基于微透鏡陣列的快照式高光譜成像儀研制

薛慶生，白皓軒，魯鳳芹，楊敬堯，李輝

（中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)部 物理與光電工程學(xué)院， 青島 266100）

0 引言

隨著高光譜成像技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已從航空遙感領(lǐng)域拓展至食品安全、醫(yī)療、礦物勘探等多個(gè)民用領(lǐng)域［1-3］中。通過對(duì)不同種類目標(biāo)物的光譜成像，可以獲得目標(biāo)物的空間光譜信息三維立方體［4］。配合后續(xù)光譜數(shù)據(jù)處理算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中如病灶區(qū)域、特定礦物、病蟲害植株識(shí)別的功能，為多個(gè)領(lǐng)域提供了一種高效的探測(cè)手段。然而目前主流的高光譜成像技術(shù)多采用線掃描式光譜成像方案，通過掃描機(jī)構(gòu)攜帶成像光譜儀掃描目標(biāo)物，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的掃描光譜成像。該類技術(shù)方案雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)較高空間分辨率及較高光譜分辨率信息的獲取，但是其線掃描光譜成像的特點(diǎn)，使其犧牲了時(shí)間分辨率，導(dǎo)致該類技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)及短時(shí)過程的光譜成像探測(cè)。同時(shí)，由于該類高光譜成像系統(tǒng)對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的需求，使得系統(tǒng)通常體積較大，且對(duì)推掃機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性要求較為嚴(yán)格，推掃機(jī)構(gòu)的輕微抖動(dòng)即有可能導(dǎo)致最終獲取的光譜圖像的失真。由于上述缺陷，目前高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，快照式高光譜成像技術(shù)迅速發(fā)展，為解決上述問題提供了可行的技術(shù)方案。其中基于微透鏡陣列的快照式光譜成像系統(tǒng)，通過微透鏡陣列分割物鏡像面，并對(duì)分割后的像面各部分分別進(jìn)行色散成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的快照式光譜成像。該類技術(shù)無需復(fù)雜算法運(yùn)算，裝調(diào)難度小，為進(jìn)行快照式高光譜成像探測(cè)提供了一種的新的可行技術(shù)方案［5］。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)線掃描式光譜成像技術(shù)的缺陷，進(jìn)一步提升光譜成像技術(shù)的探測(cè)效率，擴(kuò)大光譜成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，本文開展基于微透鏡陣列的快照式高光譜成像儀研制工作。

1 微透鏡陣列快照式高光譜成像系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)光譜成像原理

基于微透鏡陣列的快照式光譜成像系統(tǒng)主要包括物鏡、微透鏡陣列、光譜成像系統(tǒng)及探測(cè)器四部分［6-11］。物鏡用于收集目標(biāo)探測(cè)區(qū)域的光信息。微透鏡陣列放置于物鏡的焦面處，將焦面不同區(qū)域再次會(huì)聚為像點(diǎn)。光譜成像系統(tǒng)承接微透鏡陣列匯聚的像點(diǎn)陣列，并對(duì)其進(jìn)行色散成像。色散成像結(jié)果由探測(cè)器靶面承接并捕獲。系統(tǒng)組成及成像原理如圖1。圖1（a）為物鏡獲取的目標(biāo)物圖像，該圖像經(jīng)微透鏡陣列再次成像后變?yōu)槿鐖D1（b）所示的像點(diǎn)陣列，像點(diǎn)陣列經(jīng)光譜成像系統(tǒng)色散后如圖1（c）。其中，考慮像面照度的均勻性并保證微透鏡陣列各子透鏡光線匯聚情況的一致性，物鏡需具備像方遠(yuǎn)心特征。此時(shí)，物鏡出瞳位于無窮遠(yuǎn)處，則微透鏡陣列相當(dāng)于對(duì)物鏡的出瞳成像，像方光線孔徑角即為微透鏡視場(chǎng)角。

圖1 基于微透鏡陣列的光譜成像系統(tǒng)組成及原理示意Fig.1 The structure and principle of the snapshot spectral imager based on microlens array

1.2 系統(tǒng)物鏡設(shè)計(jì)

基于微透鏡陣列的快照式光譜成像系統(tǒng)中，微透鏡陣列作為系統(tǒng)的核心元件，替代了傳統(tǒng)推掃式光譜成像系統(tǒng)中的狹縫，微透鏡陣列所成的像大小對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)推掃式光譜成像系統(tǒng)中的狹縫寬度，在較大程度上影響了系統(tǒng)的光譜分辨率。微透鏡陣列位于物鏡像面成像時(shí)的幾何光學(xué)原理示意如圖2，圖中u為物鏡像方光線孔徑角，fML為微透鏡焦距，y′為微透鏡所成像的大小，微透鏡陣列在對(duì)像方遠(yuǎn)心物鏡出瞳成像時(shí)，對(duì)于微透鏡陣列的透鏡單元而言物鏡系統(tǒng)的孔徑角即為微透鏡的視場(chǎng)角。根據(jù)幾何光學(xué)可知，在微透鏡陣列單元焦距一定的情況下，微透鏡的視場(chǎng)越大，微透鏡所成像的尺寸越大。即物鏡系統(tǒng)的F數(shù)越小，微透鏡陣列所成的出瞳的像越大，系統(tǒng)的光譜分辨率越低，因此基于微透鏡陣列的光譜成像系統(tǒng)中，物鏡在具備像方遠(yuǎn)心特征時(shí)，還需具備較大的F數(shù)。如圖2，微透鏡在成像時(shí)相當(dāng)于將一部分物面進(jìn)行了會(huì)聚，必然會(huì)導(dǎo)致最終獲取圖像的空間分辨率損失。若微透鏡陣列光譜成像系統(tǒng)在讀取數(shù)據(jù)時(shí)將單個(gè)微透鏡所成的像作為最終獲取圖像中的單個(gè)像素，則其空間分辨率主要取決于微透鏡尺寸，經(jīng)過微透鏡陣列后的像的空間分辨率可近似表示為：

圖2 微透鏡在物鏡像面成像時(shí)的幾何光學(xué)原理示意Fig.2 Schematic diagram of geometrical optical principle of microlens imaging on the image plane of objective lens

式中，f為物鏡焦距，D為微透鏡口徑大小，l為物距。

根據(jù)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)信噪比計(jì)算式（2）、（3），信噪比主要與信號(hào)電子數(shù)Se、暗電流電子數(shù)ndark及讀出噪聲有關(guān)，其中在正常光照環(huán)境探測(cè)情況下讀出噪聲及暗電流電子數(shù)與信號(hào)電子數(shù)相比較小，信噪比主要取決于信號(hào)電子數(shù)大小。在到達(dá)系統(tǒng)入瞳處輻亮度Lλ、量子效率η，光學(xué)系統(tǒng)透過率to，積分時(shí)間tint等條件一定的情況下，信噪比（Signal to Noise Ratio， SNR）主要與系統(tǒng)的F數(shù)、探測(cè)器單個(gè)像元面積Ad相關(guān)［12］。對(duì)于微透鏡陣列高光譜成像系統(tǒng)而言，微透鏡陣列的引入相當(dāng)于對(duì)物鏡像面進(jìn)行了合并。根據(jù)圖2 中幾何光學(xué)原理，隨著物鏡F數(shù)的增大，微透鏡陣列所成光斑越小，即雖然物鏡整體從外界探測(cè)得到的光能量減小，但能量更加集中在一片區(qū)域上。在光譜成像系統(tǒng)垂軸放大倍率為-1×的情況下，在物鏡后方加入微透鏡陣列后，探測(cè)器上單個(gè)像元面積Ad實(shí)際對(duì)應(yīng)大小為Ao的未加入微透鏡陣列時(shí)的物鏡像面面積，則加入微透鏡陣列后單個(gè)像元探測(cè)信號(hào)電子數(shù)計(jì)算方法可由式（2）變?yōu)槭剑?）。由式（4）～（6）可推得式（7），其中FM為微透鏡陣列中透鏡子單元的F數(shù)，F(xiàn)O為物鏡的F數(shù)。則由式（7）可知微透鏡陣列光譜成像系統(tǒng)探測(cè)的信號(hào)信噪比主要和微透鏡的F數(shù)有關(guān)。

在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先選取微透鏡陣列及探測(cè)器，并根據(jù)其參數(shù)進(jìn)行了后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。為獲取較高的光譜分辨率，選取的微透鏡應(yīng)具備較小的焦距以獲取較小的出瞳像。為獲取較高的單色圖像空間分辨率，選取的微透鏡陣列需具備較小的單元間距。最終選取的微透鏡陣列微透鏡中心間距為100 μm，微透鏡焦距為0.5 mm，微透鏡單元個(gè)數(shù)為100×100。選取探測(cè)器像元個(gè)數(shù)為2 048×2 048，探測(cè)器靶面大小11.264 mm×11.264 mm。

考慮到應(yīng)用范圍、微透鏡陣列間距、探測(cè)器量子效率及色散后所成的像的排布等問題，系統(tǒng)探測(cè)波段確定為500～700 nm。為探測(cè)更大目標(biāo)區(qū)域，物鏡焦距大小確定為25 mm，物鏡成像距離為1 m。探測(cè)器、微透鏡陣列及物鏡參數(shù)如表1。根據(jù)微透鏡陣列對(duì)角線尺寸及物鏡焦距，根據(jù)幾何光學(xué)可計(jì)算得到物鏡的半視場(chǎng)角為18°?？紤]系統(tǒng)的信噪比及光譜分辨率需求，單個(gè)微透鏡所成的像擬在15 μm 左右，根據(jù)微透鏡陣列焦距可計(jì)算得到物鏡F數(shù)為34。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為確保系統(tǒng)光譜分辨率，并綜合考慮像差及加工誤差等因素，物鏡的F數(shù)確定為60。物鏡具備像方遠(yuǎn)心特征。為保證后續(xù)色散成像效果，物鏡畸變小于1%。

表1 探測(cè)器、微透鏡陣列及物鏡參數(shù)Table 1 Parameters and values of the detector， microlens array and the objective lens

為方便后續(xù)系統(tǒng)整體的裝配，為微透鏡陣列安裝留出空間，物鏡需具備較大的后截距。根據(jù)物鏡技術(shù)參數(shù)需求，物鏡整體采用反遠(yuǎn)距型光組結(jié)構(gòu)，物鏡前組為負(fù)光焦度，后組為正光焦度。使用ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)物鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)、優(yōu)化。通過分裂透鏡復(fù)雜結(jié)構(gòu)、彎曲透鏡分配光焦度等方法對(duì)物鏡系統(tǒng)進(jìn)行整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3～圖6。圖3 中從左第一面起，光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。玻璃選用成都光明玻璃，便于采購(gòu)加工。

表2 物鏡設(shè)計(jì)結(jié)果具體參數(shù)Table 2 Design result of the objective lens

圖3 物鏡二維結(jié)構(gòu)示意Fig.3 2D structure of the objective lens

圖4 物鏡點(diǎn)列圖Fig.4 The spot diagram of the objective lens

圖5 物鏡MTF 曲線Fig.5 The MTF curve of the objective lens

圖6 物鏡畸變示意Fig.6 The distortion of the objective lens

根據(jù)物鏡設(shè)計(jì)結(jié)果，在物鏡后方加入微透鏡陣列，加入微透鏡陣列后的整體結(jié)構(gòu)如圖7。通過ZEMAX軟件自帶的圖像模擬仿真功能對(duì)微透鏡陣列后方的成像情況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖8。

圖7 物鏡連接微透鏡陣列后結(jié)構(gòu)及成像情況示意Fig.7 The structure and imaging statue of the objective lens and microlens

圖8 微透鏡陣列前后圖像示意Fig.8 The image before and after the microlens array

1.3 光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微透鏡陣列F數(shù)為5，為承接微透鏡陣列匯聚光束，光譜成像系統(tǒng)的F數(shù)確定為5。根據(jù)微透鏡陣列整體尺寸，光譜成像系統(tǒng)視場(chǎng)X、Y方向物高均確定為5.5 mm，波段范圍為500～700 nm。由于微透鏡陣列排布較為緊密，留給微透鏡陣列各單元的色散空間較小?？紤]到光學(xué)設(shè)計(jì)難度，光譜成像系統(tǒng)準(zhǔn)直鏡組及成像鏡組焦距確定為50 mm 左右，則系統(tǒng)所需色散元件的色散本領(lǐng)適中?？紤]到小線對(duì)光柵采購(gòu)較為困難及光柵衍射導(dǎo)致系統(tǒng)能量的損耗，選用棱鏡作為系統(tǒng)的色散元件較為合適。雙阿米西棱鏡具備直視型色散能力，即某一波段范圍內(nèi)的光線經(jīng)棱鏡色散后其傳播方向改變較小，能夠保證系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)幾何光學(xué)理論計(jì)算得到的雙阿米西棱鏡參數(shù)及材料如圖9（a）。其中雙阿米西棱鏡左右對(duì)稱，光譜成像系統(tǒng)準(zhǔn)直鏡組及成像鏡組采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效消除垂軸像差的同時(shí)，使系統(tǒng)整體的加工裝調(diào)更為簡(jiǎn)便。光譜儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖9（b）。探測(cè)器2×2 像元合并使用前提下，系統(tǒng)MTF 曲線顯示截止頻率為45 lp/mm，光譜成像系統(tǒng)各波段MTF 曲線及像面光跡圖分別如圖10、圖11。準(zhǔn)直鏡組及成像鏡組的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3。

表3 光譜成像系統(tǒng)準(zhǔn)直鏡組及成像鏡組設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Design result of the collimating lens and imaging lens

圖9 雙阿米西棱鏡及光譜成像系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)示意Fig.9 The 2D structure of the double amici prism and imaging spectrometer

圖10 光譜成像系統(tǒng)各波段MTF 曲線Fig.10 The MTF curve of the imaging spectrometer at different wavelengths

圖11 光譜成像系統(tǒng)光跡Fig.11 The footprint of the imaging spectrometer

將物鏡及光譜成像系統(tǒng)連接后，若不旋轉(zhuǎn)微透鏡陣列，則由于微透鏡陣列間距較小，不同微透鏡所成像點(diǎn)經(jīng)色散后的像會(huì)混疊在一起，混疊情況如圖12（b），該混疊導(dǎo)致無法從獲取的圖像中提取目標(biāo)物真實(shí)的光譜圖像信息。因此在設(shè)計(jì)階段旋轉(zhuǎn)微透鏡陣列，通過ZEMAX 軟件的幾何位圖分析功能，對(duì)系統(tǒng)成像情況進(jìn)行仿真，以保證系統(tǒng)在當(dāng)前設(shè)計(jì)情形下不會(huì)出現(xiàn)光譜信息的混疊。仿真結(jié)果如圖13。微透鏡陣列所成的出瞳的像經(jīng)光譜成像系統(tǒng)成像后按照波長(zhǎng)分立開，不同微透鏡像點(diǎn)色散成像結(jié)果未發(fā)生混疊。

圖12 不同微透鏡所產(chǎn)生的光譜混疊示意Fig.12 The overlap of the spectrum generated by different microlens

圖13 系統(tǒng)仿真圖像Fig.13 Simulation result of the whole system

2 快照式高光譜成像系統(tǒng)搭建及定標(biāo)研究

2.1 快照式光譜成像系統(tǒng)搭建

為進(jìn)一步研究基于微透鏡陣列的快照式光譜成像系統(tǒng)的成像效果，根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果開展快照式光譜成像系統(tǒng)搭建工作。根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，光譜儀成像鏡組及準(zhǔn)直鏡組焦距約為53.2 mm，選取兩個(gè)同一型號(hào)的焦距為55 mm（Computar Tec-55）的遠(yuǎn)心鏡頭，調(diào)整兩個(gè)遠(yuǎn)心鏡頭對(duì)無窮遠(yuǎn)處成像作為光譜成像系統(tǒng)的準(zhǔn)直及成像鏡組。棱鏡根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行加工，實(shí)際加工元件如圖14（a）。根據(jù)物鏡像方遠(yuǎn)心及大F數(shù)要求，同樣選取焦距為55 mm 的遠(yuǎn)心鏡頭作為物鏡。較設(shè)計(jì)結(jié)果中的25 mm 物鏡而言，該物鏡雖探測(cè)視場(chǎng)角變小，但其空間分辨率更高且像面能覆蓋較大部分微透鏡陣列。調(diào)整物鏡F數(shù)至60 左右，并在物鏡后方放置微透鏡陣列，微透鏡陣列實(shí)物如圖14（b）。根據(jù)系統(tǒng)探測(cè)范圍，選取一帶通范圍為400～700 nm 的帶通濾光片配合一500 nm 長(zhǎng)波通濾光片進(jìn)行濾光。搭建的整體光路如圖15。

圖14 關(guān)鍵元器件實(shí)物Fig.14 The key components of the whole system

圖15 快照式光譜成像系統(tǒng)光路Fig.15 The structure of the snapshot hyperspectral imager based on microlens array

在搭建系統(tǒng)時(shí)，首先移除物鏡及棱鏡，采用單色光源照射微透鏡陣列，調(diào)整準(zhǔn)直鏡組、成像鏡組及微透鏡陣列位置，使微透鏡陣列所成的像很好地匯聚，在探測(cè)器上形成匯聚好的像點(diǎn)陣列。之后在微透鏡陣列前方放置物鏡，使用標(biāo)準(zhǔn)反射率白板作為目標(biāo)物，使用兩個(gè)50 W 的鹵素?zé)糇鳛楣庠凑丈淠繕?biāo)物。首先調(diào)整物鏡F數(shù)至40 左右，微調(diào)微透鏡陣列位置，使最終得到的微透鏡單元匯聚光斑最小。而后在系統(tǒng)中加入棱鏡，調(diào)整物鏡F數(shù)至60 左右，旋轉(zhuǎn)微透鏡陣列避免色散條帶之間的重疊，得到的數(shù)據(jù)如圖16 中綠色條帶所示，移除棱鏡得到圖像如圖16 中紅色光斑所示。

圖16 系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)合成圖Fig.16 The image composed of the data obtained by the system

2.2 快照式光譜成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

在搭建系統(tǒng)過程中，拍攝得到的標(biāo)準(zhǔn)反射白板未經(jīng)色散時(shí)的數(shù)據(jù)可作為確定各微透鏡陣列單元成像位置的依據(jù)。首先對(duì)獲取的標(biāo)準(zhǔn)白板未經(jīng)色散時(shí)的圖像進(jìn)行同態(tài)濾波，以提升部分邊緣視場(chǎng)光斑亮度，從而提升可提取像點(diǎn)位置信息的像點(diǎn)個(gè)數(shù)。然后對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，以提取出各光斑的主體亮點(diǎn)部分，再對(duì)二值圖像進(jìn)行高斯模糊，使得所有像點(diǎn)更能呈現(xiàn)出圓形幾何特征，便于后續(xù)利用霍夫變換檢測(cè)出光斑圓心位置。為生成便于讀取光譜圖像的像點(diǎn)中心位置坐標(biāo)陣列，對(duì)經(jīng)部分預(yù)處理后的圖像先根據(jù)微透鏡陣列旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，再進(jìn)行圓心坐標(biāo)提取。此時(shí)提取的圓心坐標(biāo)可根據(jù)橫縱坐標(biāo)大小生成便于讀取光譜圖像信息的坐標(biāo)點(diǎn)陣列。根據(jù)圖像旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系將生成的坐標(biāo)點(diǎn)陣列轉(zhuǎn)換為未經(jīng)旋轉(zhuǎn)前圖像中的坐標(biāo)（XC，YC）。提取過程中的部分結(jié)果如圖17。其中圖17（a）為系統(tǒng)中未放置色散元件時(shí)部分拍攝得到的白板圖像，圖17（b）為圖17（a）部分經(jīng)高斯模糊后的結(jié)果，確定的便于讀取光譜圖像的各像點(diǎn)中心位置信息如圖17（c），其中紅點(diǎn)為確定的光斑中心位置。在系統(tǒng)中放置色散元件，采用單色儀直接照射系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的光譜定標(biāo)，對(duì)探測(cè)器靶面上分布在不同位置處的多個(gè)微透鏡單元所成的不同波長(zhǎng)的像按照色散方向取一列進(jìn)行高斯擬合，確定不同波長(zhǎng)下微透鏡單元所成像的位置（Xw，Yw），記錄不同波長(zhǎng)照射情況下（Xw，Yw）相對(duì)（XC，YC）的偏移量作為光譜定標(biāo)結(jié)果。通過對(duì)靶面不同位置處微透鏡單元所成的像光譜定標(biāo)結(jié)果取平均，作為系統(tǒng)整體的光譜定標(biāo)結(jié)果。根據(jù)確定的（XC，YC）及光譜定標(biāo)結(jié)果，即可從單張圖片中進(jìn)行各波段單色圖像的提取。

圖17 數(shù)據(jù)預(yù)處理及像點(diǎn)位置確定結(jié)果Fig.17 The pre-processing result of the data and determined center of microlens

單色儀定標(biāo)結(jié)果如圖18（a），對(duì)單色儀定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，以不同波長(zhǎng)探測(cè)器上光斑通過高斯擬合確定的中心位置作為自變量，光斑對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)作為因變量進(jìn)行三次擬合，擬合結(jié)果如圖18（b）。在單色儀定標(biāo)結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用汞燈作為照明光源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行照射，部分汞燈譜線如圖19。對(duì)單色儀定標(biāo)擬合曲線求導(dǎo)即可獲得系統(tǒng)在不同波長(zhǎng)處的線色散率，根據(jù)系統(tǒng)在汞燈特征譜線處線色散率及汞燈在特征峰處的半高寬即可求得系統(tǒng)整體在特征峰處的光譜分辨率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)在汞燈546 nm 特征峰處光譜分辨率優(yōu)于3 nm，具體計(jì)算數(shù)值如表4。

表4 系統(tǒng)光譜分辨率計(jì)算結(jié)果Table 4 Spectral resolution calculating result of the system

圖18 定標(biāo)數(shù)據(jù)及結(jié)果Fig.18 The calibration data and result

圖19 汞燈光譜及其高斯擬合結(jié)果Fig.19 Spectrum of mercury lamp and its gauss fit result

在完成對(duì)微透鏡陣列光譜成像系統(tǒng)的光譜定標(biāo)及光譜分辨率計(jì)算后，對(duì)系統(tǒng)整體的空間分辨率進(jìn)行了測(cè)試。光譜成像系統(tǒng)垂軸放大率為?1，系統(tǒng)整體的空間分辨率主要由物鏡及微透鏡陣列組成的子系統(tǒng)決定，物鏡及微透鏡陣列所組成的子系統(tǒng)可根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算。系統(tǒng)采用的物鏡焦距為55 mm，物距為1.1 m，微透鏡口徑大小為100 μm，計(jì)算得到的系統(tǒng)理論空間分辨率為2 mm。以圖20（a）中不同間隔距離的條帶圖案為目標(biāo)物，對(duì)系統(tǒng)整體的空間分辨率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖20（b）。圖20（a）中間隔2.2 mm 的條帶在圖20（b）中仍能辨認(rèn)，但圖20（a）中間隔2.1 mm 的條帶圖案明暗條帶區(qū)分度降低。系統(tǒng)實(shí)際空間分辨率略低于理論計(jì)算值。

圖20 用于檢測(cè)系統(tǒng)空間分辨率的實(shí)物及系統(tǒng)拍攝圖像Fig.20 The object used to measure spatial resolution and the image obtained by the system

根據(jù)單色儀光譜定標(biāo)結(jié)果及確定的微透鏡像點(diǎn)位置，即可對(duì)單次拍攝得到的原始數(shù)據(jù)中的不同波段單色圖像進(jìn)行提取。以圖21（a）中的物體作為目標(biāo)物，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行了光譜成像，最終獲得的原始數(shù)據(jù)如圖21（b），根據(jù)光譜定標(biāo)結(jié)果及確定的像點(diǎn)位置從圖21（b）中對(duì)不同波段空間信息進(jìn)行提取，提取出的各波段單色圖像如圖22。由于采用成像物鏡倒置作為準(zhǔn)直鏡組，經(jīng)準(zhǔn)直后的外邊緣視場(chǎng)光束經(jīng)發(fā)散無法被成像鏡組接收，微透鏡陣列外邊緣圖像無法經(jīng)成像鏡組成像到探測(cè)器靶面上。故目前只實(shí)現(xiàn)了對(duì)67×67 個(gè)微透鏡陣列單元像點(diǎn)的利用，即最終獲取的單色圖像像元規(guī)模為67×67。根據(jù)圖18（b）定標(biāo)擬合結(jié)果可知系統(tǒng)在波段范圍內(nèi)色散長(zhǎng)度約為100 個(gè)像元，按照等像元間隔采樣提取光譜信息，每2 個(gè)像元提取一個(gè)通道光譜圖像，則可提取50 個(gè)光譜通道的光譜圖像。

圖21 實(shí)物圖及拍攝原始數(shù)據(jù)Fig.21 The true object and the origin data obtained by the system

圖22 多個(gè)通道單色圖像Fig.22 Monochromatic images of different spectral channels

從獲取的色板單色圖像中提取紅色、橙色、黃色、淺綠色、綠色等幾個(gè)區(qū)域的光譜曲線，獲取的光譜曲線如圖23（a）。除使用系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)色板進(jìn)行光譜成像外，還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)反射率板進(jìn)行了光譜成像，以獲取光源的標(biāo)準(zhǔn)反射光譜，從而對(duì)不同色板的反射率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的不同色板的反射率曲線如圖23（b）。使用商業(yè)地物光譜儀對(duì)光源及不同色板處光譜進(jìn)行了測(cè)量，并進(jìn)行了反射率計(jì)算，對(duì)商業(yè)化光譜儀測(cè)量反射率進(jìn)行歸化處理，與搭建系統(tǒng)獲取的反射率對(duì)比如圖24，其中虛線為商業(yè)化光譜儀獲取的反射率信息歸化處理結(jié)果。搭建系統(tǒng)所測(cè)目標(biāo)物反射率特征峰與商業(yè)地物光譜儀所測(cè)目標(biāo)物反射率特征峰一致，證明系統(tǒng)具有良好的光譜探測(cè)能力。

圖23 搭建系統(tǒng)拍攝圖像獲取的光譜曲線及反射率曲線Fig.23 The spectrum and reflectance obtained by the system

圖24 商業(yè)光譜儀與搭建系統(tǒng)測(cè)量反射率對(duì)比Fig.24 Comparison of the reflectance obtained by the commercial spectrometer and established system

3 結(jié)論

本文從微透鏡陣列快照式光譜成像系統(tǒng)的成像原理出發(fā)，首先對(duì)微透鏡陣列的成像特性進(jìn)行分析，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵元器件進(jìn)行選型?；谶x型結(jié)果進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成像仿真。為進(jìn)一步研究系統(tǒng)的成像特性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了微透鏡陣列快照式光譜成像系統(tǒng)。以光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果中的色散元件作為實(shí)際色散元件，采用三個(gè)型號(hào)一致的遠(yuǎn)心鏡頭分別作為物鏡、光譜儀準(zhǔn)直鏡組、成像鏡組。對(duì)搭建的光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)光譜成像性能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)快照式光譜成像，且探測(cè)效率高，為拓展成像光譜儀應(yīng)用范圍，簡(jiǎn)化光譜成像系統(tǒng)提供了一種新的可行方案。但目前該系統(tǒng)圖像空間分辨率仍較低，后續(xù)擬在系統(tǒng)中添加一分光器件，獲取物鏡后方高空間分辨率信息，通過圖像融合方法，提高系統(tǒng)探測(cè)得到的光譜圖像的空間分辨率，提升系統(tǒng)整體的探測(cè)能力。