数字微镜器件光谱成像技术进展
1 引 言
数字微镜器件的诞生改变了传统光谱成像技术的格局。光谱成像技术不仅具有成熟的理论支撑，而且具有极强的发展潜力。光谱成像系统不同于光谱仪，不仅能够获取观测区域的光谱信息，同时也能获取观测区域的空间信息，实现“图谱合一”。1983年，世界上最早的一台光谱成像仪AIS-1诞生于美国NASA喷气动力实验室［1］。如今，经过40年的发展，光谱成像技术具有多种分类标准，按照扫描方式可以分为摆扫式［2］、推扫式［3］、凝视式［4］和快照式［5］等类型。
数字微镜器件（Digital Micromirror Device， DMD）的诞生和发展与光谱成像技术处于同一时期。1982年，DMD被作为一种空间光调制器件诞生于德州仪器实验室［6］，早期主要应用在投影显示领域。经过科研人员不断的挖掘和探索，DMD的应用领域也从传统的投影显示领域扩展到无掩膜光刻［7-9］、光束整形［10-13］、全息成像［14-15］和共焦测量［16-17］等领域。
灵活的调制模式赋予了DMD在光谱成像领域的独特优势，通过对成像视场的灵活设置，可以代替传统推扫式和快照式光谱成像系统中的机械狭缝和机械掩模版。传统推扫式光谱成像系统通常由尺寸较大的扫描机构和其他光学元件构成，而DMD的使用可以替代其中的扫描机构，在芯片级别的尺寸上实现推扫以及多种扫描方式［18］，可以进一步提升系统的稳定性并缩小系统的体积。同时，DMD的微镜阵列是一种天然的可编程掩膜版，能够代替传统的机械掩模版。通过对DMD微镜阵列进行编程，可以获得诸如哈达玛变换掩膜版等多种形式的编码孔径光谱成像仪［19］。近年来，研究人员已提出多种基于DMD的不同类型的光谱成像系统［20-21］，但在应用领域基于DMD的光谱成像系统还存在一些难点亟待解决。
本文详细介绍了两类基于DMD的光谱成像系统的组成和工作原理，一类是利用DMD进行推扫的光谱成像系统，另一类是利用DMD进行编码孔径的光谱成像系统。除此之外，还详细介绍了基于DMD光谱成像系统具有的衍射像差和像面倾斜导致的像差以及消除DMD像差的相关研究，并探讨了基于DMD的光谱成像系统的优化和发展方向。
2 系统组成与工作原理
按照在光谱成像系统中的作用，DMD可以分为两大类：编码孔径光谱成像和推扫式光谱成像。在编码孔径光谱成像系统中，DMD的主要功能是代替机械掩膜版实现可编程掩膜；在推扫式光谱成像系统中，DMD的作用是代替机械狭缝完成扫描功能。DMD作为整个光谱成像系统的核心器件，起着举足轻重的作用。
DMD的发展始于1977年由著名物理学家拉里·霍姆贝克领导的德克萨斯仪器公司。之后，德克萨斯仪器公司获得了美国**部的一个项目，要求制造一种可以调节光线的设备。经过多年的研究和开发，霍姆贝克提出利用微镜作为一种开关来调制光。Instruments Hombeck公司在1987年研发了第一台数字微镜设备［6］，并于1991年获得DMD设计的第一项专利，这是数字微镜器件最早的原型，标志着DMD真正意义上的诞生。DMD早期主要应用于投影显示，随着研究人员的不断开发，DMD的应用领域越来越广泛。
DMD的微镜结构包含两部分，一部分是位于底部的CMOS电路，另一部分是位于上部的铝制微机械结构，如图1（b）所示。DMD工作时，通过底部的CMOS电路传输电信号，通过静电力驱动依附于铰链上的微镜进行双稳态偏转，偏转角度随DMD规格的不同而变化。需要注意的是，DMD微镜是沿着正方形的对角线进行偏转的。DMD只有在不加电压的情况下才会处于水平状态。工作时，每个微镜要么处于开态，要么处于关态。
为满足差异化的市场需求，如今的DMD已经发展成为具备多种规格、包含多种版本的系列化产品。芯片尺寸从0.16英寸到0.8英寸不等，最小显示分辨率为320×180，最大显示分辨率为3 840×2 160。微镜尺寸包含5.4，7.6，10.8和13.68 μm多种规格。早期DMD多偏转±10°，当前大多版本的DMD的偏转角度为±12°，±14.5°，±17°，偏转角度的提高有助于对比度的提高。同时，DMD还具备方形和菱形［23］两种不同的微镜排列方式，如图2所示。
某些型号的DMD不仅具有可见光窗口，还具有紫外和近红外窗口［24］。显示分辨率为1 024×768的DMD具有多波长保护窗口，因此该款DMD成为最常用的器件。通过改变用于保护芯片的前窗的材料，可以针对不同的电磁光谱对DMD进行优化。多种型号和规格的DMD，不仅可以满足传统意义上的投影与显示应用，还能够满足3D打印、3D扫描、机器视觉、光谱和汽车电子等领域的应用［20］。
2.1 基于DMD的编码孔径光谱成像
基于DMD的编码孔径光谱成像系统通过对孔径进行编码采集得到混叠光谱数据，之后再进行解码，从而获得目标的三维数据立方体，实现光谱成像功能。按照“先编码后色散”还是“先色散后编码”，编码孔径光谱成像系统可以分为空间维编码光谱成像系统和光谱维编码光谱成像系统，它们可以有效提高系统光通量。
图3为基于DMD的空间维编码光谱成像系统的基本工作原理。DMD作为空间编码掩膜版，目标经过DMD完成空间维调制，再经过色散元件，由探测器获得混叠光谱信息。最后，经过解码过程获得目标的三维数据立方体。
图 3. 基于DMD的空间维编码光谱成像系统的工作原理
Fig. 3. Working principle of spatially coded aperture imaging spectrometer based on DMD
基于DMD的空间维编码光谱成像的典型应用是压缩感知光谱成像。该技术利用空间和光谱信息在某一变换域的稀疏性，通过DMD的空间编码完成信息的稀疏采样。其求解原理如下：
式中：为正则化系数；为编码矩阵，编码矩阵可采用哈达玛矩阵、伯努利随机矩阵等，加载到DMD上完成空间维编码；y为测量数据，测量数据的维度远小于目标数据维度；x为目标数据，可在某一变换域稀疏表示：，为稀疏变换矩阵，s为目标数据的稀疏表示。求解过程是严格的最优化问题，对欠定方程组进行迭代求解，获得目标数据的估计。常用的求解算法有梯度投影稀疏重建方法、两步迭代收缩阈值方法等。
基于DMD的空间维编码光谱成像系统的结构较为复杂。首先，编码模板的像素与探测器的尺寸需要严格的比例匹配，这对光学系统的设计提出了很高的要求；其次，需要大面积的探测器以捕获所有的数据信息；此外，采集数据量小而重构的数据量大，对于图像重构算法也提出了很高的要求。
基于DMD的光谱维编码光谱成像系统（见图4）在结构上要先经过色散元件进行色散，一次色散后的混叠光谱展开在DMD表面，DMD进行光谱维度的编码，再经过相同的色散元件进行合光，最终在探测器表面得到编码后的光谱信息。经过反编码得到目标的三维数据立方体。根据有无狭缝结构，系统又可以分为有狭缝推扫式和无狭缝快照式。带狭缝的光谱编码成像系统相当于在传统的狭缝推扫光谱成像系统中应用编码孔径。
图 4. 基于DMD的光谱维编码光谱成像系统
Fig. 4. Spectrally coded aperture imaging spectrometer system based on DMD
基于DMD的光谱维编码光谱成像的典型应用是哈达玛变换光谱成像。哈达玛变换来源于称重测量原理，由±1组成的哈达玛
式中：x为目标数据，
与基于DMD的空间维编码光谱成像系统相比，基于DMD的光谱维编码光谱成像系统在光学系统上更加复杂，需要增加一组额外的合光元件，而且合光元件并不能实现完全合光。如果使用一对光栅进行分光与合光，那仅能完成光栅一个级次的合光。随着编码次数的增加，实时性变弱。不过，基于DMD的光谱维编码光谱成像系统的图像重构算法比较简单。
2.2 基于DMD的推扫式光谱成像
基于DMD的推扫式光谱成像方式可以分为两种：照明推扫和成像推扫。照明推扫是将DMD与照明系统集成为DLP（Digital Light Processing），如图5（a）所示，依次按列照明目标。被照亮的目标区域将光反射进入后续物镜和分光系统中，最终探测器得到每一列的光谱数据立方体，通过数据处理可以获得目标的完整三维数据立方体。这种推扫方式多用于微观目标，如显微光谱成像领域。
图 5. 两种基于DMD的推扫式光谱成像系统
Fig. 5. Two different push-broom spectral imaging systems based on DMD
成像推扫的主要工作原理是将DMD放置在物镜L1的像面处，目标经物镜一次成像在DMD微镜表面，如图5（b）所示。DMD逐列进行扫描，依次将目标图像反射到后续分光光路中，每一列图像经过分光光路色散，由探测器捕获到每一列的光谱数据。完成扫描后，将获得整个目标的光谱数据立方体。
推扫式光谱成像系统除了具有光学系统进行成像、准直和会聚等功能之外，往往需要分光元器件进行分光，分光元器件通常选用棱镜或者光栅。它们各有优缺点，棱镜的色散属于非线性色散，光谱分辨率较低，但光通量较大；而光栅的色散属于线性色散，光谱分辨率高，但是存在不同的衍射级次，导致光通量减少，同时不同级次之间的不同波长还存在重叠，因此限制了波段的有效范围，实际使用时应根据需要择优选取。
基于DMD的推扫式光谱成像系统的优势在于系统结构简单，不需要复杂的光谱标定和辐射标定过程，也不需要复杂的图像处理算法，空间分辨率和光谱分辨率都比较高。但基于DMD的推扫式光谱成像系统的缺点也比较明显，即按列扫描的方式导致系统单次曝光的光通量小。当目标光强较弱时，需要延长曝光时间以增强光信号，这可能会增加系统的采集时间。
3 发展进程
3.1 基于DMD的编码孔径光谱成像系统
由于DMD具有优良的空间光调制特性，1995年佛罗里达大学化学系的Wagner II使用最早版本的数字微镜光调制器研制了一台基于DMD的可见光光谱仪［25］。微镜阵列是一种天然的哈达玛变换掩膜版，随着DMD产品的逐渐成熟，DMD开始应用于哈达玛变换光谱仪领域［26-33］。DMD不仅推动了哈达玛变换光谱仪的发展，也促进了编码孔径光谱成像技术的发展。
在20世纪末21世纪初期，已经有介绍DMD特性［34］及其在成像和光谱方面潜在应用的相关报道［35-37］。这些早期研究对基于DMD的光谱成像应用具有极其重要的作用，不仅介绍了DMD的相关特性，还进行了实验验证，为后续的研究奠定了基础。
2001年，美国的Sandia国家实验室首次提出将DMD应用于光谱成像［38］，他们采用双Offner结构，将DMD放置在第一块光栅的色散平面上，完成光谱维哈达玛变换编码，经过第二块光栅的合光，最终在探测器上获得编码后的色散光谱维数据。2002年，他们又提出了一种新型简化版的色散光谱成像系统［39］，其结构与图5（b）推扫式光谱成像系统相似。
深耕哈达玛变换光谱成像领域数十年的堪萨斯州立大学的Hammaker团队，于2002年提出了一种基于DMD的新型光谱成像仪［40］，该光谱成像仪使用一个DMD和一个单像素探测器以消色散的模式工作在近红外波段。同年，乔治梅森大学的Christensen提出了一种主动眼技术［41］，这是一种用于高动态范围高光谱成像的自适应逐像素图像分割传感器架构，如图6（a）所示。该架构包含两个光学支路，一个支路用来获得光谱信息，一个支路用来获取空间信息。
图 6. 基于DMD的编码孔径光谱成像仪的光路结构
Fig. 6. Optical layout of coded aperture imaging spectrometer based on DMD
2006年，美国Spectral Science的Goldstein等提出了天基自适应光谱成像仪［42］，该仪器采用曲面光栅和一个较大的球面反射镜优化了光学系统。2009年，他们以此为基础搭建了基于DMD的高光谱成像系统原型样机并进行了测试［43］。2013年，他们更深入地完善了系统，搭建了红外波段的自适应光谱成像仪，并对系统进行更深入的测试，测试目标包含特定环境中的一些气体［44］。2015年，他们的研究进一步向工程化和实用化迈进，搭建了一套便携式、远距离的光谱成像相机用于检测气体流出物和残留物［45］。
2010年，中国科学院西安光机所的孙鑫研究了基于DMD的天基哈达玛变换光谱成像探测技术［46］。2012年，他更详细地介绍了多路复用和哈达玛变换光谱成像原理等［47］，并搭建了基于DMD技术的哈达码变换光谱成像仪，如图6（b）所示。
2009年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Love提出了一种基于DMD的可编程滤光器和哈达玛变换光谱成像仪［48］。在后续的几年内，Graff和Love持续进行这方面的研究，相继提出了基于DMD的全帧可编程光谱滤波器［49］、自适应光谱成像仪［50］以及面向实时化学检测的光谱成像仪［51］，并首次提出了使用两个正交光栅或前置DMD消除DMD衍射效应的方法，如图7（a）所示。
2006年，Rice大学的Takhar等基于压缩传感原理，使用DMD构建了单像素压缩成像相机［52］。2008年，他们针对该方向进行了更为深入的研究，详细探究了基于DMD的单像素压缩传感成像的原理［53］及DMD在太赫兹成像领域的应用［54］。2011年，美国特拉华大学的研究人员提出了一种基于DMD的压缩传感快照式光谱成像系统，如图7（b）所示［55-57］，该系统将基于DMD的光谱成像技术与压缩传感原理结合起来，进一步提高了采集速度。2014年，清华大学的林欣等提出了一种基于DMD的双编码压缩高光谱成像系统［58］，提升了压缩重构算法的质量。2020年，北京理工大学的许昌等提出了一种双色自适应编码超分辨压缩光谱成像方法［59］，提高了高光谱成像仪的重构分辨率和精度。同年，K. Optronics的Zhou等提出一种压缩编码的高光谱视频成像仪［60］，可以获得视频速率的高光谱成像数据。
2016年，中国科学院上海技物所的张昊研究了基于DMD的编码孔径光谱成像仪的关键技术［19］，并搭建了基于DMD的编码孔径光谱成像仪样机。2018年，中国科学院深圳先进技术研究院的马翠研究了基于DMD的编码光谱成像仪，并探究了哈达玛变换、傅里叶变换和压缩感知等多种编码方式［61］。
经过数十年的蓬勃发展，基于DMD的编码孔径光谱成像技术日趋成熟，虽然具有更高的光通量和采集速度，但更依赖于编码和解码的算法。
3.2 基于DMD的推扫式光谱成像系统发展进程
相较于基于DMD的编码孔径光谱成像系统，起步较晚的基于DMD的推扫式光谱成像系统则显得小众，但这并不阻碍推扫式光谱成像系统展现自身的优势。
2003年，德国高技术研究所的Wuttig等提出了一种基于自研MEMS微镜的灵敏哈达玛变换光谱成像仪［62］。这种微镜按列排布进行哈达玛变换推扫，获得光谱数据，不仅提高了信噪比，也提高了光通量。2007年，欧洲联合实验室的Bednarkiewicz等提出了一种基于数字微镜的高光谱成像技术［63］，使用DMD顺序照亮样本的不同区域，通过光谱相机获得光谱成像数据，是一种照明推扫方式。
2016年，澳大利亚的Arablouei等提出了一种基于DMD的推扫式光谱成像技术，如图8（a）所示［18］，他们利用DMD的双通性，使用一个通路进行光谱成像，一个通路作为辅助支路进行辅助成像，实现了可见光波段快速、稳健的推扫式光谱成像。2017年，Hsu等利用基于DMD的DLP技术依次顺序照亮样本，实现样本表面的推扫式显微高光谱成像技术，也是一种照明推扫方式［64］。
2019年，本课题组提出一种基于DMD的高光谱成像系统，如图8（b）所示［65］，该系统通过DMD按列偏转实现高光谱成像。2021年，我们继续深入研究，提出了一种基于DMD的空间分辨率和光谱分辨率可调的显微高光谱成像系统，如图8（c）所示［66］。
2020年，新加坡国立大学的Yi等提出了一种基于DMD的推扫式哈达玛变换高光谱成像技术，如图8（d）所示［67］。与前述Arablouei等的工作具有异曲同工之处［18］，但他们利用DMD的双通性质构建了两个支路，其中一个支路是辅助成像系统，可以提前观测正在成像的区域。
基于DMD的推扫式光谱成像系统由于通光孔径的限制，需要较长的采集时间，但高的空间分辨率及光谱分辨率是该系统的优势。
4 DMD引入的像差及解决方法
DMD在光谱成像系统中的使用会引入两类像差：衍射和像面倾斜。这两类像差都是由DMD本身的结构引入的。由于DMD微镜阵列已经达到微米尺度，所以会产生衍射现象，会对成像质量造成一定的影响。而像面倾斜主要是由于DMD的光轴与镜头的光轴不匹配以及DMD自身微镜的等效倾斜镜面造成的。这两类像差会对编码孔径和推扫式光谱成像系统产生不良影响。
4.1 衍射像差及解决办法
DMD由数百万个排列整齐的微镜组成，这些微镜所构成的微观结构在光入射到DMD表面上时会产生衍射现象。对于不同的应用场景，衍射的作用有利有弊，但在光谱成像领域，DMD的衍射会降低像质，是有害的。
为消除或抑制DMD的衍射，构建DMD的衍射模型是必要的。关于DMD的衍射模型，已经有不少研究人员进行了这方面的研究［68-75］。衍射模型的建立有助于在光学系统设计之前找到最佳的系统参数，包括波长、微镜间距、入射角和滤波器尺寸，以提高对比度和衍射效率。
总的来说，消除或抑制DMD衍射的方法主要有两种［48］，第一种是使用与DMD刻线数相同刻线数的两个正交光栅来消除DMD的二维衍射效应；另一种方法是使用一个DMD消除另一个DMD的衍射效应。第二种方法目前已经实现，Liu等在2021年使用两个DMD和4f系统搭建了编码孔径的宽光场成像系统，如图9（a）所示，其中一个DMD用来消除另一个DMD的色散［76］，获得了不错的效果。
两种消除DMD衍射效应的方法都是利用双光栅的汇合光谱特性［77］，但只能消除一个级次的衍射现象，其他级次的衍射依然会影响成像效果，因此还需要添加光阑来滤除其他级次的衍射。此外，通过算法和图像处理也可以解决该问题。
4.2 像面倾斜及解决办法
像面倾斜是由DMD的光轴与镜头的光轴不匹配以及DMD自身微镜的等效倾斜镜面造成的。这一问题的直接表现为矩形像变形为平行四边形像，同时由像面倾斜导致的部分离焦，导致部分区域成像模糊的现象。
像面倾斜的解决方法需要从光学系统设计层面入手。2020年，中国科学院西安光机所的武鑫在研究基于DMD的自适应分类光谱成像系统时［78］，针对DMD和光栅引起的严重色差问题，采用光线追迹方法对成像过程进行分析，通过焦距匹配法解决了光学系统中色散光无法完全复合的问题。2020年，长春理工大学的王月旗针对基于DMD的编码孔径光谱成像光学系统，详细分析了DMD反射镜与普通反射镜的区别，以及DMD在光学系统中引入的像面倾斜，如图9（b）所示，提出必须根据沙姆原理将探测器表面倾斜相应的角度减小像面倾斜的影响，从而保证DMD平面与探测器平面具有物象共轭关系［79］。2021年，长春理工大学的赵雨时提出了一种用双DMD Offner系统消除DMD像面倾斜的方法［80］，使用一个空间维DMD完美地补偿了光谱维编码中红外光谱成像系统引入DMD时像面倾斜的问题，如图9（c）所示。2022年，中国科学院西安光机所的杨莹提出在光学系统设计时通过镜片的偏心和倾斜使成像像面与DMD表面匹配，如图9（d）所示，解决了在Hadamard编码红外光谱成像系统中DMD像面倾斜的问题［81］。
总的来说，为解决DMD像面倾斜的问题，需要通过光学系统设计合理地解决该问题。
5 总结与展望
本文详细介绍了基于DMD的编码孔径和推扫式光谱成像技术的工作原理和发展进程，重点介绍了DMD在不同系统中扮演的主要角色。DMD作为一种反射式空间光调制器，其具备的像素级控光能力，既能够获得灵活的编码调制模板，也可以构建快速推扫模式，能够代替传统光谱成像领域中的机械式掩膜版和机械狭缝，推动光谱成像系统的发展。除此之外，本文还针对DMD自身结构带来的对光谱成像造成负面影响的两个关键性问题：衍射和像面倾斜，总结了这些问题的普适性解决办法，有助于研究人员在使用DMD的光谱成像领域乃至于其他相关应用领域改善成像质量、提升光学系统性能。综上所述，基于DMD的光谱成像技术具有灵活可调制的特点，已经发展出多种面向不同应用场景的光谱成像系统。历经数十年，DMD在光谱成像及其他领域依然具有广阔的应用前景和发展潜力。
5.1 光学系统优化
由于DMD本身存在衍射和像面倾斜问题，这可能会严重影响光谱成像质量。虽然DMD作为一种成熟的微光机电系统已经得到了广泛的应用，但在诸如ZEMAX，Lighttools及Code V等光学设计软件中，难以对DMD的衍射效果和像面倾斜问题进行有效的模拟和分析，这不利于光学系统设计。如果能够在仿真过程中轻松地获得DMD的衍射和像面倾斜，通过采用合理的光学系统设计方案，在设计阶段就能解决衍射和像面倾斜问题，那么研究人员在系统构建和成像调试方面的效率将大大提高。
5.2 实时成像和数据处理
提高光谱成像系统的数据采集和处理效率以实现实时成像是一个重要的研究方向。基于DMD的推扫式光谱成像系统具备高的空间分辨率和光谱分辨率，但采集时间长且效率低。而基于DMD的编码孔径光谱成像系统则具备高采集效率，但需要较长的图像后处理时间，空间分辨和光谱分辨率较低。虽然采集效率和空间、光谱分辨率之间存在不可忽视的权衡关系，但在尽量短的时间内获得尽量高的空间和光谱分辨率是一个值得研究的问题。
为了提高推扫式光谱成像系统的采集效率，可以引入并行扫描等多路复用扫描方式。在基于DMD的编码孔径光谱成像中，增加编码次数获得多张编码图像可以提高系统的空间和光谱分辨率。此外，结合深度学习创建智能解码和图像重构算法，可以提升数据处理效率。同时，在光谱数据立方体中存在许多的冗余信息，通过对目标光谱的选择性处理和自适应成像来缩减数据量，也可以大大提高系统的采集和处理效率。
5.3 多模态成像
DMD具有高度的灵活性和可编程性，同时还具有双光路的特性，可以结合其他成像技术实现多模态成像。将基于DMD的光谱成像与光学相干成像相结合，可以实现同时获取目标结构和光谱信息的多模态成像。将DMD的光谱成像与偏振成像相结合，可以同时获得目标的偏振信息和光谱信息，为材料表征和生物医学等领域提供更全面的信息。此外，基于DMD的光谱成像还可与荧光成像、超分辨率成像等技术相结合，从不同角度提供更丰富的图像信息，进一步拓展多模态成像的应用领域。
5.4 小型化和集成化
随着微纳技术的进步，研究人员正致力于将DMD芯片进一步微型化，以适应便携设备和微型系统的需求。这意味着更小尺寸的DMD芯片可以在手机、智能眼镜和其他便携设备中嵌入，实现实时高速光谱成像。集成化是一个重要的发展方向。将DMD与其他相关技术，如微型镜头、微型分光元器件、微型图像传感器等进行集成，以实现更全面和多功能的光谱成像系统。这种集成化的方法可以提高系统的性能和效率，同时减少设备的体积和功耗。DMD技术的小型化和集成化还为微型系统的应用提供了更广阔的空间。如在医疗领域，DMD的小型化和集成化可以用于无创光谱成像，以帮助医生进行疾病诊断和监测。
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