中波紅外孔徑編碼光譜成像儀的雜散光分析與校正

任廣洪，賀文俊，王晨宇

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 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，使整個系統(tǒng)在獲得高光譜分辨率的同時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、實時性差、可靠性低等缺點。

為彌補(bǔ)孔徑編碼光譜成像儀的缺點，將數(shù)字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）作為編碼器件融入整個系統(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。解決了孔徑編碼光譜成像儀機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實時性差、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、實時性好的優(yōu)點。

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器等多個部分［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，來自目標(biāo)場景的光線通過望遠(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，這一過程實際上就是獲取遠(yuǎn)處目標(biāo)場景信息的過程。望遠(yuǎn)系統(tǒng)焦距大小決定了系統(tǒng)視場和空間分辨率等光學(xué)性能指標(biāo)。通過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。會聚于DMD 上的光線包含了目標(biāo)的所有信息，這時若DMD-1 處于全開狀態(tài)，所有光線都會經(jīng)過反射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，同時又是雙光路Offner 光柵成像系統(tǒng)的物方信息。

隨后，經(jīng)過DMD-1 反射的光線入射至凹面反射鏡，經(jīng)過凹面反射鏡的反射作用后入射至凸面光柵上，通過光柵分光使其產(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控制DMD-2 微鏡單元的狀態(tài)，來實現(xiàn)光譜通道的選通。色散后的目標(biāo)場景信息經(jīng)過DMD-2 調(diào)制后，經(jīng)過Offner 光柵成像系統(tǒng)實現(xiàn)不同波長光線的合光。

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)，并在中波紅外探測器的焦平面上獲得無色散的目標(biāo)場景圖像。雙光路Offner 光柵成像系統(tǒng)與制冷型中波紅外探測器的光瞳銜接就是由中繼成像系統(tǒng)完成。對目標(biāo)場景信息的色散、編碼、合光等多個功能都是由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)實物圖如圖2所示。

圖2 中紅外孔徑編碼光譜成像儀實物圖

但是在實際工作中，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 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行整體建模，并單獨建立系統(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，并對系統(tǒng)完成光學(xué)追跡，最終確定系統(tǒng)雜散光來源，提出校正方法并設(shè)計相應(yīng)實驗來驗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，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)置單體邊長為10.8 μm 且沿對角線反轉(zhuǎn)12°的正方形微鏡片，根據(jù)微鏡數(shù)計算出DMD 工作面的大小為20.736 mm×11.664 mm，則鱗甲范圍就是長為20.736 mm 寬為11.664 mm 的一個長方形區(qū)域，設(shè)置長方形區(qū)域為鱗甲的范圍。圖3 為建立的DMD 模型圖。

圖3 DMD 器件各個狀態(tài)模型圖

圖3為DMD 處于開態(tài)和關(guān)態(tài)時的光路圖。從這四幅圖可以清楚看出DMD 模型可以完成對光線沿著對角線偏轉(zhuǎn)的工作特性，在TracePro 軟件中實現(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，在3～5 μm 范圍內(nèi)以0.5 μm 為步長進(jìn)行數(shù)值仿真。當(dāng)微鏡片處于開態(tài)時，分別探討不同衍射級次下DMD 在不同波長處的衍射效率，并得出衍射效率隨波長變化曲線，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，通過調(diào)整其工作面的表面屬性來模擬出凸面光柵。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］。以中心波長作為閃耀波長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)計輸入?yún)?shù)，通過計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、F表示視場編號，下標(biāo)m和n分別表示入射光線的光瞳采樣序號。則工作波長范圍（λ1～λ2）內(nèi)的平均衍射效率為：

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

表1 凸面光柵各級次的衍射效率

利用表1 中的數(shù)據(jù)，設(shè)置TracePro 中的光柵面型，建立單獨面型庫，根據(jù)相應(yīng)特點建立光柵面型，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 中反射而來的光線，經(jīng)過凸面光柵后，由于凸面光柵的色散效應(yīng)，各個波長的光線經(jīng)過不同的路徑，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Lambertian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)探測器表面的光線，將每個元件表面單獨設(shè)置為表面光源，各元件對應(yīng)序號如表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應(yīng)序號

圖7 各元件自發(fā)雜散輻射能量占比

根據(jù)對元件表面的單獨仿真分析結(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 在工作過程中器件表面的溫度提高，致使整個器件包括邊框在內(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，以5 K 為步長在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。并分別對其產(chǎn)生的內(nèi)部雜散輻射影響進(jìn)行統(tǒng)計，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，溫度對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 校正方法與實驗研究

在整個實驗過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，其具體實物如圖10 所示。

圖10 實驗裝置

圖中原理樣機(jī)內(nèi)部放置著除探測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DMD 器件的電路板以及DMD 器件的具體實物位于“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)輻射的抑制及實驗驗證

經(jīng)過仿真確定系統(tǒng)內(nèi)部的雜散輻射主要來源是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)溫度降低時系統(tǒng)的雜散輻射能量也隨之降低，因此，可以通過局部控溫的方法，對系統(tǒng)內(nèi)的DMD-2 所在位置進(jìn)行降溫處理。

通過局部控溫的方法實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)輻射的抑制，具體是對整個DMD 編碼器件進(jìn)行降溫處理。同時在DMD 邊框表面放置一個溫度傳感器，方便記錄DMD 表面的實時溫度，進(jìn)而提高實驗的準(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。在此實驗中，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 校正前探測器采集圖像

如圖11 所示，探測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DMD-2 進(jìn)行降溫處理，在降溫的同時，時刻關(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，保持溫度并記錄當(dāng)時探測器采集的圖像，依次降溫至320 K、305 K、290 K 和275 K，并記錄下各個溫度情況下探測器采集圖像，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）為通過局部控溫方法將整個DMD 編碼器件降溫至320 K 后探測器采集到的圖像，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)上來說探測器像面各像素強(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)部雜散輻射仿真驗證的正確性。同時也驗證了系統(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

在相對輻射標(biāo)定的過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)蜏孛嬖春隗w溫度穩(wěn)定時，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間的變化情況［17］。

圖13 電平中值隨時間的變化曲線

圖13（a）給出了當(dāng)?shù)蜏孛嬖春隗w溫度穩(wěn)定時，探測器采集圖像的電平中值隨時間的漂移特性。漂移問題主要由暗電流、光電探測器的非均勻響應(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)時紅外圖像電平中值隨時間的變化情況，具有低值的線段是光譜維DMD-2 處于“全關(guān)”狀態(tài)時紅外圖像電平中值隨時間的變化情況，而這些線段在較短時間間隔內(nèi)具有相同的斜率。

以上表明，無論光譜維DMD-2 是處于“全開”狀態(tài)還是“全關(guān)”狀態(tài)，紅外圖像的時間變化都保持相同的規(guī)律，這說明這種時間變化只取決于紅外探測器自身。因此，可以在編碼模板的循環(huán)序列中插入一個額外的編碼模板，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間漂移問題。

用于驗證校正方法的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）對應(yīng)5 個經(jīng)過光譜定標(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 按時間序列依次加載這5 個模板，中波紅外探測器采集得到相應(yīng)的5 幅紅外圖像，如圖15 所示。然后通過解碼矩陣計算得到一個光譜立方體數(shù)據(jù)。

圖15 DMD-2 加載掩模序列后探測器采集到的圖像

當(dāng)一個額外的編碼模板，如圖14（f），被增加到編碼循環(huán)序列中時，每個光譜立方體數(shù)據(jù)的獲取都需要采集6 幅被編碼的紅外圖像。前5個編碼模板對應(yīng)的紅外圖像都減去第6 個編碼模板對應(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。并且通過數(shù)據(jù)處理得知，系統(tǒng)經(jīng)過差分法處理后，探測器像面點強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差降低為887，極差降低為952，系統(tǒng)探測器像面能量分布更加均勻，說明成像質(zhì)量得到提高。經(jīng)過實驗驗證得出結(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抑制系統(tǒng)的雜散光，并對不同校正方法進(jìn)行了相應(yīng)的驗證實驗。實驗結(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源分析以及具體的雜散輻射抑制方法準(zhǔn)確無誤。