快照式光譜成像技術綜述

高澤東，高洪興，朱院院，李 杰，郝 群，劉 宇，陳 超，成 剛，曹 杰，孟合民

(1.北京理工大學 光電學院，北京 100081；2.西安應用光學研究所，陜西 西安 710065；3.中國人民解放軍32180部隊，北京 100012)

1 引 言

光譜成像儀通過采集場景的光譜輻射度收集三維(Three dimensional, 3D)數據集，稱作數據立方體。數據立方體包括二維(Two dimensional, 2D)空間信息和一維(One dimensional, 1D)光譜信息[1-2]。通過降維融合顯示[3]、地物分類[4]或目標檢測識別[5-6]實現3D數據立方體的應用。從數據獲取方式而言，光譜成像技術包括掃描式光譜成像與快照式光譜成像[1]。

掃描式光譜成像是指以時間序列測量數據立方體的1D或2D切片，其獲取3D數據立方體通常有3種方式：點掃描：一次獲取1D光譜曲線，通過2D空間掃描，獲得完整3D光譜數據立方體；線掃描：一次獲得1D空間信息+1D光譜信息，如帶狹縫的光譜成像方式，常見的有棱鏡或光柵色散型光譜成像方式、空間調制型光譜成像方式；譜掃描：一次獲得一個窄帶波段內的2D空間信息，如濾光片輪切換方式，AOTF、LCTF等可調諧濾光成像方式[7]。掃描式光譜成像傳感器在采集有顯著空間變化或光譜變化的動態場景時，由于需要掃描而無法獲取準確的數據立方體[1]。然而，在實際應用場合，人們希望光譜成像儀無需掃描，能在一次曝光周期內獲取完整的數據立方體，因此快照式光譜成像技術被提出[8]。本文對快照式光譜成像技術進行了系統的分析和研究，按照圖像分割、孔徑分割、光路分割和頻率分割法對該技術進行了分類，研究了每種光譜成像技術的原理，分析了每種技術的優缺點，并進行對比及展望。

2 原理與分類

2.1 概念與原理

快照式光譜成像技術是指在探測器單個積分周期內測量3D數據立方體。而成像探測器是2D探測器，單個積分周期只能獲取2D信息，因此快照式需要將數據立方體劃分為多個2D數據以同時測量，再通過后處理將2D數據重新組合為3D立方體。最簡易的快照式光譜成像儀為通道式光譜成像儀(Channel Spectral Imager, CSI)[9-10]。光譜數據立方體如圖1所示。

圖1 光譜數據立方體示意圖Fig.1 Schematic diagram of spectral data cube

CSI通過多通道并行采集，解決2D成像系統不能一次采集3D數據的問題，如圖2所示。每個通道由濾光片、光學系統和探測器構成，每個通道配置不同中心波長的窄帶濾光片，一個通道獲取一個窄帶光譜圖像，形成3D數據立方體。CSI具有原理簡單、易于實現、相機可靠的優點。但由于多通道并行采集，各通道存在視差，各通道采集的窄帶光譜圖像需要配準；同時，一個成像通道對應一個窄帶波段，光譜通道數取決于光學系統與探測器的數目，因此光譜通道數量較少，一般為3，4；采用多個探測器，體積、質量均比較大。

圖2 通道式光譜成像原理Fig.2 Schematic diagram of channel spectral imager

由于通道式光譜成像技術存在光譜通道數較少、體積和質量較大等問題，其他快照式光譜成像技術得以蓬勃發展。經過近30年的發展，出現了多種快照式光譜成像技術，包括積分視場光譜儀(Integral Field Spectrometry，IFS)[8]、圖像映射光譜儀(Image Mapping Spectrometry, IMS)[11]、像素濾光的多光譜探測器(Multispectral Sensor with Per-pixel Filters, MS-PPF)[12]、基于光場結構的光譜成像儀(Spectral Imager using Light Field Architecture, SI-LF)[13-14]、編碼孔徑快照式光譜成像儀(Coded Aperture Snapshot Spectral Imager, CASSI)[15]、基于復眼成像原理的多孔徑分塊濾光光譜成像儀(Multispectral Imager with Thin Observation module by Bound Optics, MSI-TOMBO)[16]、單片集成分塊濾光的多光譜探測器(Multispectral Sensor with Integrated Tilted Filters, MS-ITF)[17]、多孔徑漸變濾光的光譜成像儀(Spectral Imager with Multi-apertures and Linear Varying Filter, SI-MALVF)[18-19]、快照式高光譜成像傅里葉變換(Snapshot Hyperspectral Imaging Fourier Transform, SHIFT)光譜儀[20]、計算機層析光譜成像儀(Computed Tomographic Imaging Spectrometry, CTIS)[21]、基于分束器的光譜成像儀(Spectral Imager with Beam Splitting, SI-BS)[22-23]、基于濾光片堆棧的光譜成像儀(Spectral Imager with a Filter Stack, SI-FS)[24]、圖像復分光譜成像儀(Image-replicating Imaging Spectrometer, IRIS)[25]、多光譜Sagnac干涉儀(Multispectral Sagnac Interferometer, MSI)[26]等。

2.2 技術分類

快照式光譜成像分類如圖3所示，根據是否需要重構，分為直接測量與間接測量[2]兩種方式。直接測量是指采集的2D圖像經過簡單的數據重排就可以獲得3D數據立方體，而間接測量是指采集的2D圖像需要經過算法重構才能獲得數據立方體。根據是否需要迭代計算，將重構方法分為直接重構與迭代重構。

掃描式光譜成像技術的研究重點在于如何獲取光譜信息，常從分光方式對它進行系統研究，有色散型、濾光型及干涉型等[7]。而快照式光譜成像的關注點是如何將3D數據立方分割為多個2D圖像，根據分割方法歸納出圖像分割、孔徑分割、光路分割和頻域分割4類。

圖3 快照式光譜成像技術分類Fig.3 Classification of snapshot spectral imaging technologies

圖4 圖像分割原理Fig.4 Principle for image division

圖像分割(Division of Image, DoI)方法將分割器件置于成像系統的像面上，并將像面上的圖像分成小塊，然后變形、收縮或定向到不同位置，在2D探測器上為光譜維色散留下足夠的空間。圖4為圖像分割的基本原理。值得注意的是：像面圖像分割是DoI方法的特征；DoI的圖像分塊、移動留白及分光，相當于在2D探測器上實現了點掃描或線掃描。常見的圖像分割方法有積分視場(IFS)、圖像映射(IMS)、像素濾光(MS-PPF)、基于光場結構的SI-LF和壓縮編碼孔徑(CASSI)。其中IFS，IMS，MS-PPF，SI-LF屬于直接測量的圖像分割方法，而CASSI屬于迭代重構的圖像分割方法。

孔徑分割(Division of Aperture, DoA)思想起源于通道式光譜成像。將多個孔徑置于成像系統的光瞳處，通過多孔徑場景復制，在2D探測器上得到多孔徑的復制圖像，如圖5所示。最常見的是在成像系統的光瞳處放置微透鏡陣列實現入射場景的多孔徑復制。值得注意的是：孔徑復制是DoA的特征，去除DoA的前端成像系統，DoA就蛻化成為CSI；DoA的孔徑復制與分光，相當于在2D探測器上實現了譜掃描。常見的孔徑分割方法有復眼成像(MSI-TOMBO)、復制濾光(MS-ITF)、多孔徑漸變濾光(SI-MALVF)、傅里葉變換(SHIFT)和計算機層析(CTIS)。其中，MSI-TOMBO，MS-ITF，SI-MALVF屬于直接測量的孔徑分割方法，而SHIFT屬于直接重構的孔徑分割方法，CTIS屬于迭代重構的孔徑分割方法。

圖5 孔徑分割原理Fig.5 Principle for aperture division

光路分割(Division of Optical Path, DoOP)方法將入射光分成多個光路，如圖6所示，然后定位到不同方向，每個光路分別獲取不同的窄帶光譜圖像，如通過二色分光鏡將一個光路分成兩個光路，然后由兩個探測器進行采集。DoOP的特征是將光路分成若干個子光路，相當于在2D探測器上實現了譜掃描。常見的光路分割方法有基于分束器的SI-BS、基于濾光片堆棧的SI-FS和圖像復分IRIS，均屬于直接測量的光路分割方法。

圖6 光路分割原理Fig.6 Principle for optical path division

頻域分割(Division of Frequency Domain, DoFD)方法是指在空間域或譜域中復用具有不同特性的光子，然后在相應的頻域中分割得到信號的捕獲方法。常見的頻域分割法是多光譜Sagnac干涉。

3 圖像分割

3.1 切片器積分視場光譜議

1938年，Bowen提出了首個快照式光譜成像儀：基于切片鏡的積分視場光譜儀(Integral Field Spectrometry with Faceted Mirrors, IFS-M)[8]，其原理如圖7所示。切片鏡置于前置光學系統的像面，切片鏡上有多個不同傾斜角度的長條鏡(切片元件)，將像面上的圖像切片成條帶，條帶圖像經過折疊鏡反射到不同的光瞳位置。在每個光瞳后面有準直鏡、色散器、二次成像鏡和探測器陣列，將每個瞳孔位置的條帶圖像色散，得到條帶圖像的色散圖像，經過重排得到3D光譜數據立方體I((x,y,λ)。

圖7 基于切片鏡的積分視場光譜儀原理Fig.7 Schematic diagram of integral field spectrometry with faceted mirrors

由于切片鏡的切片元件是全反射方法，IFS-M技術的光能利用率高，非常適合于紅外測量。但卻包含如下缺點：切片元件的數量決定了一維空間像素數，切片元件數量受到限制，使得空間像素數較少；為了保持瞳孔之間的距離，切片元件的傾斜必須很大，易在切片元件末端產生散焦；多個探測器導致其體積和質量很大。由于存在空間像素少、體積質量大等缺點，IFS-M沒有得到廣泛應用。

圖8 微切片器的積分視場光譜儀原理Fig.8 Schematic diagram of integral field spectrometry with micro-slicer

基于微切片器的積分視場光譜儀(Integral Field Spectrometry with Micro-slicer，IFS-μ)[27]能夠較好地克服上述問題，以減少光譜采樣為代價，可采集更多的空間元素。IFS-μ使用與IFS-M相同的切片鏡，但切片元件的平面更大。IFS-μ首先通過變形前置光學系統將輸入圖像的一個軸拉伸變形、放大，然后通過微切片器的切片、變形、縮小，使得圖像的各個空間元素以窄條的形式呈現。這些窄條充分分離，可以在沒有重疊的情況下進行光譜色散，如圖8所示。通過微切片技術可實現100×100×120的光譜數據立方體。盡管如此，IFS-μ卻只適用于空間像素數要求低、光譜通道數要求高的場合。

3.2 可變形光纖束積分視場光譜儀

基于可變形光纖束的積分視場光譜儀(Integral Field Spectrometer with Deformable fiber bundle, IFS-F)如圖9所示。采用可變形光纖束，將成像物鏡像面上的2D空間圖像“拉直”為1D線圖像，再經過光柵、棱鏡等色散元件進行色散，獲得1D線圖像的色散圖像，最后經過重排獲得3D光譜數據立方體[28]。

圖9 基于可變形光纖束的積分視場光譜儀原理Fig.9 Schematic diagram of integral field spectrometer with deformable fiber bundle

IFS-F的特點是：空間像素數取決于光纖的根數，空間像素數越多，光纖束越多，IFS-F的體積質量越大。因此，IFS-F具有較低的空間像素數，較高的光譜通道數，主要應用于高光譜分辨率、低空間分辨率需求的場合，如實時自動目標識別、IED/爆炸物/化學探測、生物識別生物醫學、導彈攔截、爆炸閃電分析和燃燒診斷等。

2006年，美國Opto-knowledge公司研制了0.4～1.0 μm的4-DIS光譜儀，空間分辨率較低，僅有21×19，光譜通道數為300，時間分辨率達10 000 Hz，如圖10(a)所示。2012年，Opto-knowledge公司采用4個可變形光纖束提升了空間分辨率，空間分辨率也僅44×40，如圖10(b)所示[29]。

圖10 Opto-knowledge光譜成像儀Fig.10 Opto-knowledge spectral imager

3.3 微透鏡陣列積分視場光譜儀

圖11 基于微透鏡陣列的積分視場光譜儀系統布置Fig.11 Schematic diagram of integral field spectrometer with lenslet arrays

基于微透鏡陣列的積分視場光譜儀(Integral Field Spectrometer with Lenslet Arrays，IFS-L)將微透鏡陣列放置在物鏡的像面上，如圖11所示，微透鏡空間采樣像面上的圖像得到中間像，并在光瞳平面將單個微透鏡空間范圍內的所有光束會聚成一點；光束會聚點之間的空白區域，為光柵色散留下了足夠的空間；最后，在2D探測器陣列上形成會聚點的色散條帶[30]。

系統的性能主要取決于微透鏡陣列的設計。IFS-L的空間像素數取決于微透鏡陣列的個數，光譜通道數取決于微透鏡之間的間隙。其優點在于：微透鏡產生的會聚點光束比入射光束更快(F數更小)；相對于IFS-F，IFS-L的微透鏡陣列體積要小于可變形光纖束，有效減小了體積質量。折衷了空間像素數和光譜通道數，數據立方體尺寸可達200×200×27。但是，微透鏡的使用降低了后面光學系統的F#數，對后端的光學器件提出了更高的要求。此外，為了有效利用探測器，會聚點色散留下更大的區域，需要微透鏡陣列繞光軸傾斜，增加了系統的裝調難度。

3.4 針孔陣列積分視場光譜儀

圖12 超像素陣列相機原理Fig.12 Schematic diagram of hyper-pixel array camera

2009年，Bodkin提出了一種基于針孔陣列采樣的積分視場光譜成像儀(Integral Field Spectrometer with Pinholes, IFS-P)，又稱作超像素陣列(Hyper-pixel Array，HPA)相機。如圖12所示，針孔陣列置于物鏡的像面，替代IFS-L的微透鏡陣列進行離散采樣，針孔之間的間隔使每個采樣點之間有足夠的間隔，保證色散后的光譜不重疊[31]。

2009年，Du等提出了類似于HPA方案的基于棱鏡的多光譜視頻成像系統(Prism-based Multispectral Video Imaging System, PMVIS)[32]。2011年，Cao 等針對PMVIS空間分辨率低的問題，提出了一種基于混合相機的高光譜采集系統(Hybird Spectral Video Imaging System，HVIS)[33]，其基本原理如圖13所示。一路利用灰度相機捕獲光譜視頻流，一路利用RGB相機捕獲高空間分辨率的彩色視頻，兩路視頻同步校準，通過實時光譜傳播算法進行融合，最終獲得既具有高空間像素數又具有高光譜通道數的光譜數據立方體。

圖13 基于混合相機的高光譜采集系統原理Fig.13 Schematic diagram of hybird spectral video imaging system

IFS-P的優點是原理簡單、計算量極小、實時性好，適用于探測大目標，常用于農業調查、環境監測。其缺點是：空間采樣不連續，難以適用于小目標探測識別；針孔采樣的光能利用率較低。

3.5 圖像映射光譜儀

IFS-M技術適合于低空間像素數(10數量級)和高光譜通道數(100數量級)的應用場合。然而，對于許多應用，如顯微鏡，要求較高的空間像素數(100數量級)，光譜通道數只需10～40個，因此IFS-M難以大量應用。雖然微切片器(IFS-μ)能夠實現更高的空間采樣，但嚴重增加了系統設計的復雜性。

圖像映射光譜儀(Image Mapping Spectrometry, IMS)類似于IFS-M，也使用切片鏡，切片鏡置于顯微鏡像面，將顯微圖像切片。IMS與IFS-M的顯著區別是：IFS-M的切片鏡中，一個切片元件一個傾斜角，而IMS的多個切片元件共享相同的傾斜角度，圖像的多個切片被映射到同一個光瞳[11]，提高了空間分辨率。

進一步，切片元件長度N決定了x向空間像素數，切片元件的數量M決定了y向的空間像素數，傾斜角度種類L決定了光譜通道數λ，最終3D(x,y,λ)數據立方體的大小為N×M×L。圖14所示的切片元件長度未知，8個切片元件將圖像切割成8個條帶，4個傾斜角使得光譜通道數為4，故最終的光譜數據立方體的大小為x×8×4。

圖14 圖像映射光譜儀原理Fig.14 Schematic diagram of image mapping spectrometry

IMS的優點是：每個光瞳由多個切片元件共享，允許更高的空間分辨率，通過高分辨率探測器可采集100×100×25或350×350×46的光譜數據立方體；微切片鏡將整個系統的體積縮小到一個緊湊的尺寸，體積重量較小。其缺點是：切片元件的加工難度大，空間像元數y越多，切片元件數越多，切片元件寬度越小(μm級)，加工越難；小切片容易造成衍射，降低成像質量；在顯微圖像的衍射點進行切片時，一些反射光線會偏離幾何光路，導致相鄰切片圖像間的串擾，串擾成為主要的背景噪聲，嚴重影響光譜測量精度。

IMS類似于IFS-M，將圖像進行空間分割，只需要簡單的圖像重排就可以得到3D數據立方體，因此歸類為直接測量的圖像分割技術。

3.6 像素濾光探測器陣列

圖15 4×4濾鏡單元拼接的馬賽克快照式光譜成像原理Fig.15 Principle for mosaic snapshot spectral imaging composed of 4 × 4 pixel filter array

1976年，Bayer采用相鄰2×2像素級濾鏡單元獲取RGB彩色圖像，其中每個單元包括1個紅色、2個綠色和1個藍色的像素級濾鏡。2014年，比利時微電子研究中心IMEC將此概念推廣，提出了一種基于像素濾光的探測器陣列(Multispectral Sensor with Per-pixel Filters, MS-PPF)，將Fabry-Pérot像素級濾光片陣列整體集成在傳感器表面。將相鄰n×n像素濾鏡陣列視作一個光譜體素單元，每個濾鏡的中心波長不同時，就可同時獲得n2個通道的光譜數據。圖15是在CMOS傳感器上方制作了4×4個濾鏡單元，可同時獲得16個通道的光譜數據[12]。不難知道，這種濾鏡單元拼接的多光譜快照式成像方案通過犧牲空間分辨率來獲取具有一定空間分辨率和光譜分辨率的光譜數據立方體。

MS-PPF的優點為：將單片濾鏡陣列集成到標準CMOS探測器上，大大減少了系統雜散光、提高了靈敏度和成像速度；采用CMOS工藝技術，大大降低了成本，具有大規模制造的潛力；每個像素濾鏡的晶片級設計可實現緊湊的快照式光譜采集，極大地增加了攝像機的便攜性、靈活性和易用性，特別適用于尺寸和質量受限的應用領域，如小型無人機偽裝目標偵察識別應用場合。其缺點在于：濾鏡單元內不同濾鏡對應的位置近似相同，當光譜通道數增大時，空間誤差增大；光譜通道數較低，目前的技術水平是5×5，共25個光譜通道。

3.7 光場結構多光譜成像技術

2009年，Levoy在光場相機的基礎上，提出了基于光場結構的多光譜成像技術(Spectral Imaging with Light Field Architecture, SI-LF)[13]。其原理如圖16所示，SI-LF包括物鏡、濾光片陣列、針孔陣列、探測器。針孔陣列放置在物鏡的像面上，探測器放置在微透鏡陣列的后方，濾光片陣列布置在物鏡的孔徑處。該結構可分解為兩部分：第一部分是由目標、物鏡、針孔陣列和探測器構成的光場相機結構；第二部分是由濾光片陣列、針孔陣列和探測器構成的小孔成像結構。

圖16 光場結構的光譜成像原理Fig.16 Spectral imaging principle of light field structure

第一部分中，物鏡將目標成像到針孔陣列，因探測器位于針孔陣列后方，會聚到針孔上的光線會繼續傳播，根據入射光的角度，重新在探測器表面分配入射光，在探測器上形成一個體素，即一個針孔對應多個探測器像元。第二部分中，針孔將濾光片陣列成像到探測器上，使得第一部分形成的體素內的小像元調制有濾光片陣列的光譜信息。將一個體素視為一個子單元，提取子單元相同位置的像素構成一幅窄帶光譜圖像。

SI-LF設計的變體包括用微透鏡陣列代替針孔陣列和用線性可變濾波器代替濾波器陣列[14]。SI-LF的特點是：針孔數量等于3D光譜數據立方體的空間像素數；單個體素包含的像元個數等于光譜通道數；單個體素內各個像元的光譜配置與濾光片陣列的光譜配置一致；光場相機的結構實現了空間像素的復制功能。

SI-LF的優點是濾光片陣列相對于在平鋪濾光的MS-IFT要大得多，制造難度大大降低，更容易實現。缺點在于：采用針孔，光能量損失較大；體素內各個像素的光來自于目標的不同方向，為使光譜調制效果較好，需滿足朗伯體反射假設，即各個方向均勻反射。

Hagen與Gao把SI-LF歸類為基于孔徑分割的光譜成像技術，認為SI-LF類似于Tanida提出的MSI-TOMBO和IMEC提出的MS-ITF，均含有針孔或微透鏡陣列[1-2]。本文則將SI-LF歸類為基于圖像分割的光譜成像技術，原因是：針孔位于物鏡的像面上，功能上實現了對圖像的空間采樣，類似于IFS-L，IFS-P，而不是MSI-TOMBO和MS-ITF的場景復制；SI-LF在探測器上的采集圖像類似于基于像素濾光的光譜成像技術MS-PPF。

3.8 壓縮編碼孔徑快照式光譜成像儀

2007年，美國杜克大學Brady研究小組基于壓縮感知理論，提出了雙色散元件的編碼孔徑快照式光譜成像儀(Dual Disperser Coded Aperture Snapshot Spectral Imager，DD-CASSI)[15]。2008年，針對DD-CASSI雙臂4f系統架構元件多、長度長、裝調難等難點，Brady提出了單色散元件的編碼孔徑快照式光譜成像儀(Single Disperser Coded Aperture Snapshot Spectral Imager,SD-CASSI)[34]。

2009年，Brady針對SD-CASSI光路折轉不易裝調的問題，提出了直視型編碼孔徑快照式光譜成像儀(Direct View Coded Aperture Snapshot Spectral Imager,DV-CASSI)[35]。DV-CASSI原理如圖17所示，包括物鏡、編碼孔徑、帶通濾光片、F/8中繼透鏡、Amici棱鏡和CCD探測器。CASSI基于壓縮成像理論，使用編碼孔徑在物鏡的像面上對所成圖像進行隨機二值化編碼，然后通過Amic棱鏡對編碼圖像進行色散，由CCD探測器陣列采集空間與光譜混疊的復合圖像，最后通過圖像重構算法將采集的復合圖像重構成3D數據立方體。圖像重構是圖像形成過程反問題的求解，常采用稀疏重建的梯度投影[36]或兩步迭代收縮/閾值算法[37]。

圖17 雙色散元件的編碼孔徑快照式光譜成像儀原理Fig.17 Schematic diagram of dual disperser coded aperture snapshot spectral imager

CASSI不需要掃描，就可由一幀2D圖像反演出場景的3D光譜數據立方體，成像過程具有強實時的顯著優點；并且基于壓縮感知理論，不犧牲空間分辨率換取光譜分辨率，因此空間分辨率和光譜分辨率均較高。然而，CASSI建立在壓縮感知假設的基礎上，它要求輸入場景在梯度域中是稀疏的；而且，基于壓縮感知理論的重構算法為迭代逼近算法，算法復雜度高、收斂慢，難以重構實時；此外，壓縮感知概念采用信號的空間分辨率與圖像質量的權衡，替代空間分辨率與光譜分辨率的折衷，使得結果數據質量不可預測，重構常會引入空間和光譜偽影，降低了空間分辨率較高的優勢。

近年來，研究人員使用多次編碼快照[38]、高階圖像重建模型[39]、優化編碼孔徑[40]和使用兩個攝像機的混合設計[41]等方式提高CASSI的重建質量。

Hagen將CASSI歸類為迭代重構的光路分割[2]，本文則將CASSI歸類為迭代重構的圖像分割技術，理由是：(1)編碼孔徑位于物鏡的像面上，在像面對圖像進行編碼空間采樣，類似于IFS-L、IFS-P；(2)如果場景完全稀疏，此時編碼透光孔之間就有了足夠的色散空間，類似于IFS-P。

3.9 小 結

圖像分割方法目前已形成了3個技術方向：(1)基于視場分割器件的IFS；(2)基于像素濾光的MS-PPF；(3)基于壓縮感知理論的CASSI。

IFS通過分割器件，如切片鏡、可變形光纖束、微透鏡陣列、針孔為分割器件等將視場分割。IFS技術成熟度較高，商業化程度高，在天文、工業、醫療、農業、安防等領域都得到了廣泛應用。視場分割器件是關鍵核心部件，IFS的研究熱點當前仍然聚焦于此。

MS-PPF依賴于先進的微電子工藝技術，它集成了薄膜技術與光刻技術，研究門檻高，主要受限于研究機構的基礎設備、基礎工藝和設計理念[42]，目前主要集中在具有高精尖微電子設計制作能力的研究機構，如比利時IMEC、芬蘭SPECIM、法國SILIOS、美國PixelIteq公司等。

CASSI建立在壓縮感知理論上，采用簡單的實驗裝置便可實現快照式成像，受到許多研究人員的偏愛。改進編碼方式、重建成像光路以及優化重構算法均可以提升CASSI性能，是近年來的研究熱點。

4 孔徑分割

4.1 多孔徑分塊濾光

2000年，日本學者Tanida提出了一種基于復眼成像原理的光電觀測模塊(Thin Observation Module by Bound Optics，TOMBO)架構[43]。2003年，Tanida將TOMBO架構應用到彩色成像，提出color-TOMBO架構，該方法是在微透鏡上方附著R，G，B寬波段濾光片陣列，實現顏色濾波[44]。2004年，Tanida又將color-TOMBO中的濾光分割進一步推廣到多光譜成像，提出MSI-TOMBO，如圖18所示，即在TOMBO系統上配置空間分割的濾光片陣列[16]。

MSI-TOMBO的微透鏡陣列實現了場景圖像的光學復制功能，故歸類為直接測量的孔徑分割技術。

圖18 基于復眼成像原理的光電觀測模塊架構原理Fig.18 Schematic diagram of thin observation module by bound optics

4.2 單片集成分塊濾光

2013年，比利時IMEC發布了復制濾光的多光譜探測器(Multispectral Sensor with Integrated Tilted Filters, MS-ITF)[17]。MS-ITF是單片集成式器件，包括光學濾波器與CMOS探測器。如圖19所示，光學濾波器含有4行8列，共32個濾鏡單元，并直接制作在CMOS表面。32個的濾鏡單元窄帶寬度小于10 nm，覆蓋了CMOS探測器敏感的600～1 000 nm波段。當采用2 048×1 088像素數的CMOS探測器時，4×8個濾鏡單元實現了快照式獲取256×256像素、32個通道的光譜數據立方體。

IMEC同時還提出了基于MS-ITF的快照式多光譜攝像機，如圖19所示，它由一個物鏡、一個光闌、一個微透鏡陣列和一個多光譜探測器組成。物鏡將遠處的場景成像在光闌處，在物鏡的光瞳處放置4行8列的微透鏡陣列，微透鏡陣列將光闌處的成像復制并中繼到多光譜探測器，多光譜探測器上的4×8個濾鏡單元分別濾光，并由CMOS傳感器實時采集。原理樣機在日光條件下的采集幀頻大約為30 frame/s，在更高照度水平的條件下，如機器視覺應用中，可達到340 frame/s。

圖19 基于復制濾光多光譜探測器的多光譜成像原理Fig.19 Schematic diagram of multispectral imager using multispectral sensor with integrated tilted filters

單片式MS-ITF探測器集成度高，使得光譜攝像機體積小、質量輕，適合大規模制造，大大降低了成本；此外，立方體重建簡單，允許以視頻速率實時、低延遲操作。但是采用的單片集成式光學濾波器，加工制作難度大。

值得注意的是：IFS-L的微透鏡陣列實現的是光學采樣(圖像分割)功能，而MS-ITF多光譜像機的微透鏡陣列實現場景圖像的光學復制功能。因此，歸類為直接測量的孔徑分割技術。

4.3 多孔徑漸變濾光

2018年，Hubold提出了多孔徑漸變濾光的光譜成像技術(Spectral Imaging with multi-apertures and Linear Varying Filter, SI-MALVF)，其原理如圖20所示，包括線性漸變濾光片(Linear Varying Filter, LVF)、微透鏡陣列(Micro-lens Array, MLA)、隔板陣列、玻璃蓋片與FPA成像器件。其中，MAL用于成像場景的多孔徑光學復制，LVF實現光譜濾光，隔板陣列用于孔徑之間的雜散光隔離[18]。

首先，假設LVF的變譜方向在較短的距離內，光譜近似不變。設計的關鍵是線性漸變濾光片LVF、微透鏡陣列MLA、FPA探測器的位置關系。在Hubold的設計中，將MLA與FPA對正放置，將LVF放置在MLA的上方，如圖20所示。如圖21所示，在LVF與MAL對正放置時，MLA的高度方向(LVF的恒譜方向)對應區域所成的子圖像是相同的，只能獲得變譜方向微透鏡個數的光譜圖像，造成FPA探測器極大浪費。Hubold創新地提出將LVF相對MLA傾斜一定角度θ，如圖22所示，此時MLA的水平x方向和垂直y方向對應區域的光譜均不相同，將光譜通道數提升至微透鏡的個數。

圖20 多孔徑漸變濾光原理Fig.20 Schematic diagram of spectral imaging with multi-apertures and linear varying filter

圖21 漸變濾光片與微透鏡陣列對正放置Fig.21 Aligned position between LVF, MLA and detector

圖22 漸變濾光片相對微透鏡陣列旋轉Fig.22 LVF rotation relative to MLA

Hubold采用3 243×4 864的CCD探測器，6×11微透鏡陣列，可在450～850 nm波段內獲取400×400×66大小的3D光譜數據立方體，體積緊湊，達到60 mm×60 mm×28 mm。

Hubold方法的優點是：通過傾斜LVF，大幅提升了光譜通道數；LVF的制作難度遠低于分塊濾光片，采用商用LVF將大幅降低光譜儀的制造難度；體積小、質量輕。其缺點是：雖然假設LVF變譜方向的光譜在較短的距離內近似不變，但是當單個微透鏡覆蓋的LVF區域較大時，光譜擾動明顯，覆蓋的區域越大，光譜擾動越大，不利于大孔徑的光譜成像。

2019年，Mu等改變了系統結構，將MLA與CVF的位置顛倒，MLA放置在外側，LVF放置在FPA探測器前面，不再旋轉LVF，而是旋轉MLA，大幅抑制了光譜擾動。Mu將該結構命名為光學復制與重繪成像光譜儀(Optically Replicating and Remapping Imaging Spectrometer, ORRIS)[19]。

MLA旋轉一定角度后，每個微透鏡沿著變譜方向移動Δx，如圖23所示。平行于恒譜方向設計長條帶，用于從子圖像中取樣數據進行重建，該長條帶的寬度等于微透鏡變譜方向的移動距離Δx，此時長條帶區域內子圖像將形成無縫平移。當長條帶寬度與微透鏡縱向個數的乘積等于光譜圖像寬度W時，拼接后會形成完整的場景圖像。因長條帶的寬度很窄，滿足LVF光譜不變假設，拼接重建后的圖像光譜帶寬很窄，光譜擾動微弱。

圖23 光學復制與重繪成像光譜儀的透鏡陣列旋轉與圖像重建Fig.23 MLA rotation and image reconstruction of optically replicating and remapping imaging spectrometer

性能上ORRIS原理樣機能夠在單個積分時間內捕獲380～850 nm波段內80個連續光譜通道，空間分辨率為400×400像素，體積大約為50 mm (長)×70 mm (寬) ×70 mm(高)，質量為0.5 kg。微透鏡陣列實現了場景圖像的多孔徑光學復制功能，因此將SI_MALVF歸類為直接測量的孔徑分割方法。

4.4 多孔徑傅里葉變換

快照式高光譜成像傅里葉變換(Snapshot Hyperspectral Imaging Fourier Transform, SHIFT)光譜儀的想法是對Hirai于1994年開發的多圖像傅里葉變換光譜儀(Multiple-image Fourier Transform Spectrometer, MIFTS)的擴展[20]。最初的MIFTS是基于邁克爾遜干涉儀和透鏡陣列，而SHIFT光譜儀是基于透鏡陣列后面的一對雙折射Nomarski棱鏡。

如圖24所示，目標物經過N×M透鏡陣列，復制為N×M個子圖像陣列，再經過由兩個Nomarski棱鏡組成的雙折射偏振干涉儀(Birefringent Polarization Interferometer,BPI)，最終探測器上的子圖像產生光程差(Optical Path Difference, OPD)。由于BPI相對于探測器陣列旋轉一個小角度δ，每個子圖像具有不同的OPD，N×M個干涉子圖像具有不同的光程差。通過依次提取每個干涉子圖像來組裝3D干涉圖立方體。沿著干涉圖立方體的OPD軸進行傅里葉變換，重建3D光譜數據立方體。

圖24 快照式高光譜成像傅里葉變換成像原理Fig.24 Schematic diagram of Snapshot Hyperspectral Imaging Fourier Transform

SHIFT的優點是：基于Nomarski棱鏡的設計能夠有效減少相機的體積；雙折射棱鏡便于制造；共光路一體化設計，提高了對振動的魯棒性。缺點是：采用微透鏡陣列，使得干涉圖子圖像之間存在視差；由于依賴雙折射效應，在成像非偏振場景時，SHIFT的光通量至少降低50%。

因SHIFT的微透鏡陣列的作用是復制場景，而最終的3D光譜數據立方體需要傅里葉變換重構，為此將SHIFT歸類為直接重構的孔徑分割技術。

4.5 計算層析

1997年，Descour和Dereniak提出計算機層析成像光譜儀(Computed Tomographic Imaging Spectrometry, CTIS)，它由物鏡、視場光闌、準直透鏡、2D光柵、二次成像透鏡和CCD等元件構成[21]，如圖25所示。全息2D光柵色散元件將準直后的光束投影色散到3×3方向，通過最大期望迭代反演算法，可由獲取的投影圖像反演到3D光譜數據立方體。

圖25 計算機層析成像光譜儀原理Fig.25 Schematic diagram of computed tomographic imaging spectrometry

Vandervlugt等人通過設計更高階的2D光柵[45]，如5×5和7×7圖案，實現更多方向的投影，產生更高的光譜分辨率。對于一個2 048×2 048的FPA，典型的CTIS設計將光闌成像到100×100的區域，沿著626像素長的外對角線給出投影，可生成134通道的光譜圖像。

CTIS實現了瞬時快照式的光譜采集，且不需要任何濾光設備，具有很高的光轉換效率。但是，CTIS只能將3D光譜數據投影到有限的若干個方向上，導致采集數據對應的傅里葉變換域存在一個圓錐形的采樣丟失，這一圓錐丟失問題嚴重影響了重構的準確性；并且在實際應用中該系統具有校準困難，不穩定等問題，只適用于精密制造的測量儀器，實用性不強。

CTIS的2D光柵將場景投影到不同方向，類似于微透鏡陣列的場景復制，又因需要迭代反演重構，因此將CTIS歸類為迭代重構的孔徑分割技術。

4.6 小 結

孔徑分割方法主要包括場景復制與光譜分光兩個過程。場景復制一般通過微透鏡陣列實現。按照光譜分光方式可將現有的孔徑分割技術分為濾光式、干涉式和色散式。其中，干涉式基于傅里葉變換原理，如SHIFT，通過干涉條紋反演數據立方體，要求儀器能獲得高質量的干涉條紋，裝調難度大。而濾光式原理簡單，如采用微濾光片陣列的MSI-TOMBO、MS-ITF，采用漸變濾光片的SI-MALVF。微濾光片陣列方案的設計制作難度較高，新型漸變濾光片方案極大地降低了快照式光譜儀的研制難度，具有很好的研究前景。

綜上不難看出，新型光譜分光的孔徑分割快照式光譜儀是孔徑分割技術的發展趨勢。

5 光路分割

5.1 分束器

基于分束器的光譜成像(Spectral Imaging with Beam Splitting, SI-BS)源于通道式光譜成像，其思路是采用分束器將不同中心波長的光束轉移到不同的成像通道，由多個探測器成像獲取[9]。圖26將一組二色濾光片作為分束器，每個二色濾光片反射預定義顏色的光，透射其他顏色的光，圖中采用4個濾光片獲取5通道光譜圖像。這種方式的優點是：共光路，不存在視差，可以通過裝調實現窄帶光譜圖像的精確配準，不需要通過后期的圖像處理方式實現。但是，相機體積較大，質量較重。

圖26 基于多個光譜分束器的光譜成像原理Fig.26 Spectral imaging principle using multiple spectral-beam splitters

1978年，Bleukens提出了一種用于彩色攝像機的分色棱鏡組件，如圖27所示，3個膠結的分束器立方體將入射光分成3個色帶，每個色帶由獨立的探測器觀察[22]。該組件使彩色攝像機結構更為緊湊，廣泛用于RGB彩色攝像機。通過改變分束棱鏡設計可以調整分束后的中心波長，實現3通道快照式光譜成像。2012年，Murakami 提出了四分色的分色棱鏡，如圖28所示，可實現4通道的快照式光譜成像，但是通過棱鏡將入射光分成4束以上，在現階段仍沒有更好的辦法實現[23,46]。SI-BS將光路通過分束器進行分割，不需要計算重構，歸類為直接測量的光路分割技術。

圖27 三通道分色棱鏡組件Fig.27 Dichroic prism assembly

圖28 基于四通道分色棱鏡組件的光譜成像原理Fig.28 Spectral imaging principle using quarter prism assembly

5.2 濾光片堆棧

基于濾光片堆棧的光譜成像(Spectral Imaging with a Filter Stack, SI-FS)如圖29所示。首先用準直鏡對入射光進行準直，然后濾光片堆棧將不同光譜的光束反射到不同位置，并由聚焦鏡收集，最后在探測器的不同位置形成不同波段的光譜圖像[22]。其中，濾光片堆棧類似于SI-BS的分束器，由一組傾斜的雙色濾光片構成，每個雙色濾光片反射設計波段的光束，透射其他波段的光束。

與SI-BS不同的是，SI-FS濾波器堆棧集成在一起，縮短了光路，大幅減小了體積和質量；并且由于相鄰之間的角度很小，因此不同波長之間的光路差異可以忽略不計。然而，濾波器堆棧中可以容納傾斜角度的范圍有限，很難進一步增加SI-FS的光譜通道數，最先進的SI-FS可以快照捕獲12個光譜通道[24]。

由于SI-FS采用濾光片堆棧將入射復色光反射到探測器的不同位置，因此將該技術歸類為直接測量的光路分割方法。

圖29 濾光片堆棧原理示意圖Fig.29 Schematic diagram of spectral imaging with a filter stack

5.3 圖像復分

2003年，美國Heriot-Watt大學的 Harvey提出了圖像復分成像光譜儀(Image-replicating Imaging Spectrometer, IRIS)，利用雙折射介質的雙光束偏振干涉法實現光譜濾波，利用Wollaston棱鏡實現雙光束的分離[25]。

圖30 級聯雙折射干涉儀的光譜濾波和光線分離原理Fig.30 Spectral filtering and light separation principle of cascaded birefringent interferometer

最簡單的雙光束偏振干涉儀原理如圖30所示，由兩級雙折射干涉儀級聯而成，每個雙折射儀由一個波片延遲器和Wollaston棱鏡組成。輸入光由一個偏振片線性極化，并傳輸到第一波片延遲器上，波片的快軸與偏振片的光軸呈45°對準。在尋常光和非常光兩個偏振分量之間引入光程差b1t1，其中b1是第一波片的折射率，t1是第一波片的厚度。這兩個偏振分量與波長相關，可描述為：

T‖=cos2(b1t1k/2),

T⊥=sin2(b1t1k/2),

(1)

其中k=2π/λ是波數。這兩個偏振分量被Wollaston棱鏡分離，并指向不同方向。然后第一束偏振光T‖進入第二波片延遲器，又產生兩束正交的偏振分量，與原有的偏振分量產生干涉，經過第二Wollaston棱鏡后指向不同的方向，描述為：

T‖,‖=cos2(b1t1k/2)cos2(b2t2k/2),

T‖,⊥=cos2(b1t1k/2)sin2(b2t2k/2),

(2)

其中：b2是第二波片的折射率，t2是第二波片的厚度。同樣第二束偏振光T⊥進入第二波片延遲器、第二Wollaston棱鏡后，也產生兩束指向不同方向的偏振光：

T⊥,‖=sin2(b1t1k/2)cos2(b2t2k/2),

T⊥,⊥=sin2(b1t1k/2)sin2(b2t2k/2).

(3)

至此，產生了4束指向不同方向，具有不同光譜帶的偏振光，如圖30所示。

光束被分光為2n(n表示Wollaston棱鏡的個數)束，同時濾波成2n光譜帶，最后2n束光經成像鏡成像在探測器上。

光譜圖像直接記錄，不需要反演計算，也不存在伴隨反演的噪聲放大。但由于需使用線偏振片，當成像非偏振場景時，會損失一半的光通量；而且需要具有充分折射率的大規格Wollaston棱鏡，因此難以測量很多的光譜帶，目前最多可測量16個通道的光譜帶；此外，難以校正與偏振相關的色差。

IRIS通過級聯多個Wollaston棱鏡，將光路拆分為2n個，可歸類為直接測量的光路分割技術。

5.4 小 結

光路分割方法基于通道式光譜成像方法，主要通過分束器或堆棧將光路一分為多。該類技術光路復雜、光譜通道數較少、體積質量較大，因此在快照式光譜成像領域的研究不活躍。可以預測研究新型緊湊、巧妙的分束器，增加光譜通道，減少體積和質量仍然是該方法的研究方向。

6 頻域分割

多光譜Sagnac干涉儀(Multispectral Sagnac Interferometer, MSI)是色散補償的Sagnac偏振干涉技術(Dispersion-Compensated Polarization Sagnac Interferometer, DCPSI)向光譜成像技術的延伸，其原理如圖31所示[26]。

圖31 多光譜Sagnac干涉儀原理Fig.31 Schematic diagram of multispectral Sagnac interferometer

入射光被線柵分束器WGBS分成兩束。其中，反射光束(偏振方向垂直于紙面)通過閃耀光柵G2以與光軸呈正衍射角衍射，經過反射鏡M2和M1的連續反射，放大橫向剪切量，至閃耀光柵G1，經過G1負衍射角衍射，平行于光軸到達線性偏振片。透射光束(偏振光譜垂直于光軸)以反向光路最后也以平行于光軸方向到達線性偏振片。最終兩束光與光軸平行、橫向偏移地離開干涉儀，橫向剪切量為：

(4)

其中：m是衍射級次，d是閃耀光柵周期，a+b+c是G1與G2的距離，λ為波長。再經過成像鏡，在探測器上形成與波長無關的干涉條紋，其空間條紋載波頻率為：

(5)

在DCPSI中通過引入單階閃耀光柵(m=1)，形成了與波長無關的載波頻率干涉條紋，實現了色散補償。通過空間濾波和反演計算，可實時獲取3個Stokes參數。MSI通過引入多階閃耀光柵(m=2,3,4,5)，形成了與波長無關，但與衍射級次相關的干涉條紋；并且通過傅里葉逆變換，可以獲得與衍射級相關的反演子圖像。因多階閃耀光柵的衍射效率的極大值與衍射級次相關，衍射級越高，衍射效率的主峰(閃耀波長)越向短波偏移，如圖32所示。最終，每級衍射的反演子圖像與光譜帶唯一對應，實現了快照式四通道光譜成像。

圖32 多階閃耀光柵的衍射效率Fig.32 Diffraction efficiency of multi-order blazed grating

多光譜Sagnac干涉技術本質上是一種在重合的干涉場上同時測量多個不同光譜切片的多光譜方法。其優點是多個譜帶之間本質是空間配準的，不需要進行配準處理，降低了后續處理的難度。其缺點是：光譜通道數較少，光譜帶必須對應于光柵衍射級的閃耀波長；由于線性偏振輸入，光吞吐率減半。因此，該技術目前的實用化程度不高。MSI在頻域上進行分光，需要通過傅里葉變換重構，故將該技術歸類為直接重構的頻域分割技術。

7 對比分析

表1對比了17種現有光譜成像儀，列出了不同光譜成像儀的分割方法、重構方法、空間分辨率、光譜分辨率的受限因素、光通量利用率以及目前各種方案能達到的數據立方體規格。

表1 快照式光譜成像技術對比

7.1 空間像素數與光譜通道數的權衡

大多數快照式光譜成像技術采用空間分辨率換取光譜分辨率的方法，由2D空間圖像重排或重構出3D立方體，為此快照式光譜成像難以同時獲得較多的空間像素數和光譜通道數。

在實際應用中，應根據實際需求，對空間像素數與光譜通道數進行權衡。可變形光纖IFS-F由于低空間像素數、高光譜通道數，適用于動態目標跟蹤識別需求。IFS-L，IFS-P，IMS，MS-PPF，SI-LF和MS-ITF由于像素數和光譜通道數適中，適用于光譜通道數與空間像素數需求均不高的探測識別場合。SI-BS，SI-FS及MSI一般應用于光譜通道數需求較少的場合。

7.2 圖譜匹配

在實際應用中，希望獲得的每個像素與光譜匹配，如果圖譜之間失配，將為實際應用帶來較大困難。如MS-PPF技術每個體素中的光譜實際上不能正確匹配到同一空間位置，光譜通道數越多，圖譜失配越嚴重。基于孔徑復制的MSI-TMOBO，MS-ITF，SI-MALVF和SHIFT，由于采用了微透鏡陣列復制場景，場景之間存在視角場景，極易造成圖譜失配，為此要進一步研究光譜通道圖像的配準方法，提高圖譜匹配性能。

7.3 空間采樣的連續性

IFS-P和SI-LF采用針孔進行空間離散采樣，難以用于小目標的偵察。雖然IFS-L采用微透鏡會聚采樣空間，但易造成空間光譜的混疊，為后續應用帶來不便。因此，這些方案不適用于小目標偵察和光譜精度要求較高的場合。

7.4 光能利用率

光通量一直是制約光譜成像應用到遠距離探測識別的關鍵因素。SI-LF通過針孔成像，將一個采樣空間復制到多個像素通道。SHIFT，IRIS和MSI由于采用了偏振片，將光通量降至50%以下，大幅降低了光譜成像儀的探測識別能力。在一些應用場合，可通過高靈敏度探測器提高光譜圖像的成像質量。

7.5 動態范圍

在光譜成像中，成像系統、色散器和探測器的光譜響應率不同，導致不同光譜通道的圖像亮度和對比度有很大差異。同一個成像探測器獲取的不同光譜通道的圖像，會出現有的像素過飽和，有的像素光照不足，難以兼顧不同光譜通道的成像質量，這給探測器的增益調整帶來了難度。因此，快照式光譜成像需要采用具有大動態范圍的探測器。

8 總 結

快照式光譜成像能夠在單個積分時間內獲取完整的3D光譜數據立方體，不需要通過時間序列點掃描、線掃描或譜掃描的方式獲得立方體，滿足動態場景的探測識別需求。根據分割策略，將快照式光譜成像分為圖像分割、孔徑分割、光路分割及頻域分割4類。圖像分割的特征是將分割元件置于成像系統像面；孔徑分割的特征是在成像系統的出瞳處復制場景；光路分割的特征是在通過分光元件將入射光分成不同的光路。基于分割策略的分類方法能覆蓋現有的各種快照式光譜成像技術方案。

本文綜述了17種不同的快照式光譜成像技術方案的原理、優點及缺點，最后對比了它們的性能。在應用快照式光譜成像儀時，應根據實際需要權衡空間像素數與光譜通道數。對于像素與光譜匹配精度較高的場合，應避免使用像素濾光的MS-PPF，如果采用孔徑分割的MSI-TMOBO，MS-ITF，SI-MALVF，SHIFT需進行高精度的光譜圖像配準。當探測識別小目標時，應避免選擇空間采樣不連續的方案IFS-P，SI-LF。對于遠距離探測識別，應采用高靈敏度探測器。為獲得較高質量的光譜圖像，應采用具有大動態范圍的探測器。