信噪比提升 1.4 倍！宽视场双狭缝高光谱成像仪，低畸变设计全解析

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https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12568217/pdf/sensors-25-06478.pdf

计算机视觉研究院专栏

Column of Computer Vision Institute

本文提出了一款宽视场、双狭缝、低畸变、高灵敏度的 Offner 型高光谱成像仪，通过曲面棱镜色散优化与双狭缝图像融合方案，在 0.4~0.9μm 可见光 - 近红外波段实现了信噪比 1.4 倍提升，同时将光谱弯曲与光谱色畸变均控制在 0.3 像素以内。本文带你拆解这套设计的核心逻辑与实测表现。

PART/1

痛点

为什么选择双狭缝 + 曲面棱镜路线？

传统推扫成像光谱仪通过狭缝获取一维空间信息，垂直狭缝方向获取光谱信息，再通过平台运动拼接出三维数据立方体。但单狭缝结构的通光量有限，在弱光或高速推扫场景下信噪比不足，目标捕获概率低。

而在色散方案上，相比传统平面棱镜与光栅，曲面棱镜光谱成像技术可应用于非平行光路，具备结构紧凑、色散非线性低、像差校正能力强的优势，能显著提升成像质量，已在 CHRIS、EnMap 等星载高光谱仪器中得到应用。但曲面棱镜的非共轴特性也让加工装调难度更高，公差分配直接决定最终仪器性能。

针对上述痛点，团队提出双狭缝 Offner 结构方案：

• 单条狭缝长度 73mm，双狭缝间距 2.4mm，避免信号混叠；

• 双狭缝图像融合后信噪比提升 1.4 倍，大幅提高探测灵敏度；

• 通过低色散内反射曲面棱镜 + 高色散双通曲面棱镜的材料与倾角匹配，补偿校正光谱性能与色散非线性，保障双狭缝图像的配准精度。

PART/2

创新

系统设计：宽视场下如何实现低畸变成像？

1. 核心设计指标

整套系统的设计参数围绕 “宽视场、高灵敏度、低畸变” 设定，核心指标如下：

2. 光学系统构型

系统采用 Offner 同心初始结构，通过曲面棱镜的不同离轴量与元件倾斜实现色散展宽，通过材料匹配校正色散不均匀性。最终分光系统主要由 4 块曲面棱镜与 1 块次镜组成，整体体积为 445 mm × 230 mm × 461 mm，结构紧凑。

各光学元件的曲率、厚度、材料、离轴量与倾角等核心参数见下表：此处插入原文表 2：Optical parameters（光学参数表）

3. 成像质量验证

团队对 0.4μm~0.9μm 内多个采样波长、不同狭缝位置的成像效果进行了仿真验证：

• 矩阵点列图显示，所有采样点的光斑均落在单个像素（24μm）范围内；

• 在奈奎斯特频率 21 lp/mm 处，全视场、全波段的调制传递函数（MTF）均超过 0.75，成像质量优异。

Matrix spot diagrams of the system at different sampling wavelengths and slit lengths（不同采样波长与狭缝长度下的系统矩阵点列图）

4. 光谱性能表现

光谱弯曲（Smile）与光谱色畸变（Keystone）是决定光谱检测精度与识别精度的核心指标，也是双狭缝配准的关键。

• 光谱弯曲

  ：以狭缝中心为基准，双狭缝在全波段的光谱弯曲均小于 0.3 像素；

• 光谱色畸变

  ：以中心采样波长为基准，全视场下光谱色畸变均小于 0.24 像素；

• 光谱横向偏差

  ：全波段小于 2nm。

三项指标均达到无需后续数据处理校正的水平。

Spectral smile of the system at different wavelengths（系统不同波长下的光谱弯曲曲线）

Spectral keystone curve of the system at different FOVs（系统不同视场下的光谱色畸变曲线）

Spectral lateral deviation curve of the system at different wavelengths（系统不同波长下的光谱横向偏差曲线）

PART/3

公差分析

曲面棱镜的非共轴特性让加工装调误差对光谱性能影响显著，传统蒙特卡洛公差分析无法针对光谱弯曲、色畸变等专项指标做精准影响评估。团队为此建立了一套 “逆灵敏度分析 + RSS 离散计算” 的公差评估体系。

1. 逆灵敏度分析与补偿器设计

团队以 MTF 为评价标准，采用逆灵敏度蒙特卡洛分析方法对系统加工装调的预设公差进行分析，选取 L2 与 L5 棱镜的装调公差作为补偿器。

误差敏感性分析显示：

• 光谱色畸变对绕 z 轴倾斜（Tz）、绕 x 轴倾斜（Tx）公差最为敏感；

• 绕 z 轴倾斜（Tz）对光谱色畸变影响最大，x 方向偏心（Dx）对光谱弯曲影响最大；

• 各项装调误差之间存在相互补偿的空间，可通过补偿器调整抵消部分误差影响。

Influence of error perturbation on spectral keystone at different wavelengths（不同波长下误差扰动对光谱色畸变的影响）

Spectral smile and spectral keystone under tilt and decentration errors（倾斜与偏心误差下的光谱弯曲与色畸变）

2. RSS 法评估实际装调误差

为验证系统光谱性能的公差容限，团队采用极值法获取装调公差带来的光谱性能正向增量离散数据，再通过均方根和（RSS）方法计算各项误差对光谱性能的最大正向叠加增量。

计算结果表明：元件偏心与倾斜装调公差带来的光谱弯曲极限增量为 1.502μm，叠加设计残差后最终最大光谱弯曲为 7.048μm，小于 0.3 像素对应的 7.2μm，满足指标要求。

The influence of actual assembly errors on spectral performance based on RSS method（基于 RSS 法的实际装调误差对光谱性能的影响表）

PART/4

实验

团队完成了原理样机的研制，并开展了全面的实验室测试与外场推扫实验，验证了设计方案的可行性。

1. 光谱分辨率测试

采用单色仪获取各通道中心像素的狭缝像，通过质心差分拟合得到系统采样分辨率：

• 实测平均采样分辨率为 7.5314nm，最大采样分辨率为 9.9226nm；

• 实测结果与理论拟合曲线高度吻合，验证了离轴镜组校正光谱弯曲的有效性。

The fitting curves of the spectral resolution（光谱分辨率拟合曲线，左为理论拟合，右为实测拟合）

2. 双狭缝专项测试工装

针对双狭缝系统的指标测试需求，团队设计了专用测试狭缝版：

• Slit (1) 为狭缝像，用于监测狭缝与 CCD 的平行度，测试光谱弯曲；

• Slit (2) 为星点与条纹板，用于测试系统倍率、MTF 与光谱色畸变。

测试时先正向检测所有指标，再将测试狭缝旋转 180° 对比测试，确保两条狭缝的指标均满足要求。

3. MTF 与光谱性能实测

采用 405nm、635nm、780nm、808nm 多波长激光开展测试：

• MTF 表现

  ：两条狭缝在全视场下的 MTF 均优于 0.4，满足成像质量要求；

• 光谱弯曲

  ：最大值为 0.3669 像素 @405nm，其余波段均低于 0.33 像素；

• 光谱色畸变

  ：最大值为 0.2451 像素，符合设计指标；

• 光谱横向偏差

  ：全波段最大 2.86nm，整体小于 3nm。

MTF calculation results for different wavelengths at different FOVs（不同波长不同视场下的 MTF 计算结果表）

Measured fitting curves of spectral smile of the system at different wavelengths（系统不同波长下光谱弯曲实测拟合曲线）

4. 外场推扫实验

2025 年 2 月，团队利用原型机开展了外场推扫实验，获取了双狭缝数据立方体。实验结果显示：

• 图像轮廓清晰可辨，成像质量优异；

• 双狭缝融合后的图像信噪比是单狭缝图像的 1.4 倍，探测灵敏度显著提升。

Field push-broom data cube of the hyperspectral imager（高光谱成像仪外场推扫数据立方体）

PART/5

总结与展望

这项工作提出了一套宽视场双狭缝高光谱成像仪的完整设计与公差分析方法，通过双狭缝融合突破了单狭缝的信噪比上限，同时以曲面棱镜材料匹配 + 倾斜偏心补偿的方案解决了色散非线性与双狭缝配准问题，建立的逆灵敏度 + RSS 公差评估方法也为同类仪器的工程化落地提供了可复用的思路。

未来这套方案可进一步拓展至更宽波段与更高分辨率场景，在对地遥感、工业检测等领域具备广阔的应用前景。

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