前置超光谱成像变焦系统的设计

　　0 引言

　　光谱成像技术是采用多个光谱通道来对目标进行探测和成像的技术，它是光学成像技术和光谱技术的有效结合。光谱成像仪是依靠获取物体的二维空间信息和一维的光谱信息来实现对物体的成像和获取物体的光谱成分，从而实现获取三维信息的目的。由于光谱成像技术同时具有空间分辨能力和光谱分辨的能力，其在识别目标、资源调查、精细农业和生物医学等众多领域具有广泛的应用前景[1~2]。

　　超光谱成像系统分成两大部分，即前置光学系统[3]和后续成像模块。陆强等设计了前置光学系统，其工作谱段为486nm至656nm，前置光学系统的主要作用是将被测目标所发出的光线汇聚到后续成像模块对其进行分光，最后在探测器上获取物体的二维空间信息和光谱信息。与传统的定焦物镜相比，变焦物镜的焦距可变，无需调整光学系统的位置也可以获取不同距离目标物体的图像信息，使用前置超光谱成像变焦系统可有效提高探测效率[4~6]。

　　本文针对超光谱全部工作谱段400nm至1000nm，对前置光学系统进行了设计与评价指标的分析。

　　1 系统设计

　　1.1 像质评价指标的分析

　　由于调制传递函数(MTF)能够比较全面的体现出光学成像系统的光学特性，所以一般采用MTF来评价系统的成像质量。被测目标图像经过光学系统成像到探测器上，最终用人眼接收，所以只有当最终图像的调制传递函数大于人眼视觉阈时才可供人眼分辨，体现系统的最终分辨率。

　　在不考虑外界环境因素影响的情况下，超光谱成像系统总的调制传递函数(MTF)由三个部分组成，即可以表示成如下形式：

　　只有当公式(1)中计算的超光谱成像系统总的传递函数MTF大于人眼的视觉阈传函0.026时，才可供人眼分辨。由于后续成像模块的接收探测器单个像素大小为8.6μm×8.3μm，所以根据(2)式，可以计算探测器不同空间频率下的MTF(d)。

　　其中d—探测器像素大小。取d为8.6μm，并利用MATLAB软件即可以拟合出探测器调制传递函数值随不同空间频率变化的曲线图，如图2所示。

图2 接收探测器MTF（d）

Fig2 MTF（d）of receiving detector

　　由图2可知，在空间频率为50lp/mm时，探测器所对应的MTF(d)为0.1576。由对前置系统与后续系统设计要求合理化的角度出发，根据公式(1)可以计算系统的传函分配。当后续成像模块的传函要求MTF0.5(g2)时，为了满足系统总的MTF满足人眼分辨的要求，确定前置超光谱成像变焦系统的像质评价指标为，在空间频率为50lp/mm下，调制传递函数MTF0.33(g1)。

　　由于超光谱系统具有分光元件，所以更加关心分光后各个谱段下系统的整体传函情况，经验表明，在最长谱段与最短谱段为系统优化难点，需要着重考虑，同时由于工作谱段范围较宽，如果划分谱段不够细，就会忽略某些谱段的成像信息，而导致设计结果不理想，所以需要对工作波段范围内各个谱段进行逐一离散评价。