長波紅外（LWIR）光譜成像技術(shù)在氣體/液體檢測(cè)、礦產(chǎn)勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)及軍事安全領(lǐng)域中具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)的長波紅外光譜成像儀依賴于現(xiàn)有的分立色散元件，存在工作模式固定、光譜通道有限、整機(jī)體積龐大等缺陷，難以在智能化、多場(chǎng)景環(huán)境下靈活部署。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)上述問題，西北工業(yè)大學(xué)寧波研究院提出了一款緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀（CASI），其核心采用大孔徑長波紅外MEMS法布里–珀羅濾波芯片（MEMS-FPFC）。模塊化的芯片前置光學(xué)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)超緊湊尺寸（150 × 77 × 88 mm3）、輕量化（1.11 kg）以及“即插即用”模式。協(xié)同自適應(yīng)控制系統(tǒng)充分發(fā)揮MEMS-FPFC固有的可編程性可實(shí)現(xiàn)多種自適應(yīng)成像模式，包含全局粗/細(xì)掃描、局部細(xì)掃描和任意光譜帶組合等可編程光譜采集功能，可滿足特定應(yīng)用需求。這種自適應(yīng)性與光譜通道選擇和圖像融合算法相結(jié)合，有助于實(shí)現(xiàn)高效精確的目標(biāo)識(shí)別。該自適應(yīng)光譜成像儀的緊湊性和可編程性使其能夠集成到小型無人平臺(tái)上，從而推動(dòng)智能長波紅外光譜成像技術(shù)在工業(yè)污染監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)勘探和安防等可現(xiàn)場(chǎng)部署的應(yīng)用中落地。相關(guān)研究成果以“Compact adaptive spectral imager enabled by MEMS Fabry-Perot filtering chip in longwave infrared”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀（CASI）架構(gòu)及工作原理
圖1a展示了緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀的基本架構(gòu)，主要由MEMS-FPFC、成像透鏡和紅外（IR）探測(cè)器三部分構(gòu)成。作為核心光譜色散元件，MEMS-FPFC將通過成像透鏡入射的場(chǎng)景輻射分散為多路窄帶光譜通道。這些光譜通道由紅外探測(cè)器依次成像，最終形成包含目標(biāo)場(chǎng)景完整光譜信息的光譜數(shù)據(jù)立方體（如圖1b）。對(duì)該數(shù)據(jù)立方體進(jìn)行處理，即可從目標(biāo)和背景中提取特征光譜“指紋”（圖1c）。立方體內(nèi)的光譜圖像數(shù)據(jù)量以及光譜參數(shù)（例如分辨率和波段范圍）均由MEMS-FPFC劃分的光譜通道決定。通過定制MEMS-FPFC濾波模式，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多模”功能，從而突破傳統(tǒng)光譜成像儀固定工作模式的局限。
圖1 基于MEMS-FPFC的光譜成像儀的系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理示意圖
實(shí)現(xiàn)長波紅外波段的可編程自適應(yīng)光譜成像，需要解決兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：（1）開發(fā)具有卓越濾波性能的大孔徑長波紅外MEMS-FPFC；（2）建立自適應(yīng)控制系統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)MEMS-FPFC與紅外探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)光譜圖像的可編程采集。
可編程長波紅外MEMS-FPFC
MEMS-FPFC是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)光譜成像的核心色散元件。如圖2a所示，研究人員在前期工作中開發(fā)的電磁驅(qū)動(dòng)型MEMS-FPFC在長波紅外波段實(shí)現(xiàn)最大孔徑尺寸為11 mm，可確保光譜成像的高能量和信息通量。完成封裝后，MEMS-FPFC成為獨(dú)立濾波模塊（如圖2b），便于緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀的高效模塊化集成，并具備“即插即用”功能。經(jīng)過進(jìn)一步研究，封裝后的MEMS-FPFC采用脈寬調(diào)制（PWM）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和濾波，通過編程PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)可編程電流控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可編程濾波。研究人員還利用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）測(cè)試了MEMS-FPFC在不同模式下的濾波性能，結(jié)果如圖2c至圖2f所示。
圖2 長波紅外MEMS-FPFC及其可編程濾波可調(diào)性
緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)集成
基于圖1a緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀的基本架構(gòu)原理以及長波紅外MEMS-FPFC的濾波特性，研究人員確定了該光譜成像儀的光學(xué)架構(gòu)（如圖3a）。該系統(tǒng)采用芯片前置配置，其中MEMS-FPFC位于光路最前端，而非傳統(tǒng)方案中位于成像透鏡與紅外探測(cè)器之間。這種配置具備三大主要優(yōu)勢(shì)：（1）有效抑制大入射角引起的波長偏移；（2）支持模塊化組裝，以實(shí)現(xiàn)MEMS-FPFC“即插即用”操作；（3）縮短光路以充分利用大孔徑MEMS-FPFC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而同時(shí)提升光能量通量和光譜數(shù)據(jù)采集能力。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化，選擇了分辨率為640 × 512像素的定制型非制冷氧化釩（VO?）紅外探測(cè)器，與焦距13 mm的成像透鏡相集成。基于上述選型，圖3b和圖3c展示了基于模塊化設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)集成流程。
圖3 緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀的系統(tǒng)架構(gòu)
自適應(yīng)光譜成像策略
依托MEMS-FPFC的多模可編程濾波優(yōu)勢(shì)，緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀能夠突破傳統(tǒng)光譜成像儀的局限，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)光譜成像（如圖4a）。由于MEMS-FPFC和紅外探測(cè)器均是時(shí)空調(diào)制器件，因此二者必須完成時(shí)序進(jìn)行同步，才能采集有效的光譜圖像數(shù)據(jù)。圖4e展示了該同步機(jī)制，即可編程的協(xié)同控制系統(tǒng)。此外，想要準(zhǔn)確的光譜特征提取能力，緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀必須完成光譜校準(zhǔn)和輻射校準(zhǔn)。研究人員對(duì)該光譜成像儀系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)（如圖4f）。
圖4 搭載協(xié)同控制系統(tǒng)的自適應(yīng)光譜成像儀的可編程功能及校準(zhǔn)示意圖
光譜成像驗(yàn)證
自適應(yīng)光譜成像驗(yàn)證
針對(duì)實(shí)際部署，緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀通過車輛目標(biāo)的長波紅外光譜成像進(jìn)行了驗(yàn)證。自適應(yīng)光譜成像驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示，圖5a展示了該場(chǎng)景的RGB圖像。測(cè)試結(jié)果證明，該光譜成像儀的可編程多模式光譜成像能力，其特點(diǎn)在于可定制的光譜分辨率、工作波段和數(shù)據(jù)立方體配置。這種靈活性支持多樣化特定應(yīng)用的成像需求，成為“一機(jī)多用”的范式。
圖5 緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀的可編程自適應(yīng)光譜成像驗(yàn)證
基于自適應(yīng)光譜通道組合成像的高效目標(biāo)檢測(cè)
通過利用緊湊型自適應(yīng)光譜成像儀固有的可編程自適應(yīng)能力，結(jié)合光譜通道選擇和目標(biāo)檢測(cè)算法，可以實(shí)現(xiàn)高效精確的目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別（如圖6a），相關(guān)驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該光譜成像儀利用MEMS-FPFC的可編程濾波優(yōu)勢(shì)，通過自適應(yīng)能力，可滿足差異化光譜成像要求。
圖6 基于自適應(yīng)光譜成像的目標(biāo)檢測(cè)驗(yàn)證
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01300-6
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