阿達(dá)瑪變換光學(xué)成像

1.1 問題及其目的和意義

在現(xiàn)代科學(xué)儀器和分析方法中，成像、光譜儀器和光譜方法占有重要地位，它們不僅被廣泛應(yīng)用于天文、地理、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，而且也是冶金、石油化工、材料、農(nóng)業(yè)等物質(zhì)生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的檢測、分析手段。近年來，它們在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)研究、環(huán)境及安全監(jiān)測、生態(tài)研究、空間探測研究等領(lǐng)域的應(yīng)用也受到日益廣泛的關(guān)注。

光譜儀器的研究對象是光輻射，其中既包括不同物質(zhì)直接發(fā)出的輻射，也包括光輻射與物質(zhì)相互作用后顯現(xiàn)出的經(jīng)過變換的輻射，如反射、透射、散射、熒光等。所有這些輻射都是物質(zhì)向外界發(fā)出的信息。通過對光輻射的產(chǎn)生條件、頻率、強度變化和空間分布特征等進(jìn)行檢測和分析，可直接獲取有關(guān)物質(zhì)的成分、含量、結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、變化情況、化學(xué)或生物反應(yīng)過程等有用的信息。 光譜儀器和光譜方法得以廣泛應(yīng)用的原因主要有兩個：①光譜儀器可應(yīng)用在很寬的電磁波區(qū)域，卻從波長λ=1～10?（1?=10-10m）的軟X射線到λ≤3mm的太赫茲波區(qū)域，這一區(qū)域常被稱為光學(xué)波段；②與其他分析方法（如色譜法、電化學(xué)法等）相比，光譜方法具有分析精度高、速度快、樣品用量少、無損害、無污染等優(yōu)點。

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使光譜技術(shù)與儀器得到了日臻完善的發(fā)展，但同時也向其提出了更高的要求。對弱輻射信號的檢測已成為深化對自然認(rèn)識的重要手段之一。如生物體的微觀結(jié)構(gòu)觀察、生化反應(yīng)分析、空間觀測、生命科學(xué)研究等，無疑是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的前沿學(xué)科。面對弱輻射信號，現(xiàn)有的光譜儀器和光譜方法在許多應(yīng)用中存在不足，可歸結(jié)為以下三方面。

常規(guī)的掃描型光譜儀無法勝任弱輻射的分析，這是由于：①儀器的基本結(jié)構(gòu)——狹縫加色散元件——極大地限制了輻射通量的有效利用，如圖1.1所示，經(jīng)入射和出射狹縫的兩次衰減，最后到達(dá)探測器的任一單色輻射一般不足入射輻射能的1/10；②從本質(zhì)上講，常規(guī)光譜儀始終沒有擺脫單純地接收、獲取光譜信息的狀態(tài)，對有用光譜信號、背景信號及干擾信號無法進(jìn)行有效的區(qū)分，因而分辨能力差、信噪比低、選擇性差。

（2）現(xiàn)在的光譜方法多是將被測目標(biāo)視為一個整體來測量其總的輻射光譜特征，這對于那些只關(guān)心被測樣品光譜特性的應(yīng)用場合較合適。然而，越來越多的研究 領(lǐng)域要求同時獲取目標(biāo)輻射的光譜及其空間分布信息，如空間遙感、光聲光譜研究、反恐安檢、醫(yī)學(xué)及生命科學(xué)研究等領(lǐng)域。顯然，用通常的光譜方法來實現(xiàn)上述要求，是一個對目標(biāo)進(jìn)行逐“點”（小區(qū)域）檢測的掃描過程，其缺點是：①單點的輻射相對很弱，故檢測信噪比低，甚至無法檢測；②各點檢測之間存在一定的時間差。盡管基于陣列式探測器的多通道光譜技術(shù)為解決上述問題提供了有效途徑，但該技術(shù)仍有以下不足：①陣列式器件會存在不均勻性，對被測輻射強度的空間分布的分辨能力差；②工作波段受限于探測器材料；③高質(zhì)量的陣列式探測器價格昂貴，尤其在紅外波段。

單就弱輻射源的二維成像測量而言，在可見和近紅外波段有感光乳膠和陣列式探測器可供選用。超出以上波段，例如在紅外和太赫茲波段既沒有感光乳膠，也無陣列式探測器，通常只有單元探測器，而在X射線波段，雖然有感光乳膠和接收器陣列，但也存在不足。在這種情況下，要獲取輻射的二維分布，同樣需要單點掃描測量，因信號過弱和光子起伏噪聲的影響，將使信噪比降低。

綜合上述分析，現(xiàn)代科技發(fā)展對成像與光譜儀器的要求必然是：①高輻射通量，高信噪比；②可同時獲取輻射的光譜和空間分布信息，即具有成像光譜測量能力；③工作波段寬。因此，研究同時具有上述特點的光譜儀器有著重大的理論意義和應(yīng)用價值。

1.2 多通道成像光譜技術(shù)與儀器概述

1.2.1 多通道成像光譜技術(shù)

多通道光譜技術(shù)是一種并行檢測技術(shù)，其根本特征是能同時測量多個（成百上千）光譜元。多通道光譜儀器與單通道光譜儀器（常規(guī)光譜儀器）相比具有明顯的優(yōu)點，即具有多通道。這一優(yōu)點對于弱輻射檢測具有特殊意義，具體表現(xiàn)在如下方面。

單通道儀器對光譜的測量是逐一對譜元進(jìn)行掃描的順序型檢測，測得光譜的可靠性依賴于輻射信號的穩(wěn)定性。輻射強度的浮動將帶來信號浮動和雜散光噪聲的浮動，盡管可以采取斬波方法消除，但實踐起來十分復(fù)雜。而多通道儀器能對多譜元同時進(jìn)行測量，可大幅度消除上述噪聲源。

弱輻射檢測的關(guān)鍵是提高靈敏度和降低噪聲。增加探測器的積分時間是改善信噪比的有效手段，單通道與多通道儀器均可采用。但單通道儀器對多個譜元的順序積分過程耗時長，難以在測量過程中保持輻射源或其他實驗條件穩(wěn)定不變。而多通道儀器只需單通道儀器對單個譜元的積分時間，即可獲得同樣信噪比的測量結(jié)果。若使測量時間與單通道儀器所用的時間相同，則多通道儀器對每一譜元的積分時間將是單通道儀器的N倍（N為通道數(shù)），其信噪比將提高N倍。

1.2.2 多通道光譜儀器

按是否具有多通道探測功能和實現(xiàn)多通道的具體方式，光譜儀器可按圖1.2所示分類。

以下對多通道光譜儀器給予簡要介紹。

1.攝譜儀

攝譜儀是最早出現(xiàn)的具有多譜元同時記錄功能的光譜儀器，它以光譜感光板作為接收器。攝譜分析方法具有靈敏度高、準(zhǔn)確性好、可進(jìn)行多元素瞬變光譜分析、成本低等優(yōu)點。其缺點是：①儀器的應(yīng)用受到光譜感光板的光譜靈敏范圍和感光乳膠的光度動態(tài)范圍的限制，僅適用于紫外到近紅外波段（一般為200～1000 nm）的較強輻射的光譜分析；②感光板的后處理耗時長，不利于實現(xiàn)自動化、實時信息處理。

2.光電直讀光譜儀

它利用光電檢測元件取代光譜感光板，直接在光譜面上快速測定譜線。與攝譜儀相比，其優(yōu)點是分析速度快、工作波長范圍寬、分析動態(tài)范圍大。其缺點是：①通道數(shù)有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，因為每個通道需要安置一個相應(yīng)的出射狹縫與探測器件；②通用性差，因為在儀器設(shè)計和制造時都只能在確定的譜線位置安置出射狹縫與探測器件。

3.基于調(diào)制光譜技術(shù)和單元探測器的多通道光譜儀

這是一類原理新穎的儀器，是當(dāng)今光譜儀器的發(fā)展方向。其基本原理是借助于各種光學(xué)調(diào)制方法，主動地、有目的地對入射光束或光譜成像光束進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制，并通過解調(diào)獲得所需的光譜信息，這類儀器主要有以下兩種類型。

傅里葉變換光譜儀

傅里葉變換（fourier transform，F(xiàn)T）光譜儀是基于干涉調(diào)制技術(shù)和傅里葉變換，利用干涉圖和光源輻射光譜間的對應(yīng)關(guān)系，通過測量干涉圖和對干涉圖進(jìn)行傅里葉 積分變換的方法來測定和研究光譜的。20世紀(jì)50年代，P.Fellgett首先提出了干涉調(diào)制光譜儀的原理。他和P.Jacquinot分別從理論上論證了傅里葉變換光譜法的本質(zhì)優(yōu)點——多通道和高通量。自1969年美國Digilab公司推出世界上第一臺傅里葉變換紅外光譜儀以來，傅里葉變換光譜技術(shù)與儀器得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。目前，它已成為從亞毫米波到近紅外波段輻射光譜的強有力分析工具。近幾年來，傅里葉變換光譜技術(shù)與儀器的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾方面：①干涉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得以改進(jìn)，各種新型干涉調(diào)制系統(tǒng)出現(xiàn)；②不含分光或不含運動部件的傅里葉變換光譜儀出現(xiàn)；③傅里葉變換光譜技術(shù)與氣相色譜（GC）等技術(shù)的聯(lián)用。

阿達(dá)瑪變換光譜儀

阿達(dá)瑪變換（hadamard transform，HT）光譜儀是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一類基于模板調(diào)制和阿達(dá)瑪變換的多通道儀器。它在常規(guī)光譜儀的基礎(chǔ)上，以編碼模板取代出射（或同時也取代入射）狹縫來實現(xiàn)多譜元的同時測量。20世紀(jì)70年代，國外就已研制出幾種應(yīng)用型的阿達(dá)瑪變換儀器。但阿達(dá)瑪變換儀器的商品化進(jìn)程迅速遠(yuǎn)不如傅里葉變換光譜儀。其原因主要是：模板編碼運動的高精度控制要求約束了阿達(dá)瑪變換儀器的發(fā)展，而相比之下，計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使傅里葉變換光譜儀數(shù)據(jù)處理煩瑣已不再是致命的缺陷。而后，隨著模板加工和模板編碼運動的高精度控制技術(shù)的日臻完善，特別是固定模板和微鏡陣列的出現(xiàn) ，阿達(dá)瑪變換光譜技術(shù)與儀器再度成為人們的研究熱點之一。

與常規(guī)光譜儀相比，傅里葉變換光譜儀和阿達(dá)瑪變換光譜儀具有如下優(yōu)點：①光能利用率高，因為它們不再依靠細(xì)窄狹縫來保證必要的光譜分辨率；②光譜分辨率高，尤其是傅里葉變換光譜儀可擺脫狹縫造成的儀器函數(shù)的限制；③信噪比高，通過調(diào)制和解調(diào)可有效地壓抑背景和干擾信號，增強有用光譜信號；④選擇性好，可有目的地增強某項光譜信息，壓抑或遏制相近或相干的信號。

特別要求：①儀器較復(fù)雜，為實現(xiàn)有控制的精確調(diào)制，必須具有精密調(diào)制機構(gòu)和較復(fù)雜的電子信號處理系統(tǒng)等；②需配備計算機，以實現(xiàn)調(diào)制過程的控制和解調(diào)再現(xiàn)光譜，尤其是傅里葉變換光譜儀對計算機有更高的要求。