Design of MWIR Hadamard coded imaging spectrometer

Ying YANG; Bingliang HU; Libo LI; Shuang WANG; Qiangqiang YAN

doi:10.37188/OPE.20223006.0641

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Design of MWIR Hadamard coded imaging spectrometer

Modern Applied Optics | 更新时间：2022-04-26

- Design of MWIR Hadamard coded imaging spectrometer
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 6, Pages: 641-650(2022)
- 作者机构：
  
  中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室，陕西西安 710119
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223006.0641
  CLC： TP391.4;TH744
- Received：05 July 2021，
  
  Revised：01 September 2021，
  
  Published：25 March 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
杨莹,胡炳樑,李立波等.Hadamard编码红外光谱成像系统设计[J].光学精密工程,2022,30(06):641-650.

YANG Ying,HU Bingliang,LI Libo,et al.Design of MWIR Hadamard coded imaging spectrometer[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(06):641-650.
杨莹,胡炳樑,李立波等.Hadamard编码红外光谱成像系统设计[J].光学精密工程,2022,30(06):641-650. DOI： 10.37188/OPE.20223006.0641.

YANG Ying,HU Bingliang,LI Libo,et al.Design of MWIR Hadamard coded imaging spectrometer[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(06):641-650. DOI： 10.37188/OPE.20223006.0641.

摘要

在空间调制型哈达玛变换光谱成像仪（Space Hadamard Transforms Spectral Imager， SHTSI）中采用数字微镜阵列（Digital Mirror Devices， DMD）作为编码器件，能够使系统实现小型化、轻量化、高分辨率、高帧频成像。但由于DMD的翻转特性，经过DMD编码后的光学成像面发生12°倾斜，导致SHTSI成像光路和制冷型探测器冷光阑不匹配，造成视场缺失和图像降质。针对这一问题，本文提出一种像面预补偿的新型哈达玛编码光谱成像系统设计方法，在前置成像镜组中采用倾斜和偏心的设计，使得一次像面实现24°倾斜，对DMD在调制过程中产生的像面倾斜进行预补偿，从而消除倾斜成像面造成的图像降质问题。基于该方法设计了SHTSI光学系统，系统全视场点列图RMS小于5 μm，保证系统在全视场范围内能够均匀成像。根据该设计方案研制SHTSI原理样机，试验结果表明，SHTSI系统满足设计指标，对成像数据进行复原，得到复原光谱角距离评价因子优于0.052。

Abstract

In a space Hadamard transform spectral imager （SHTSI） system， encoding the template using digital mirror devices （DMDs） can ensure that the system is miniaturized and lightweight， and has high resolution and high frame rate. However， modulation using DMD causes the focus plane of SHTSI to tilt； consequently， the resultant image obtained from the spectrometer does not match the cooled shield of the detector. This causes image degradation and field of view loss. In this paper， a novel SHTSI system design is proposed to improve the quality of the final image. The design also addresses the issues of cold stop aperture mismatch and field of view accuracy. In this scheme， the design of the front lens contains a tilted and off-center lens， which tilts the image of the object by 24° with respect to the primary focus plane. Based on this method， a SHTSI optical system is designed， and the spot diagram RMS of the full field of the system was calculated to be less than 5 µm. This ensures that the system generates an even image. According to this design scheme， a SHTSI principle model machine is developed. The experiment results show that the evaluation of the restored spectral angular distance of the SHTSI system is better than 0.052.

关键词

Keywords

references

高泽东，郝群，刘宇，等 . 高光谱成像与应用技术发展［J］. 计测技术， 2019 ， 39 （ 4 ）： 24 - 34 . doi: 10.11823/j.issn.1674-5795.2019.04.03 http://dx.doi.org/10.11823/j.issn.1674-5795.2019.04.03

GAO Z D ， HAO Q ， LIU Y ， et al . Hyperspectral imaging and application technology development ［J］. Metrology & Measurement Technology ， 2019 ， 39 （ 4 ）： 24 - 34 . （in Chinese） . doi: 10.11823/j.issn.1674-5795.2019.04.03 http://dx.doi.org/10.11823/j.issn.1674-5795.2019.04.03

张智南，李立波，胡炳樑，等 . 宽视场干涉光谱成像仪技术研究［J］. 光学学报， 2016 ， 36 （ 1 ）： 0130001 . doi: 10.3788/aos201636.0130001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201636.0130001

ZHANG Z N ， LI L B ， HU B L ， et al . Study of Fourier transform imaging spectrometer with wide field of view ［J］. Acta Optica Sinica ， 2016 ， 36 （ 1 ）： 0130001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201636.0130001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201636.0130001

高泽东，高洪兴，朱院院，等 . 快照式光谱成像技术综述［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 6 ）： 1323 - 1343 . doi: 10.3788/ope.20202806.1323 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202806.1323

GAO Z D ， GAO H X ， ZHU Y Y ， et al . Review of snapshot spectral imaging technologies ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 6 ）： 1323 - 1343 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20202806.1323 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202806.1323

NELSON E D ， FREDMAN M L . Hadamard spectroscopy ［J］. Journal of the Optical Society of America ， 1970 ， 60 （ 12 ）： 1664 - 1669 . doi: 10.1364/josa.60.001664 http://dx.doi.org/10.1364/josa.60.001664

HARWIT M . Hadamard transform techniques in spectroscopy and imaging spectroscopy ［J］. Infrared Physics ， 1977 ， 17 （ 6 ）： 457 - 457 . doi: 10.1016/0020-0891(77)90052-5 http://dx.doi.org/10.1016/0020-0891(77)90052-5

TREADO P J ， MORRIS M D . A hadamard transform Raman microprobe ［J］. Applied Spectroscopy ， 1989 ， 43 （ 2 ）： 190 - 193 . doi: 10.1366/0003702894203093 http://dx.doi.org/10.1366/0003702894203093

TREADO P J ， MORRIS M D . Hadamard transform Raman imaging ［J］. Applied Spectroscopy ， 1988 ， 42 （ 5 ）： 897 - 901 . doi: 10.1366/0003702884429076 http://dx.doi.org/10.1366/0003702884429076

SMITH M W ， SMITH J L ， TORRINGTON G K ， et al . Theoretical description and numerical simulations of a simplified Hadamard transform imaging spectrometer ［C］. SPIE Proceedings"， "Imaging Spectrometry VIII. Seattle， WA. SPIE ， 2002 . doi: 10.1117/12.451698 http://dx.doi.org/10.1117/12.451698

WEHLBURG J ， WEHLBURG C ， SMITH J ， et al . High Speed 2D Hadamard Transform Spectral Imager ［R］. Office of Scientific and Technical Information （OSTI）， 2003 . doi: 10.2172/808596 http://dx.doi.org/10.2172/808596

MARCO F D ， MARK A D ， DHARMPAL T ， et al . Single-pixel imaging via compressive sampling ［J］. IEEE Signal Processing Magazine ， 2008 ， 25 （ 2 ）： 83 - 91 . doi: 10.1109/msp.2007.914730 http://dx.doi.org/10.1109/msp.2007.914730

白军科，刘学斌，闫鹏，等 . Hadamard变换成像光谱仪实验室辐射定标方法［J］. 红外与激光工程， 2013 ， 42 （ 2 ）： 503 - 506 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.02.043 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2013.02.043

BAI J K ， LIU X B ， YAN P ， et al . Laboratory radiation calibration method of Hadamard transform imaging spectrometer ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2013 ， 42 （ 2 ）： 503 - 506 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.02.043 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2013.02.043

李芸，胡炳樑，高晓惠，等 . 哈达码变换光谱成像仪数据复原算法［J］. 光子学报， 2019 ， 48 （ 6 ）： 0630002 . doi: 10.3788/gzxb20194806.0630002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20194806.0630002

LI Y ， HU B L ， GAO X H ， et al . Spectral data reconstruction algorithm of hadamard transform spectral imager ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2019 ， 48 （ 6 ）： 0630002 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20194806.0630002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20194806.0630002

宫兴致，程梁，余飞鸿，等 . ［J］基于编码孔径的一维光谱压缩方法研究［J］. 光学学报， 2010 ， 30 （ 4 ）： 1188 - 1191 . doi: 10.3788/AOS20103004.1188 http://dx.doi.org/10.3788/AOS20103004.1188

GONG X Z ， CHENG L ， YU F H . Research of One-Dimensional Spectrum Compression Based on Coded Aperture ［J］. Acta Optica Sinica ， 2010 ， 30 （ 4 ）： 1188 - 1191 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS20103004.1188 http://dx.doi.org/10.3788/AOS20103004.1188

范玉，吴一辉，宣明，等 . 应用二维微硅片狭缝阵列的阿达玛光谱仪［J］. 光学精密工程， 2009 ， 17 （ 11 ）： 2724 - 2729 . doi: 10.1007/978-0-387-74660-9_12 http://dx.doi.org/10.1007/978-0-387-74660-9_12

FAN Y ， WU Y H ， XUAN M ， et al . Hadamard mini-spectrometer based on 2D multi-micro-silicon-slit matrices ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2009 ， 17 （ 11 ）： 2724 - 2729 . （in Chinese） . doi: 10.1007/978-0-387-74660-9_12 http://dx.doi.org/10.1007/978-0-387-74660-9_12

裴琳琳，吕群波，王建威，等 . 编码孔径成像光谱仪光学系统设计［J］. 物理学报， 2014 ， 63 （ 21 ）： 69 - 75 . doi: 10.7498/aps.63.210702 http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.210702

PEI L L ， LÜ Q B ， WANG J W ， et al . Optical system design of the coded aperture imaging spectrometer ［J］. Acta Physica Sinica ， 2014 ， 63 （ 21 ）： 69 - 75 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.63.210702 http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.210702

吕伟振，刘伟奇，魏忠伦，等 . 基于DMD的高动态范围成像光学系统设计［J］. 红外与激光工程， 2014 ， 43 （ 4 ）： 1167 - 1171 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.04.026 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2014.04.026

LV W Z ， LIU W Q ， WEI Z L ， et al . Design of high dynamic range imaging optical system based on DMD ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2014 ， 43 （ 4 ）： 1167 - 1171 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.04.026 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2014.04.026

何舒文，王延杰，孙宏海，等 . 基于DMD的高动态范围场景成像技术［J］. 光子学报， 2015 ， 44 （ 8 ）： 0811001 . doi: 10.3788/gzxb20154408.0811001 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20154408.0811001

HE S W ， WANG Y J ， SUN H H ， et al . High dynamic range imaging based on DMD ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2015 ， 44 （ 8 ）： 0811001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20154408.0811001 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20154408.0811001

王莹，刘华，李金环，等 . 基于DMD的近红外光谱仪的研究［J］. 红外与激光工程， 2019 ， 48 （ 6 ）： 432 - 440 . doi: 10.3788/IRLA201948.0620002 http://dx.doi.org/10.3788/IRLA201948.0620002

WANG Y ， LIU H ， LI J H ， et al . Research on near-infrared spectrometer based on DMD ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2019 ， 48 （ 6 ）： 432 - 440 . （in Chinese） . doi: 10.3788/IRLA201948.0620002 http://dx.doi.org/10.3788/IRLA201948.0620002

贺文俊，王祺，胡源，等 . DMD空间维编码对称Offner色散双色红外光谱成像装置： CN108827469A ［P］. 2018-11-16 .

HE W J ， WANG Q ， HU Y ， et al . DMD spatial dimension coding symmetric Offner dispersive dual-color infrared spectral imaging device ： CN108827469A ［P］. 2018-11-16 . （in Chinese）

张建忠，郭帮辉，谭向全，等 . 高对比度中/长波红外双波段视景仿真系统光学设计及测试实验［J］. 红外与激光工程， 2013 ， 42 （ 11 ）： 2894 - 2900 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.11.005 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2013.11.005

ZHANG J Z ， GUO B H ， TAN X Q ， et al . Design and testing of high contrast ratio MW/LW infrared dual-bands scene simulation system ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2013 ， 42 （ 11 ）： 2894 - 2900 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.11.005 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2013.11.005

吴培，王延杰，孙宏海，等 . 高动态调光成像系统畸变的自校正［J］. 光学精密工程， 2015 ， 23 （ 10 ）： 2997 - 3003 . doi: 10.3788/ope.20152310.2997 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20152310.2997

WU P ， WANG Y J ， SUN H H ， et al . Self-distortion correction of high dynamic dimming imaging system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2015 ， 23 （ 10 ）： 2997 - 3003 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20152310.2997 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20152310.2997

Views

840

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

No data

Related Institution

No data

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰