[科普中国]-编码模板

编码模板的分类

编码模板作为阿达玛变换(HT)仪器的关键部件，有运动模板和固定模板两类。与固定模板相比，运动模板光效率高，可加工适用于整个光学波段的模板。运动模板的加工有多种方法，其中具有代表性的方法是用激光在金属基片上加工和利用照相复制法在透明基片上加工。运动模板要求有较高精度的运动机构和定位系统，这是仪器设计中必须认真解决的问题。固定模板使HT仪器中不含运动件，系统稳定、紧凑，具有良好的光谱累加性能。1

编码排列的条件要使编码模板能够实现编码和解码，编码排列必须满足以下条件：

（1）要求各编码排列之间应线性无关；

（2）要使编码效果理想，码元应选 0 或 1，即透光或者不透光；

（3）为了获得优化的信噪比和探测器的动态响应特性，通常每一编码排列中，透光元素和不透光元素相当为宜；

（4）编码排列中各透光和不透光码元应按二元伪随机序列码的顺序排列。

例如，阿达玛变换成像光谱仪的编码模板是由许多透光和不透光的单元按 S 循环码的方式排列构成的。S 循环码是由二元伪随机序列码生成的。2

对编码矩阵的要求在光学编码测量过程中，编码模板对光辐射的调制作用有3种方式：透射、反射和阻光。这就决定了编码矩阵中只能有+1，一1和0三种元素。在这一前提下，对编码矩阵有如下要求：

（1）使平均均方误差￡尽可能小；

（2）解码计算简便快速；

（3）矩阵具有循环性；

（4）编码板构型易于加工。3

典型的编码模板典型的编码模板有移动式机械模板和固定编码模板，较常用的固定编码模板有液晶空间光调制器和数字微镜阵列。

移动式机械模板移动式机械模板一般根据循环S-矩阵制作，为一系列刻制在透明物质上的狭缝阵列。一般在玻璃或石英片上镀一层不透光的金属薄膜，再用腐蚀或直接刻制、或用照像胶片的负片来制作模板。由于循环S矩阵是左循环矩阵，因此从原理上讲可根据循环S矩阵的第一行将阿达玛模板设计成左向循环移动式一维模板，并用来对一维光谱进行多通道分辨。如果用单个检测器检测一维编码信号，则只能获得一维信息。因此如果将一维模板折叠成二维模式，则可实现空间信息的多通道分辨，用单个检测器即可获得丰富的二维信息。

移动式机械模板一般用石英玻璃制作，对光信号不会因模板吸收而导致信号损失，码元对光的调制只存在两种工作状态(透光为1，不透光为0)，数据可靠，而且模板的制作也较为容易，各码元之间不存在间隙，在使用时是严格按照阿达玛变换光学编码进行调制的，无需再对光刻模板采集的数据进行校正。但由于移动式机械模板采用步进电机驱动，会带来误差，还容易导致机械故障，难以实现快速编码。

液晶空间光调制器液晶空间光调制器(SLM)又称光学快门阵列(OSAS)，它将液晶层作为光调制材料，，液晶层采用向列型液晶的混合场效应工作模式，在晶层上各区域施加不同的电场，可以引起液晶分子排列方向和位置的变化，从而导致其光学性质的变化，获得透明或不透明两种状态，实现对光信号的调制。

SLM由许多集成电路控制的单元组成，以电信号来控制每个单元的1或0状态。通过计算机指令，一个SLM就能产生所有的阿达玛模板编码阵列，这意味着模板不用移动，克服了移动式机械模板传动误差和震动及缺陷，使每次编码采样完全在相同的条件下进行，而且其编码采样时间大大缩短。但是，SLM还不能实现像移动式机械模板那样完全由1和0单元组成，这是由于液晶材料在透光状态时，对光有一定的吸收，而在不透光状态时，又有部分光能透过，而且在不同波段，液晶材料的透过率不同。因此，液晶空间光调制器易造成信号损失或编码错误。此外，液晶材料具有非理想化静态特性和动态特性，会在信号还原过程中将会造成光谱扭曲。用SLM实现高分辨成像十分困难。

数字微镜阵列(DMA)数字微镜阵列(digital micro mirror array)是在有效面积不到2CMOS基片上可集成600x800个微镜阵列，每个微镜为边长16的正方形,微镜之间有1的间隙。微镜的偏转由数字集成电路控制，可产生和的偏转。微镜转到时，其将入射光信号反射到检测光路中，为“on”；当转到时，将入射光信号反射到检测光路之外，为“off”。

这种装置的优点在于：微镜表面镀的是高反射率的铝，反射性能好；转换速度快(