)數(shù)據(jù)維度；x為目標(biāo)數(shù)據(jù)，可在某一變換域稀疏表示：x=Ψs，Ψ為稀疏變換矩陣，s為目標(biāo)數(shù)據(jù)的稀疏表示。求解過程是嚴(yán)格的最優(yōu)化問題，對欠定方程組進行迭代求解，獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)的估計。常用的求解算法有梯度投影稀疏重建方法、兩步迭代收縮閾值方法等。

基于DMD 的空間維編碼光譜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。首先，編碼模板的像素與探測器的尺寸需要嚴(yán)格的比例匹配，這對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求；其次，需要大面積的探測器以捕獲所有的數(shù)據(jù)信息；此外，采集數(shù)據(jù)量小而重構(gòu)的數(shù)據(jù)量大，對于圖像重構(gòu)算法也提出了很高的要求。

基于DMD 的光譜維編碼光譜成像系統(tǒng)（見圖4）在結(jié)構(gòu)上要先經(jīng)過色散元件進行色散，一次色散后的混疊光譜展開在DMD 表面，DMD 進行光譜維度的編碼，再經(jīng)過相同的色散元件進行合光，最終在探測器表面得到編碼后的光譜信息。經(jīng)過反編碼得到目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)立方體。根據(jù)有無狹縫結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)又可以分為有狹縫推掃式和無狹縫快照式。帶狹縫的光譜編碼成像系統(tǒng)相當(dāng)于在傳統(tǒng)的狹縫推掃光譜成像系統(tǒng)中應(yīng)用編碼孔徑。

圖4 基于DMD 的光譜維編碼光譜成像系統(tǒng)Fig.4 Spectrally coded aperture imaging spectrometer system based on DMD

基于DMD 的光譜維編碼光譜成像的典型應(yīng)用是哈達(dá)瑪變換光譜成像。哈達(dá)瑪變換來源于稱重測量原理，由±1 組成的哈達(dá)瑪H矩陣構(gòu)成最佳天平稱重矩陣，而由0，1 組成的S矩陣構(gòu)成最佳彈簧稱重矩陣，S矩陣在工程上的使用更為廣泛。其求解原理可表示為：

式中：x為目標(biāo)數(shù)據(jù)，S為組合測量矩陣，y為測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)的維度與目標(biāo)數(shù)據(jù)維度相同，e為單次測量時的誤差。這是對正定方程組進行求解。該技術(shù)主要利用多路復(fù)用測量原理，通過對多個待測目標(biāo)的多次組合測量以提高信噪比和光通量，如使用N階S矩陣進行測量，信噪比可達(dá)到單次測量的N/2 倍，因此，該方法特別適合信噪比低或弱光環(huán)境下的光譜成像。

與基于DMD 的空間維編碼光譜成像系統(tǒng)相比，基于DMD 的光譜維編碼光譜成像系統(tǒng)在光學(xué)系統(tǒng)上更加復(fù)雜，需要增加一組額外的合光元件，而且合光元件并不能實現(xiàn)完全合光。如果使用一對光柵進行分光與合光，那僅能完成光柵一個級次的合光。隨著編碼次數(shù)的增加，實時性變?nèi)?。不過，基于DMD 的光譜維編碼光譜成像系統(tǒng)的圖像重構(gòu)算法比較簡單。

2.2 基于DMD 的推掃式光譜成像

基于DMD 的推掃式光譜成像方式可以分為兩種：照明推掃和成像推掃。照明推掃是將DMD 與照明系統(tǒng)集成為DLP（Digital Light Processing），如圖5（a）所示，依次按列照明目標(biāo)。被照亮的目標(biāo)區(qū)域?qū)⒐夥瓷溥M入后續(xù)物鏡和分光系統(tǒng)中，最終探測器得到每一列的光譜數(shù)據(jù)立方體，通過數(shù)據(jù)處理可以獲得目標(biāo)的完整三維數(shù)據(jù)立方體。這種推掃方式多用于微觀目標(biāo)，如顯微光譜成像領(lǐng)域。

圖5 兩種基于DMD 的推掃式光譜成像系統(tǒng)Fig.5 Two different push-broom spectral imaging systems based on DMD

成像推掃的主要工作原理是將DMD 放置在物鏡L1的像面處，目標(biāo)經(jīng)物鏡一次成像在DMD微鏡表面，如圖5（b）所示。DMD 逐列進行掃描，依次將目標(biāo)圖像反射到后續(xù)分光光路中，每一列圖像經(jīng)過分光光路色散，由探測器捕獲到每一列的光譜數(shù)據(jù)。完成掃描后，將獲得整個目標(biāo)的光譜數(shù)據(jù)立方體。

推掃式光譜成像系統(tǒng)除了具有光學(xué)系統(tǒng)進行成像、準(zhǔn)直和會聚等功能之外，往往需要分光元器件進行分光，分光元器件通常選用棱鏡或者光柵。它們各有優(yōu)缺點，棱鏡的色散屬于非線性色散，光譜分辨率較低，但光通量較大；而光柵的色散屬于線性色散，光譜分辨率高，但是存在不同的衍射級次，導(dǎo)致光通量減少，同時不同級次之間的不同波長還存在重疊，因此限制了波段的有效范圍，實際使用時應(yīng)根據(jù)需要擇優(yōu)選取。

基于DMD 的推掃式光譜成像系統(tǒng)的優(yōu)勢在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的光譜標(biāo)定和輻射標(biāo)定過程，也不需要復(fù)雜的圖像處理算法，空間分辨率和光譜分辨率都比較高。但基于DMD 的推掃式光譜成像系統(tǒng)的缺點也比較明顯，即按列掃描的方式導(dǎo)致系統(tǒng)單次曝光的光通量小。當(dāng)目標(biāo)光強較弱時，需要延長曝光時間以增強光信號，這可能會增加系統(tǒng)的采集時間。

3 發(fā)展進程

3.1 基于DMD 的編碼孔徑光譜成像系統(tǒng)

由于DMD 具有優(yōu)良的空間光調(diào)制特性，1995 年佛羅里達(dá)大學(xué)化學(xué)系的Wagner II 使用最早版本的數(shù)字微鏡光調(diào)制器研制了一臺基于DMD 的可見光光譜儀［25］。微鏡陣列是一種天然的哈達(dá)瑪變換掩膜版，隨著DMD 產(chǎn)品的逐漸成熟，DMD 開始應(yīng)用于哈達(dá)瑪變換光譜儀領(lǐng)域［26-33］。DMD 不僅推動了哈達(dá)瑪變換光譜儀的發(fā)展，也促進了編碼孔徑光譜成像技術(shù)的發(fā)展。

在20 世紀(jì)末21 世紀(jì)初期，已經(jīng)有介紹DMD特性［34］及其在成像和光譜方面潛在應(yīng)用的相關(guān)報道［35-37］。這些早期研究對基于DMD 的光譜成像應(yīng)用具有極其重要的作用，不僅介紹了DMD的相關(guān)特性，還進行了實驗驗證，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

2001 年，美國的Sandia 國家實驗室首次提出將DMD 應(yīng)用于光譜成像［38］，他們采用雙Offner結(jié)構(gòu)，將DMD 放置在第一塊光柵的色散平面上，完成光譜維哈達(dá)瑪變換編碼，經(jīng)過第二塊光柵的合光，最終在探測器上獲得編碼后的色散光譜維數(shù)據(jù)。2002 年，他們又提出了一種新型簡化版的色散光譜成像系統(tǒng)［39］，其結(jié)構(gòu)與圖5（b）推掃式光譜成像系統(tǒng)相似。

深耕哈達(dá)瑪變換光譜成像領(lǐng)域數(shù)十年的堪薩斯州立大學(xué)的Hammaker 團隊，于2002 年提出了一種基于DMD 的新型光譜成像儀［40］，該光譜成像儀使用一個DMD 和一個單像素探測器以消色散的模式工作在近紅外波段。同年，喬治梅森大學(xué)的Christensen 提出了一種主動眼技術(shù)［41］，這是一種用于高動態(tài)范圍高光譜成像的自適應(yīng)逐像素圖像分割傳感器架構(gòu)，如圖6（a）所示。該架構(gòu)包含兩個光學(xué)支路，一個支路用來獲得光譜信息，一個支路用來獲取空間信息。

圖6 基于DMD 的編碼孔徑光譜成像儀的光路結(jié)構(gòu)Fig.6 Optical layout of coded aperture imaging spectrometer based on DMD

2006 年，美國Spectral Science 的Goldstein 等提出了天基自適應(yīng)光譜成像儀［42］，該儀器采用曲面光柵和一個較大的球面反射鏡優(yōu)化了光學(xué)系統(tǒng)。2009 年，他們以此為基礎(chǔ)搭建了基于DMD的高光譜成像系統(tǒng)原型樣機并進行了測試［43］。2013 年，他們更深入地完善了系統(tǒng)，搭建了紅外波段的自適應(yīng)光譜成像儀，并對系統(tǒng)進行更深入的測試，測試目標(biāo)包含特定環(huán)境中的一些氣體［44］。2015 年，他們的研究進一步向工程化和實用化邁進，搭建了一套便攜式、遠(yuǎn)距離的光譜成像相機用于檢測氣體流出物和殘留物［45］。

2010 年，中國科學(xué)院西安光機所的孫鑫研究了基于DMD 的天基哈達(dá)瑪變換光譜成像探測技術(shù)［46］。2012 年，他更詳細(xì)地介紹了多路復(fù)用和哈達(dá)瑪變換光譜成像原理等［47］，并搭建了基于DMD 技術(shù)的哈達(dá)碼變換光譜成像儀，如圖6（b）所示。

2009 年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Love 提出了一種基于DMD 的可編程濾光器和哈達(dá)瑪變換光譜成像儀［48］。在后續(xù)的幾年內(nèi)，Graff和Love 持續(xù)進行這方面的研究，相繼提出了基于DMD 的全幀可編程光譜濾波器［49］、自適應(yīng)光譜成像儀［50］以及面向?qū)崟r化學(xué)檢測的光譜成像儀［51］，并首次提出了使用兩個正交光柵或前置DMD 消除DMD 衍射效應(yīng)的方法，如圖7（a）所示。

圖7 基于DMD 的編碼孔徑光譜成像儀Fig.7 Aperture-coded spectrometers based on DMD system

2006 年，Rice 大學(xué)的Takhar 等基于壓縮傳感原理，使用DMD 構(gòu)建了單像素壓縮成像相機［52］。2008 年，他們針對該方向進行了更為深入的研究，詳細(xì)探究了基于DMD 的單像素壓縮傳感成像的原理［53］及DMD 在太赫茲成像領(lǐng)域的應(yīng)用［54］。2011 年，美國特拉華大學(xué)的研究人員提出了一種基于DMD 的壓縮傳感快照式光譜成像系統(tǒng)，如圖7（b）所示［55-57］，該系統(tǒng)將基于DMD 的光譜成像技術(shù)與壓縮傳感原理結(jié)合起來，進一步提高了采集速度。2014 年，清華大學(xué)的林欣等提出了一種基于DMD 的雙編碼壓縮高光譜成像系統(tǒng)［58］，提升了壓縮重構(gòu)算法的質(zhì)量。2020 年，北京理工大學(xué)的許昌等提出了一種雙色自適應(yīng)編碼超分辨壓縮光譜成像方法［59］，提高了高光譜成像儀的重構(gòu)分辨率和精度。同年，K. Optronics的Zhou 等提出一種壓縮編碼的高光譜視頻成像儀［60］，可以獲得視頻速率的高光譜成像數(shù)據(jù)。

2016 年，中國科學(xué)院上海技物所的張昊研究了基于DMD 的編碼孔徑光譜成像儀的關(guān)鍵技術(shù)［19］，并搭建了基于DMD 的編碼孔徑光譜成像儀樣機。2018 年，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院的馬翠研究了基于DMD 的編碼光譜成像儀，并探究了哈達(dá)瑪變換、傅里葉變換和壓縮感知等多種編碼方式［61］。

經(jīng)過數(shù)十年的蓬勃發(fā)展，基于DMD 的編碼孔徑光譜成像技術(shù)日趨成熟，雖然具有更高的光通量和采集速度，但更依賴于編碼和解碼的算法。

3.2 基于DMD 的推掃式光譜成像系統(tǒng)發(fā)展進程

相較于基于DMD 的編碼孔徑光譜成像系統(tǒng)，起步較晚的基于DMD 的推掃式光譜成像系統(tǒng)則顯得小眾，但這并不阻礙推掃式光譜成像系統(tǒng)展現(xiàn)自身的優(yōu)勢。

2003 年，德國高技術(shù)研究所的Wuttig 等提出了一種基于自研MEMS 微鏡的靈敏哈達(dá)瑪變換光譜成像儀［62］。這種微鏡按列排布進行哈達(dá)瑪變換推掃，獲得光譜數(shù)據(jù)，不僅提高了信噪比，也提高了光通量。2007 年，歐洲聯(lián)合實驗室的Bednarkiewicz 等提出了一種基于數(shù)字微鏡的高光譜成像技術(shù)［63］，使用DMD 順序照亮樣本的不同區(qū)域，通過光譜相機獲得光譜成像數(shù)據(jù)，是一種照明推掃方式。

2016 年，澳大利亞的Arablouei 等提出了一種基于DMD 的推掃式光譜成像技術(shù)，如圖8（a）所示［18］，他們利用DMD 的雙通性，使用一個通路進行光譜成像，一個通路作為輔助支路進行輔助成像，實現(xiàn)了可見光波段快速、穩(wěn)健的推掃式光譜成像。2017 年，Hsu 等利用基于DMD 的DLP技術(shù)依次順序照亮樣本，實現(xiàn)樣本表面的推掃式顯微高光譜成像技術(shù)，也是一種照明推掃方式［64］。

2019 年，本課題組提出一種基于DMD 的高光譜成像系統(tǒng)，如圖8（b）所示［65］，該系統(tǒng)通過DMD 按列偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)高光譜成像。2021 年，我們繼續(xù)深入研究，提出了一種基于DMD 的空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的顯微高光譜成像系統(tǒng)，如圖8（c）所示［66］。

2020 年，新加坡國立大學(xué)的Yi 等提出了一種基于DMD 的推掃式哈達(dá)瑪變換高光譜成像技術(shù)，如圖8（d）所示［67］。與前述Arablouei 等的工作具有異曲同工之處［18］，但他們利用DMD 的雙通性質(zhì)構(gòu)建了兩個支路，其中一個支路是輔助成像系統(tǒng)，可以提前觀測正在成像的區(qū)域。

基于DMD 的推掃式光譜成像系統(tǒng)由于通光孔徑的限制，需要較長的采集時間，但高的空間分辨率及光譜分辨率是該系統(tǒng)的優(yōu)勢。

4 DMD 引入的像差及解決方法

DMD 在光譜成像系統(tǒng)中的使用會引入兩類像差：衍射和像面傾斜。這兩類像差都是由DMD 本身的結(jié)構(gòu)引入的。由于DMD 微鏡陣列已經(jīng)達(dá)到微米尺度，所以會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，會對成像質(zhì)量造成一定的影響。而像面傾斜主要是由于DMD 的光軸與鏡頭的光軸不匹配以及DMD 自身微鏡的等效傾斜鏡面造成的。這兩類像差會對編碼孔徑和推掃式光譜成像系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

4.1 衍射像差及解決辦法

DMD 由數(shù)百萬個排列整齊的微鏡組成，這些微鏡所構(gòu)成的微觀結(jié)構(gòu)在光入射到DMD 表面上時會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。對于不同的應(yīng)用場景，衍射的作用有利有弊，但在光譜成像領(lǐng)域，DMD 的衍射會降低像質(zhì)，是有害的。

為消除或抑制DMD 的衍射，構(gòu)建DMD 的衍射模型是必要的。關(guān)于DMD 的衍射模型，已經(jīng)有不少研究人員進行了這方面的研究［68-75］。衍射模型的建立有助于在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計之前找到最佳的系統(tǒng)參數(shù)，包括波長、微鏡間距、入射角和濾波器尺寸，以提高對比度和衍射效率。

總的來說，消除或抑制DMD 衍射的方法主要有兩種［48］，第一種是使用與DMD 刻線數(shù)相同刻線數(shù)的兩個正交光柵來消除DMD 的二維衍射效應(yīng)；另一種方法是使用一個DMD 消除另一個DMD 的衍射效應(yīng)。第二種方法目前已經(jīng)實現(xiàn)，Liu 等在2021 年使用兩個DMD 和4f系統(tǒng)搭建了編碼孔徑的寬光場成像系統(tǒng)，如圖9（a）所示，其中一個DMD 用來消除另一個DMD 的色散［76］，獲得了不錯的效果。

兩種消除DMD 衍射效應(yīng)的方法都是利用雙光柵的匯合光譜特性［77］，但只能消除一個級次的衍射現(xiàn)象，其他級次的衍射依然會影響成像效果，因此還需要添加光闌來濾除其他級次的衍射。此外，通過算法和圖像處理也可以解決該問題。

4.2 像面傾斜及解決辦法

像面傾斜是由DMD 的光軸與鏡頭的光軸不匹配以及DMD 自身微鏡的等效傾斜鏡面造成的。這一問題的直接表現(xiàn)為矩形像變形為平行四邊形像，同時由像面傾斜導(dǎo)致的部分離焦，導(dǎo)致部分區(qū)域成像模糊的現(xiàn)象。

像面傾斜的解決方法需要從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計層面入手。2020 年，中國科學(xué)院西安光機所的武鑫在研究基于DMD 的自適應(yīng)分類光譜成像系統(tǒng)時［78］，針對DMD 和光柵引起的嚴(yán)重色差問題，采用光線追跡方法對成像過程進行分析，通過焦距匹配法解決了光學(xué)系統(tǒng)中色散光無法完全復(fù)合的問題。2020 年，長春理工大學(xué)的王月旗針對基于DMD 的編碼孔徑光譜成像光學(xué)系統(tǒng)，詳細(xì)分析了DMD 反射鏡與普通反射鏡的區(qū)別，以及DMD 在光學(xué)系統(tǒng)中引入的像面傾斜，如圖9（b）所示，提出必須根據(jù)沙姆原理將探測器表面傾斜相應(yīng)的角度減小像面傾斜的影響，從而保證DMD 平面與探測器平面具有物象共軛關(guān)系［79］。2021 年，長春理工大學(xué)的趙雨時提出了一種用雙DMD Offner 系統(tǒng)消除DMD 像面傾斜的方法［80］，使用一個空間維DMD 完美地補償了光譜維編碼中紅外光譜成像系統(tǒng)引入DMD 時像面傾斜的問題，如圖9（c）所示。2022 年，中國科學(xué)院西安光機所的楊瑩提出在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時通過鏡片的偏心和傾斜使成像像面與DMD 表面匹配，如圖9（d）所示，解決了在Hadamard 編碼紅外光譜成像系統(tǒng)中DMD 像面傾斜的問題［81］。

總的來說，為解決DMD 像面傾斜的問題，需要通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計合理地解決該問題。

5 總結(jié)與展望

本文詳細(xì)介紹了基于DMD 的編碼孔徑和推掃式光譜成像技術(shù)的工作原理和發(fā)展進程，重點介紹了DMD 在不同系統(tǒng)中扮演的主要角色。DMD 作為一種反射式空間光調(diào)制器，其具備的像素級控光能力，既能夠獲得靈活的編碼調(diào)制模板，也可以構(gòu)建快速推掃模式，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)光譜成像領(lǐng)域中的機械式掩膜版和機械狹縫，推動光譜成像系統(tǒng)的發(fā)展。除此之外，本文還針對DMD 自身結(jié)構(gòu)帶來的對光譜成像造成負(fù)面影響的兩個關(guān)鍵性問題：衍射和像面傾斜，總結(jié)了這些問題的普適性解決辦法，有助于研究人員在使用DMD 的光譜成像領(lǐng)域乃至于其他相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域改善成像質(zhì)量、提升光學(xué)系統(tǒng)性能。綜上所述，基于DMD 的光譜成像技術(shù)具有靈活可調(diào)制的特點，已經(jīng)發(fā)展出多種面向不同應(yīng)用場景的光譜成像系統(tǒng)。歷經(jīng)數(shù)十年，DMD 在光譜成像及其他領(lǐng)域依然具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5.1 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化

由于DMD 本身存在衍射和像面傾斜問題，這可能會嚴(yán)重影響光譜成像質(zhì)量。雖然DMD 作為一種成熟的微光機電系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但在諸如ZEMAX，Lighttools 及Code V 等光學(xué)設(shè)計軟件中，難以對DMD 的衍射效果和像面傾斜問題進行有效的模擬和分析，這不利于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。如果能夠在仿真過程中輕松地獲得DMD 的衍射和像面傾斜，通過采用合理的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方案，在設(shè)計階段就能解決衍射和像面傾斜問題，那么研究人員在系統(tǒng)構(gòu)建和成像調(diào)試方面的效率將大大提高。

5.2 實時成像和數(shù)據(jù)處理

提高光譜成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理效率以實現(xiàn)實時成像是一個重要的研究方向?；贒MD 的推掃式光譜成像系統(tǒng)具備高的空間分辨率和光譜分辨率，但采集時間長且效率低。而基于DMD 的編碼孔徑光譜成像系統(tǒng)則具備高采集效率，但需要較長的圖像后處理時間，空間分辨和光譜分辨率較低。雖然采集效率和空間、光譜分辨率之間存在不可忽視的權(quán)衡關(guān)系，但在盡量短的時間內(nèi)獲得盡量高的空間和光譜分辨率是一個值得研究的問題。

為了提高推掃式光譜成像系統(tǒng)的采集效率，可以引入并行掃描等多路復(fù)用掃描方式。在基于DMD 的編碼孔徑光譜成像中，增加編碼次數(shù)獲得多張編碼圖像可以提高系統(tǒng)的空間和光譜分辨率。此外，結(jié)合深度學(xué)習(xí)創(chuàng)建智能解碼和圖像重構(gòu)算法，可以提升數(shù)據(jù)處理效率。同時，在光譜數(shù)據(jù)立方體中存在許多的冗余信息，通過對目標(biāo)光譜的選擇性處理和自適應(yīng)成像來縮減數(shù)據(jù)量，也可以大大提高系統(tǒng)的采集和處理效率。

5.3 多模態(tài)成像

DMD 具有高度的靈活性和可編程性，同時還具有雙光路的特性，可以結(jié)合其他成像技術(shù)實現(xiàn)多模態(tài)成像。將基于DMD 的光譜成像與光學(xué)相干成像相結(jié)合，可以實現(xiàn)同時獲取目標(biāo)結(jié)構(gòu)和光譜信息的多模態(tài)成像。將DMD 的光譜成像與偏振成像相結(jié)合，可以同時獲得目標(biāo)的偏振信息和光譜信息，為材料表征和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供更全面的信息。此外，基于DMD 的光譜成像還可與熒光成像、超分辨率成像等技術(shù)相結(jié)合，從不同角度提供更豐富的圖像信息，進一步拓展多模態(tài)成像的應(yīng)用領(lǐng)域。

5.4 小型化和集成化

隨著微納技術(shù)的進步，研究人員正致力于將DMD 芯片進一步微型化，以適應(yīng)便攜設(shè)備和微型系統(tǒng)的需求。這意味著更小尺寸的DMD 芯片可以在手機、智能眼鏡和其他便攜設(shè)備中嵌入，實現(xiàn)實時高速光譜成像。集成化是一個重要的發(fā)展方向。將DMD 與其他相關(guān)技術(shù)，如微型鏡頭、微型分光元器件、微型圖像傳感器等進行集成，以實現(xiàn)更全面和多功能的光譜成像系統(tǒng)。這種集成化的方法可以提高系統(tǒng)的性能和效率，同時減少設(shè)備的體積和功耗。DMD 技術(shù)的小型化和集成化還為微型系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。如在醫(yī)療領(lǐng)域，DMD 的小型化和集成化可以用于無創(chuàng)光譜成像，以幫助醫(yī)生進行疾病診斷和監(jiān)測。