紧凑式多光谱成像系统设计和优化_罗朝.pdf

第 卷第期 年月光学技术 文章编号：（）紧凑式多光谱成像系统设计和优化罗朝，梁海锋，蔡长龙，张颖莉，焦新光（西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 ）摘要：针对快照式多光谱系统存在体积大、光路复杂的问题，从孔径分割多光谱成像系统模型出发，设计出由复合前置光学元件、阵列孔径光阑、微透镜阵列、阵列滤光片和图像传感器组成的紧凑式多光谱成像系统，总体尺寸优于 （）。利用阵列孔径光阑克服了垂轴色差大、视场小和光能利用率低的问题。系统在 波长范围内视场角 、焦距 、总长 、单通道 在 大于 、畸变小于 。与现有技术对比，该系统兼顾了像素分辨率、光谱分辨率和时间分辨率，实现了单通道 的像素分辨率和 的光谱分辨率。与计算重构成像系统相比，其直接成像的方式确保了系统的高时间分辨率；且具备小型化、轻量化和低成本的特点。关键词：快照式；微透镜阵列；阵列滤光片；手机光谱仪中图分类号：文献标识码：，（，）：，（），：；引言多光谱系统将光谱和成像结合起来，获取探测目标的二维空间信息（，）和光谱信息（），构建三维（）数据立方体（，），。通过将空间与光谱信息的融合，实现了对场景目标识别、监测和跟收稿日期：；收到修改稿日期：基金项目：陕西省重点研发计划（产业创新链项目）（）作者简介：罗朝（），男，硕士研究生，从事快照式多光谱光学设计研究。梁海锋（），男，教授，博士，从事功能薄膜器件及光学检测研究。通讯作者：DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2023.02.003踪的功能，被广泛应用于医学研究、地质勘探、环境监测、国防军事和灾害预警等多个领域。目前，主流多光谱系统可分为扫描式和快照式。扫描式对于场景目标光谱信息的获取通过不同光谱色散系统，分为窄带滤光片型、可调谐窄带滤光片型、阵列式滤光器、色散型光谱仪和干涉型成像光谱仪等；其中核心光谱色散器件包含了声光可调谐滤波器、液晶双折射、法布里珀罗可调谐滤波器、干涉式滤光片、线性渐变滤光片、棱镜和光栅等，。这类多光谱系统可以获取极高的光谱分辨率以及像素分辨率，但是损失了时间分辨率，不能适应制导、测绘遥感、临床影像诊断等实时性要求高的应用场景。与扫描式多光谱系统相比，快照式多光谱系统无需扫描，能在一次曝光时间周期内获取完整的三维数据立方体；且能适应快速移动场景，解决因扫描与相机同步造成光学系统检测延迟等问题。目前为止，针对不同的应用场景，研制了不同类型的快照式多光谱系统，包含图像映射光谱仪（，），、积分视场光谱仪（，）、编码孔径快照光谱仪（，）、快 照 高 光 谱 傅 里 叶 变 换 光 谱 仪（，）、计算机层析成像光谱仪（，）、以及图像复分成像光谱仪（，）。其 中、和 是直接成像类型的多光谱系统，分别采用切割镜、光纤阵列和针孔阵列来分割光路，通过计算重构实现光谱成像，重构算法简单、计算量少。相比之下，计算成像光谱系统 、和 依靠迭代重建算法来重构三维数据立方体，光谱系统结构简单，但是通常会损失时间分辨率。在参考文献 中详细综述了目前该类多光谱系统的进展和技术对比，指出目前的系统主要存在着光路复杂、系统尺寸庞大、像素分辨率和光谱分辨率之间相互制约的缺点。所以开发小型化，兼顾空间、光谱和时间分辨率的多光谱系统，才能满足安防、物候观测、目标识别和跟踪、反恐与安全等要求实时性的应用场景。本文提出紧凑式多光谱成像系统，开展由复合前置光学元件、阵列孔径光阑、微透镜阵列、阵列滤光片和图像传感器组成的紧凑式多光谱成像系统，兼顾了像素、光谱和时间分辨率。设计的系统在 波长范围内视场角 、焦距 、总长 、单通道 在 大于 、畸变小于 。满足了微型无人机、智能手机端、安防、指纹识别等应用领域对小型化快照式多光谱成像的迫切需求。工作原理和结构参数优选 工作原理本文提出如图所示的紧凑式多光谱成像系统原理图，由复合前置光学元件、阵列孔径光阑、微透镜阵列、阵列滤光片和图像传感器组成的光学系统。每个通道检测场景目标的特定光谱带宽及其各自的微透镜成像相同的视场，呈现出同一场景的一系列图像被捕获，而各个图像因光谱内容不同而彼此不同。具体而言，物体携带二维场景信息和一维光谱信息的三维数据立方体。首先，通过前置光学元件和孔径光阑阵列；其次，利用微透镜阵列对得到的图像信息进行二维空间采样，形成子图像阵列；然后，子图像阵列经阵列滤光片得到光谱信息；最后，经图像传感器重构得到三维数据立方体。图（）为光学系统从孔径光阑阵列到图像传感器的局部成像示意图，孔径光阑阵列位于前置光学元件的出瞳也是微透镜阵列的入瞳处，该光学组件的使用代替了以往快照式多光谱系统所使用的挡板阵列或阵列视场光阑，使系统的结构更加简单和紧凑。图紧凑式多光谱成像系统设计原理图 主要器件选型和设计目标参数根据 节 工 作 原 理 和 应 用 需 求 选 择 索 尼 芯片其参数如表所示，不仅能够兼顾像素分辨率和光谱分辨率，而且作为硅基 在本文所设计波段都有很好的响应，其响应曲线图所示；目前商用的彩色 表面存在拜尔滤色镜，造成能量损失，后期搭建样机中采用激光刻蚀方法去除滤光层。又因为光谱分辨率和像素分辨率是相互制约的关系，通道数决定了光谱分辨率，单通道的成像尺寸决定了像素分辨率；因此，将芯片的有效成像面划分的通道，单通道成像面 。为了匹配目前主流手机的光谱范围，兼顾核心器件的制造工艺，所以波长取 。光学技术第 卷根据通道数（），则光谱分辨率为 。其阵列滤光片几何排布如图所示，显示了 通道阵列滤光片的几何图案，每个方块中的数字表示通过相应滤波器的中心波长。表 基本参数指标芯片型号有效像素单元像素尺寸 （）（）图硅基 不同波长响应曲线图 通道阵列滤光片排布光学部件设计 设计仿真紧凑式多光谱成像系统，每个子成像系统由前置光学元件、子孔径光阑、子微透镜阵列和子阵列滤光片组成。对于这样的双光组系统，则系统焦距表示为（）式中，、分别为前置光学元件和微透镜阵列的焦距；为前置光学元件到微透镜阵列的间距；是系统总焦距。若 总长为，宽为，微透镜阵列长边有个透镜，宽边有个透镜。透镜之间按照矩形分布，要使 成像面利用率最大化，则微透镜阵列排布的长宽比应等于 的长宽比表示为（）式中，为 物 高；为 系 统 放 大 率；为 单 通 道 成像面宽度。根据图（）阵列孔径光阑到图像传感器局部成像示意图，则微透镜阵列入瞳与视场角关系如图所示。设为单个微透镜的入瞳直径，为单个微透镜的直径，为光阑到透镜的距离，为视场角，为光阑到 的距离，则视场角表示为 （）则入瞳直径表示为 （）图微透镜阵列入瞳与视场角的关系图根据式（）和（），可以计算出微透镜阵列焦距、视场角和入瞳直径之间的关系。当像高 等于单通道 成像面宽度时为最大成像尺寸，若超过最大像高相邻通道就会发生光谱串扰和图像重叠，所以像高最大取 。对于应用需求，孔径光阑到 的长度要求小于，所以取物距（），和 进行近轴光学系统参数模拟，仿真结果如图所示。图微透镜阵列焦距、视场角和入瞳直径在不同物距下的关系图图的仿真结果为单通道微透镜阵列初始结构建立提供原始模型，使其在大视场条件下找到系统合理的 数。如果 数较大，则光学像差可以忽略，且不影响成像性能，但是会造成像面照度低和光通量小的缺点；如果 数较小，则系统提供了更高的光灵敏度。然而，它会受到更大的像差影响，从而降低成像性能。单通道优化设计单通道设计参数包括孔径、透镜曲率半径、玻璃基片厚度、滤光片厚度和微透镜阵列间距等。调制传递函数（，）是用来形容光学系统成像质量的重要指标。通过对光学系统像空间进行傅里叶变换，来描述像面上对比度和空间频率之间的对应关系。由 节器件选第期罗朝，等：紧凑式多光谱成像系统设计和优化型的结果可计算出该图像传感器的奈奎斯特频率为 ，而光学系统的截止频率由和中心波长所决定。由于不同通道中心波长不一样，所以对应截止频率不同。根据香农定理，大于奈奎斯特采样频率的信号将发生混叠无法探测。目前 主要受到单通道光学系统的制约，因为单个孔径光阑相对阵列孔径光阑变小。对于单通道 计算采用最大波长 和表微透镜阵列设计参数，像方 计算截止频率为 。但整个系统而言工作 截止频率为 ，所以取截止频率 ，用于量化成像性能，同时保持 。优化的微透镜阵列设计参数如表所示，每个通道提供 的像素分辨率，与参考文献 和 的相当，优于参考文献 、和 。图为微透镜阵列光路图，其中虚线框是单通道系统成像光路图，其余通道利用偏心和多重结构实现。不同通道 如图所示，不同通道相对于光轴形成偏心，轴上点变成轴外点，引入了轴外像散、彗差和色差，造成各个通道中频 发生弯曲和高频 对比度下降。表微透镜阵列设计参数参数规格单通道入瞳直径 孔径光阑阵列 焦距 总长 波长范围 视场角（）单元尺寸 曲率半径 厚度 单通道像面尺寸 材料 图微透镜阵列光路图基于以上设计，单通道光学系统由于偏心所引入的像差无法平衡，导致系统成像质量下降，而且直图不同通道 曲线接分孔径系统存在视差，所以提出前端加入前置光学元件增加优化自由度均衡系统像差。光学系统总体设计和优化复合前置光学元件采用 光学现有的三胶 合 镜 片，材 料 为 、和 的 组 合，焦 距 为 ，入 瞳 直 径 ，后截距 ，像高 。首先，对其进行翻转；然后插入微透镜阵列成像系统中，遵循光瞳匹配原则。最终优化的紧凑式多光谱成像系统参数如表所示，系 统 尺 寸 和 总 长 远 小 于 参 考 文 献 ，并且视场角是优于参考文献 、和 ，与参考文献 设计的快照式成像系统视场角相当。图（）给出了紧凑式多光谱成像系统整体设计布局及光线追记示意图；图（）给出表多孔径快照式光学系统参数参数规格入瞳直径 焦距 总长 波长范围 物高 物距 光阑阵列单通道尺寸 厚度 了场景目标图，图（）为经过光学系统成像效果图。由于光线经过阵列孔径光阑造成边缘通道像面照度不均或软件光线追记不足，导致边缘通道像面缺失。最终像面呈现 幅相同场景目标，但带有不同光谱信息。系统通过加入前置光学元件，不断优化其位置，最终优化结果如图 所示为系统不同谱段 图，各个通道的 是优于图，并且都大于 ；光学技术第 卷图紧凑式多光谱成像系统设计图图紧凑式多光谱不同谱段 图可以看出前置光学元件的引入，平衡了因为离轴而造成的轴外像差，提高了光学系统的成像质量，满足了系统的设计要求。光学畸变是使图像平面变形的一种像差。通过调整系统复合前置光学元件相对于阵列孔径光阑和微透镜阵列的位置，将光学畸变限制在较低的水平。如图（）和（）所示，系统的光学畸变控制在小于 的范围内。其次对于单通道来说，由于阵列滤光片的存在是单色光成像，但是需要对不同谱段的图像进行配准和色差会导致各通道焦距不同，所以需要完整消色差。优化结果如图（）和（），色差限制在 左右，是小于像元尺寸。杂散光分析杂散光会降低紧凑式多光谱成像系统的图像分辨率和光谱分辨率，在 表面形成杂光斑点完全淹没目标信号。其主要是由于视场内的光线在正常光路传递之外，在镜片表面或者内部产生非正常传递，比如多次反射、折射、表面散射所形成的光路到达探测器表面 。对于本系统，采用 软件建模，在软件中建立 散射模型，定义每一个材料表面属性；并设计匹配的机械结构，对其表面进行氧化发黑处理。图 紧凑式多光谱不同谱段色差和畸变图（）为整个系统的三维建模，其杂散光线在系统内部发生了多次反射和折射；采用不断优化镜组结构和调整阵列孔径光阑的方法，最后通过大量光线追迹各个视场的光线路径，得到图（）；图（）所示为像面照度图，其仿真结果表明满足消除杂散光要求。图 杂散光分析模型结构方案和技术参数对比 结构方案对比表对比了具有代表性的快照式多光谱成像系统结构。与参考文献 和 中采用二次成像方案相比，我们的系统光路更加的简单高效，无需加入中继透镜，因此可以实现更高的紧凑性。此外，类似的多光谱成像系统如参考文献 依赖于大型图像传感器和使用吸光挡板来避免通道间串扰，但是降低了光通量效率；并且使用线性渐变滤光片来获取光谱信息，会造成每个通道垂直于滤光片的变化方向将检测到相同的光谱信息。为此，采用前置光学元件、阵列孔径光阑、微透镜阵列、阵列滤光片和小型图像传感器的系统组成，实现了波长范围内的光谱均匀采样和低成本。第期罗朝，等：紧凑式多光谱成像系统设计和优化表快照式多光谱光学系统组成对比成像方式系统组成图像传感器参考文献二次成像物镜、视场光阑、准直透镜、孔径阵列、透镜阵列、连续可变滤波器 二次成像前置光学系统、中继透镜、成像传感器 一次成像线性可变滤波器、微透镜阵列、挡板阵列 二次成像物镜、视场光阑、集成多通道透镜 一次成像透镜、线性可变滤光片、焦平面阵列 二次成像主镜、线性可变滤波器、微透镜阵列 像方远心前组透镜、后组透镜、窄带滤波器、一次成像主镜、孔径光阑阵列、微透镜阵列、阵列滤光片本文 技术参数对比表和表给出了所研制的紧凑式多光谱成像系统的技术指标和文献报道的快照式多光谱成像系统的对比情况，从表中可以看出，目前所报道的光谱成像系统最小尺寸均远远超过手机嵌入式的基本尺寸要求。另外从硬件上获得了 的光谱分辨率和 的像素分辨率，优于其他文献报道的光谱分辨率，略小于参考文献 中的光谱分辨表快照式多光谱成像技术对比名称分割方法分光方式光谱分辨率 像素分辨率多孔径快照成像孔径分割线性渐变滤光片 芯片集成图像分割多通道窄带滤光片 图像分割线性渐变滤光片 光谱编码快照成像图像分割线性渐变滤光片微型快照多光谱成像孔径分割多通道窄带滤光片 像素滤波阵列快照成像图像分割线性渐变滤光片 孔径分割多通道窄带滤光片 紧凑式多光谱成像孔径分割多通道窄带滤光片 率，经过后续的超光谱算法，有望实现更高的光谱分辨率。然而现阶段均处于实验室研究，光谱范围也受限于核心器件的制造工艺，所以下一步研究重点是扩宽光谱范围满足更多的应用场景和产品样机落地更加复合实际工程应用。表快照式多光谱成像参数对比名称时间分辨率整体尺寸 （）参考文献多孔径快照成像 芯片同步 芯片集成计算重构 计算重构 光谱编码快照成像计算重构 微型快照多光谱计算重构 像素滤波阵列快照成像 芯片同步 计算重构 紧凑式多光谱成像 芯片同步 本文结论通过采用紧凑式多光谱成像系统光学结构，解决了目前快照式多光谱成像系统视场小、结构复杂、体积大、算法复杂和实时化难度高的问题。设计出的紧凑式多光谱成像系统，具备在可见光区域（）对 个光谱通道进行快照采集，提供约 的视场角，光谱分辨率达到 ，每个通道约 像素分辨率，而且可以获得单独的光谱图像和相同的空间信息；和现有的快照式光谱成像系统相比，具有视场大、结构简单、体积小、时间分辨率高、低成本的特点，满足多种操作和任务需求的优点。有望应用于安防、蔬菜水果新鲜度检测、农药残留检测、抗生素检测、指纹识别和新一代手机嵌入式光谱成像系统，解决手机端无法获取成像光谱信息的行业痛点。参考文献：于磊 成像光谱仪的发展与应用（特邀）红外与激光工程，（）：（），（）：高泽东，高洪兴，朱院院，等快照式光谱成像技术综述光学精密工程，（）：，（）：，（）：光学技术第 卷王爽，曾海山实时拉曼光谱分析技术及其在临床早期癌症检测中的应用中国激光，（）：，（）：高振，赵春江，杨桂燕，等典型拉曼光谱技术及其在农业检测中应用研究进展智慧农业，（）：，（）：魏西会，苏艳光谱法在环境监测领域的应用研究仪器仪表与分析监测，（）：，（）：，（）：，：，：，（），（）：，（），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：裘溯，薛家安，王霞，等大视场紧凑型仿生复眼成像系统研究导航定位与授时，（）：，（）：李芸 紧凑型分孔径快照式光谱成像系统研究 西安：中国科学院大学，：，马培培，刘扬阳，吕群波，等紧凑型图像复分光谱成像系统光学设计及优化光子学报，（）：，（）：史海军，叶红波基于 图像传感器的彩色滤镜和微透镜工艺研究集成电路应用，（）：，（）：，（），（）：，（），（）：，（）：，（）；（）；（），：，（）：，（）；（）；（），：，（）：，（）：徐泽明天基空间目标探测系统杂散光抑制与处理技术研究 长春：中国科学院大学，：，徐亮 大口径光学系统杂散光测试关键技术研究 西安：中国科学院大学，：，邢振冲灵巧型长焦多波段共口径光学系统的研究长春：中国科学院大学，：，张腾飞水色成像光谱仪杂散光特性分析及校正方法研究上海：中国科学院研究生院，：，（）：，（）：，（）：第期罗朝，等：紧凑式多光谱成像系统设计和优化