數字微鏡器件光譜成像技術進展

石穎超， 張路明， 陳 飛， 苑偉政， 虞益挺*

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

1 引 言

數字微鏡器件的誕生改變了傳統光譜成像技術的格局。光譜成像技術不僅具有成熟的理論支撐，而且具有極強的發展潛力。光譜成像系統不同于光譜儀，不僅能夠獲取觀測區域的光譜信息，同時也能獲取觀測區域的空間信息，實現“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，經過40 年的發展，光譜成像技術具有多種分類標準，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。

數字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）的誕生和發展與光譜成像技術處于同一時期。1982 年，DMD 被作為一種空間光調制器件誕生于德州儀器實驗室［6］，早期主要應用在投影顯示領域。經過科研人員不斷的挖掘和探索，DMD 的應用領域也從傳統的投影顯示領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］等領域。

靈活的調制模式賦予了DMD 在光譜成像領域的獨特優勢，通過對成像視場的靈活設置，可以代替傳統推掃式和快照式光譜成像系統中的機械狹縫和機械掩模版。傳統推掃式光譜成像系統通常由尺寸較大的掃描機構和其他光學元件構成，而DMD 的使用可以替代其中的掃描機構，在芯片級別的尺寸上實現推掃以及多種掃描方式［18］，可以進一步提升系統的穩定性并縮小系統的體積。同時，DMD 的微鏡陣列是一種天然的可編程掩膜版，能夠代替傳統的機械掩模版。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［20-21］，但在應用領域基于DMD 的光譜成像系統還存在一些難點亟待解決。

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

2 系統組成與工作原理

按照在光譜成像系統中的作用，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中，DMD 的主要功能是代替機械掩膜版實現可編程掩膜；在推掃式光譜成像系統中，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的核心器件，起著舉足輕重的作用。

DMD 的發展始于1977 年由著名物理學家拉里·霍姆貝克領導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節光線的設備。經過多年的研究和開發，霍姆貝克提出利用微鏡作為一種開關來調制光。Instruments Hombeck 公司在1987 年研發了第一臺數字微鏡設備［6］，并于1991 年獲得DMD 設計的第一項專利，這是數字微鏡器件最早的原型，標志著DMD 真正意義上的誕生。DMD 早期主要應用于投影顯示，隨著研究人員的不斷開發，DMD的應用領域越來越廣泛。

DMD 的微鏡結構包含兩部分，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構，如圖1（b）所示。DMD 工作時，通過底部的CMOS 電路傳輸電信號，通過靜電力驅動依附于鉸鏈上的微鏡進行雙穩態偏轉，偏轉角度隨DMD 規格的不同而變化。需要注意的是，DMD 微鏡是沿著正方形的對角線進行偏轉的。DMD 只有在不加電壓的情況下才會處于水平狀態。工作時，每個微鏡要么處于開態，要么處于關態。

為滿足差異化的市場需求，如今的DMD 已經發展成為具備多種規格、包含多種版本的系列化產品。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 多種規格。早期DMD 多偏轉±10°，當前大多版本的DMD 的偏轉角度為±12°，±14.5°，±17°，偏轉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 進行優化。多種型號和規格的DMD，不僅可以滿足傳統意義上的投影與顯示應用，還能夠滿足3D 打印、3D 掃描、機器視覺、光譜和汽車電子等領域的應用［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通過對孔徑進行編碼采集得到混疊光譜數據，之后再進行解碼，從而獲得目標的三維數據立方體，實現光譜成像功能。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可以分為空間維編碼光譜成像系統和光譜維編碼光譜成像系統，它們可以有效提高系統光通量。

圖3 為基于DMD 的空間維編碼光譜成像系統的基本工作原理。DMD 作為空間編碼掩膜版，目標經過DMD 完成空間維調制，再經過色散元件，由探測器獲得混疊光譜信息。最后，經過解碼過程獲得目標的三維數據立方體。

基于DMD 的空間維編碼光譜成像的典型應用是壓縮感知光譜成像。該技術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；Φ為編碼矩陣，編碼矩陣可采用哈達瑪矩陣、伯努利隨機矩陣等，加載到DMD 上完成空間維編碼；y為測量數據，測量數據的維度遠小于目標數據維度；x為目標數據，可在某一變換域稀疏表示：x=Ψs，Ψ為稀疏變換矩陣，s為目標數據的稀疏表示。求解過程是嚴格的最優化問題，對欠定方程組進行迭代求解，獲得目標數據的估計。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的結構較為復雜。首先，編碼模板的像素與探測器的尺寸需要嚴格的比例匹配，這對光學系統的設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據信息；此外，采集數據量小而重構的數據量大，對于圖像重構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（見圖4）在結構上要先經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。經過反編碼得到目標的三維數據立方體。根據有無狹縫結構，系統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相當于在傳統的狹縫推掃光譜成像系統中應用編碼孔徑。

圖4 基于DMD 的光譜維編碼光譜成像系統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用是哈達瑪變換光譜成像。哈達瑪變換來源于稱重測量原理，由±1 組成的哈達瑪H矩陣構成最佳天平稱重矩陣，而由0，1 組成的S矩陣構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為目標數據，S為組合測量矩陣，y為測量數據，測量數據的維度與目標數據維度相同，e為單次測量時的誤差。這是對正定方程組進行求解。該技術主要利用多路復用測量原理，通過對多個待測目標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境下的光譜成像。

與基于DMD 的空間維編碼光譜成像系統相比，基于DMD 的光譜維編碼光譜成像系統在光學系統上更加復雜，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。隨著編碼次數的增加，實時性變弱。不過，基于DMD 的光譜維編碼光譜成像系統的圖像重構算法比較簡單。

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 與照明系統集成為DLP（Digital Light Processing），如圖5（a）所示，依次按列照明目標。被照亮的目標區域將光反射進入后續物鏡和分光系統中，最終探測器得到每一列的光譜數據立方體，通過數據處理可以獲得目標的完整三維數據立方體。這種推掃方式多用于微觀目標，如顯微光譜成像領域。

圖5 兩種基于DMD 的推掃式光譜成像系統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，目標經物鏡一次成像在DMD微鏡表面，如圖5（b）所示。DMD 逐列進行掃描，依次將目標圖像反射到后續分光光路中，每一列圖像經過分光光路色散，由探測器捕獲到每一列的光譜數據。完成掃描后，將獲得整個目標的光譜數據立方體。

推掃式光譜成像系統除了具有光學系統進行成像、準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，實際使用時應根據需要擇優選取。

基于DMD 的推掃式光譜成像系統的優勢在于系統結構簡單，不需要復雜的光譜標定和輻射標定過程，也不需要復雜的圖像處理算法，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的缺點也比較明顯，即按列掃描的方式導致系統單次曝光的光通量小。當目標光強較弱時，需要延長曝光時間以增強光信號，這可能會增加系統的采集時間。

3 發展進程

3.1 基于DMD 的編碼孔徑光譜成像系統

由于DMD 具有優良的空間光調制特性，1995 年佛羅里達大學化學系的Wagner II 使用最早版本的數字微鏡光調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瑪變換掩膜版，隨著DMD 產品的逐漸成熟，DMD 開始應用于哈達瑪變換光譜儀領域［26-33］。DMD 不僅推動了哈達瑪變換光譜儀的發展，也促進了編碼孔徑光譜成像技術的發展。

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

2001 年，美國的Sandia 國家實驗室首次提出將DMD 應用于光譜成像［38］，他們采用雙Offner結構，將DMD 放置在第一塊光柵的色散平面上，完成光譜維哈達瑪變換編碼，經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據。2002 年，他們又提出了一種新型簡化版的色散光譜成像系統［39］，其結構與圖5（b）推掃式光譜成像系統相似。

深耕哈達瑪變換光譜成像領域數十年的堪薩斯州立大學的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，喬治梅森大學的Christensen 提出了一種主動眼技術［41］，這是一種用于高動態范圍高光譜成像的自適應逐像素圖像分割傳感器架構，如圖6（a）所示。該架構包含兩個光學支路，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構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化了光學系統。2009 年，他們以此為基礎搭建了基于DMD的高光譜成像系統原型樣機并進行了測試［43］。2013 年，他們更深入地完善了系統，搭建了紅外波段的自適應光譜成像儀，并對系統進行更深入的測試，測試目標包含特定環境中的一些氣體［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，中國科學院西安光機所的孫鑫研究了基于DMD 的天基哈達瑪變換光譜成像探測技術［46］。2012 年，他更詳細地介紹了多路復用和哈達瑪變換光譜成像原理等［47］，并搭建了基于DMD 技術的哈達碼變換光譜成像儀，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瑪變換光譜成像儀［48］。在后續的幾年內，Graff和Love 持續進行這方面的研究，相繼提出了基于DMD 的全幀可編程光譜濾波器［49］、自適應光譜成像儀［50］以及面向實時化學檢測的光譜成像儀［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 大學的Takhar 等基于壓縮傳感原理，使用DMD 構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 在太赫茲成像領域的應用［54］。2011 年，美國特拉華大學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，如圖7（b）所示［55-57］，該系統將基于DMD 的光譜成像技術與壓縮傳感原理結合起來，進一步提高了采集速度。2014 年，清華大學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［58］，提升了壓縮重構算法的質量。2020 年，北京理工大學的許昌等提出了一種雙色自適應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據。

2016 年，中國科學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鍵技術［19］，并搭建了基于DMD 的編碼孔徑光譜成像儀樣機。2018 年，中國科學院深圳先進技術研究院的馬翠研究了基于DMD 的編碼光譜成像儀，并探究了哈達瑪變換、傅里葉變換和壓縮感知等多種編碼方式［61］。

經過數十年的蓬勃發展，基于DMD 的編碼孔徑光譜成像技術日趨成熟，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發展進程

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

2003 年，德國高技術研究所的Wuttig 等提出了一種基于自研MEMS 微鏡的靈敏哈達瑪變換光譜成像儀［62］。這種微鏡按列排布進行哈達瑪變換推掃，獲得光譜數據，不僅提高了信噪比，也提高了光通量。2007 年，歐洲聯合實驗室的Bednarkiewicz 等提出了一種基于數字微鏡的高光譜成像技術［63］，使用DMD 順序照亮樣本的不同區域，通過光譜相機獲得光譜成像數據，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，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，實現了可見光波段快速、穩健的推掃式光譜成像。2017 年，Hsu 等利用基于DMD 的DLP技術依次順序照亮樣本，實現樣本表面的推掃式顯微高光譜成像技術，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，如圖8（b）所示［65］，該系統通過DMD 按列偏轉實現高光譜成像。2021 年，我們繼續深入研究，提出了一種基于DMD 的空間分辨率和光譜分辨率可調的顯微高光譜成像系統，如圖8（c）所示［66］。

2020 年，新加坡國立大學的Yi 等提出了一種基于DMD 的推掃式哈達瑪變換高光譜成像技術，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 的雙通性質構建了兩個支路，其中一個支路是輔助成像系統，可以提前觀測正在成像的區域。

基于DMD 的推掃式光譜成像系統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的優勢。

4 DMD 引入的像差及解決方法

DMD 在光譜成像系統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 本身的結構引入的。由于DMD 微鏡陣列已經達到微米尺度，所以會產生衍射現象，會對成像質量造成一定的影響。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產生不良影響。

4.1 衍射像差及解決辦法

DMD 由數百萬個排列整齊的微鏡組成，這些微鏡所構成的微觀結構在光入射到DMD 表面上時會產生衍射現象。對于不同的應用場景，衍射的作用有利有弊，但在光譜成像領域，DMD 的衍射會降低像質，是有害的。

為消除或抑制DMD 的衍射，構建DMD 的衍射模型是必要的。關于DMD 的衍射模型，已經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系統設計之前找到最佳的系統參數，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 刻線數相同刻線數的兩個正交光柵來消除DMD 的二維衍射效應；另一種方法是使用一個DMD 消除另一個DMD 的衍射效應。第二種方法目前已經實現，Liu 等在2021 年使用兩個DMD 和4f系統搭建了編碼孔徑的寬光場成像系統，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為矩形像變形為平行四邊形像，同時由像面傾斜導致的部分離焦，導致部分區域成像模糊的現象。

像面傾斜的解決方法需要從光學系統設計層面入手。2020 年，中國科學院西安光機所的武鑫在研究基于DMD 的自適應分類光譜成像系統時［78］，針對DMD 和光柵引起的嚴重色差問題，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系統中色散光無法完全復合的問題。2020 年，長春理工大學的王月旗針對基于DMD 的編碼孔徑光譜成像光學系統，詳細分析了DMD 反射鏡與普通反射鏡的區別，以及DMD 在光學系統中引入的像面傾斜，如圖9（b）所示，提出必須根據沙姆原理將探測器表面傾斜相應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系［79］。2021 年，長春理工大學的趙雨時提出了一種用雙DMD Offner 系統消除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引入DMD 時像面傾斜的問題，如圖9（c）所示。2022 年，中國科學院西安光機所的楊瑩提出在光學系統設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，需要通過光學系統設計合理地解決該問題。

5 總結與展望

本文詳細介紹了基于DMD 的編碼孔徑和推掃式光譜成像技術的工作原理和發展進程，重點介紹了DMD 在不同系統中扮演的主要角色。DMD 作為一種反射式空間光調制器，其具備的像素級控光能力，既能夠獲得靈活的編碼調制模板，也可以構建快速推掃模式，能夠代替傳統光譜成像領域中的機械式掩膜版和機械狹縫，推動光譜成像系統的發展。除此之外，本文還針對DMD 自身結構帶來的對光譜成像造成負面影響的兩個關鍵性問題：衍射和像面傾斜，總結了這些問題的普適性解決辦法，有助于研究人員在使用DMD 的光譜成像領域乃至于其他相關應用領域改善成像質量、提升光學系統性能。綜上所述，基于DMD 的光譜成像技術具有靈活可調制的特點，已經發展出多種面向不同應用場景的光譜成像系統。歷經數十年，DMD 在光譜成像及其他領域依然具有廣闊的應用前景和發展潛力。

5.1 光學系統優化

由于DMD 本身存在衍射和像面傾斜問題，這可能會嚴重影響光譜成像質量。雖然DMD 作為一種成熟的微光機電系統已經得到了廣泛的應用，但在諸如ZEMAX，Lighttools 及Code V 等光學設計軟件中，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，這不利于光學系統設計。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系統設計方案，在設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構建和成像調試方面的效率將大大提高。

5.2 實時成像和數據處理

提高光譜成像系統的數據采集和處理效率以實現實時成像是一個重要的研究方向。基于DMD 的推掃式光譜成像系統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衡關系，但在盡量短的時間內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的采集效率，可以引入并行掃描等多路復用掃描方式。在基于DMD 的編碼孔徑光譜成像中，增加編碼次數獲得多張編碼圖像可以提高系統的空間和光譜分辨率。此外，結合深度學習創建智能解碼和圖像重構算法，可以提升數據處理效率。同時，在光譜數據立方體中存在許多的冗余信息，通過對目標光譜的選擇性處理和自適應成像來縮減數據量，也可以大大提高系統的采集和處理效率。

5.3 多模態成像

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，可以結合其他成像技術實現多模態成像。將基于DMD 的光譜成像與光學相干成像相結合，可以實現同時獲取目標結構和光譜信息的多模態成像。將DMD 的光譜成像與偏振成像相結合，可以同時獲得目標的偏振信息和光譜信息，為材料表征和生物醫學等領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相結合，從不同角度提供更豐富的圖像信息，進一步拓展多模態成像的應用領域。

5.4 小型化和集成化

隨著微納技術的進步，研究人員正致力于將DMD 芯片進一步微型化，以適應便攜設備和微型系統的需求。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備中嵌入，實現實時高速光譜成像。集成化是一個重要的發展方向。將DMD 與其他相關技術，如微型鏡頭、微型分光元器件、微型圖像傳感器等進行集成，以實現更全面和多功能的光譜成像系統。這種集成化的方法可以提高系統的性能和效率，同時減少設備的體積和功耗。DMD 技術的小型化和集成化還為微型系統的應用提供了更廣闊的空間。如在醫療領域，DMD 的小型化和集成化可以用于無創光譜成像，以幫助醫生進行疾病診斷和監測。