基于MEMS FP滤波芯片的长波红外紧凑型自适应光谱成像仪
2026-05-30 21:01:36 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

西北工业大学宁波研究院提出了一款紧凑型自适应光谱成像仪（CASI），其核心采用大孔径长波红外MEMS法布里–珀罗滤波芯片（MEMS-FPFC）。

长波红外（LWIR）光谱成像技术在气体/液体检测、矿产勘探、环境监测及军事安全领域中具有独特的应用价值。然而，传统的长波红外光谱成像仪依赖于现有的分立色散元件，存在工作模式固定、光谱通道有限、整机体积庞大等缺陷，难以在智能化、多场景环境下灵活部署。

据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，西北工业大学宁波研究院提出了一款紧凑型自适应光谱成像仪（CASI），其核心采用大孔径长波红外MEMS法布里–珀罗滤波芯片（MEMS-FPFC）。模块化的芯片前置光学架构可实现超紧凑尺寸（150 × 77 × 88 mm³）、轻量化（1.11 kg）以及“即插即用”模式。协同自适应控制系统充分发挥MEMS-FPFC固有的可编程性可实现多种自适应成像模式，包含全局粗/细扫描、局部细扫描和任意光谱带组合等可编程光谱采集功能，可满足特定应用需求。这种自适应性与光谱通道选择和图像融合算法相结合，有助于实现高效精确的目标识别。该自适应光谱成像仪的紧凑性和可编程性使其能够集成到小型无人平台上，从而推动智能长波红外光谱成像技术在工业污染监测、矿产勘探和安防等可现场部署的应用中落地。相关研究成果以“Compact adaptive spectral imager enabled by MEMS Fabry-Perot filtering chip in longwave infrared”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

基于MEMS FP滤波芯片的长波红外紧凑型自适应光谱成像仪

紧凑型自适应光谱成像仪（CASI）架构及工作原理

图1a展示了紧凑型自适应光谱成像仪的基本架构，主要由MEMS-FPFC、成像透镜和红外（IR）探测器三部分构成。作为核心光谱色散元件，MEMS-FPFC将通过成像透镜入射的场景辐射分散为多路窄带光谱通道。这些光谱通道由红外探测器依次成像，最终形成包含目标场景完整光谱信息的光谱数据立方体（如图1b）。对该数据立方体进行处理，即可从目标和背景中提取特征光谱“指纹”（图1c）。立方体内的光谱图像数据量以及光谱参数（例如分辨率和波段范围）均由MEMS-FPFC划分的光谱通道决定。通过定制MEMS-FPFC滤波模式，该系统可实现了“一机多模”功能，从而突破传统光谱成像仪固定工作模式的局限。

基于MEMS-FPFC的光谱成像仪的系统架构与工作原理示意图

图1 基于MEMS-FPFC的光谱成像仪的系统架构与工作原理示意图

实现长波红外波段的可编程自适应光谱成像，需要解决两大关键挑战：（1）开发具有卓越滤波性能的大孔径长波红外MEMS-FPFC；（2）建立自适应控制系统，通过协调MEMS-FPFC与红外探测器，实现光谱图像的可编程采集。

可编程长波红外MEMS-FPFC

MEMS-FPFC是实现自适应光谱成像的核心色散元件。如图2a所示，研究人员在前期工作中开发的电磁驱动型MEMS-FPFC在长波红外波段实现最大孔径尺寸为11 mm，可确保光谱成像的高能量和信息通量。完成封装后，MEMS-FPFC成为独立滤波模块（如图2b），便于紧凑型自适应光谱成像仪的高效模块化集成，并具备“即插即用”功能。经过进一步研究，封装后的MEMS-FPFC采用脉宽调制（PWM）进行驱动和滤波，通过编程PWM信号实现可编程电流控制，进而实现可编程滤波。研究人员还利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测试了MEMS-FPFC在不同模式下的滤波性能，结果如图2c至图2f所示。

长波红外MEMS-FPFC及其可编程滤波可调性

图2 长波红外MEMS-FPFC及其可编程滤波可调性

紧凑型自适应光谱成像仪的光学系统集成

基于图1a紧凑型自适应光谱成像仪的基本架构原理以及长波红外MEMS-FPFC的滤波特性，研究人员确定了该光谱成像仪的光学架构（如图3a）。该系统采用芯片前置配置，其中MEMS-FPFC位于光路最前端，而非传统方案中位于成像透镜与红外探测器之间。这种配置具备三大主要优势：（1）有效抑制大入射角引起的波长偏移；（2）支持模块化组装，以实现MEMS-FPFC“即插即用”操作；（3）缩短光路以充分利用大孔径MEMS-FPFC技术的优势，从而同时提升光能量通量和光谱数据采集能力。为了实现系统微型化，选择了分辨率为640 × 512像素的定制型非制冷氧化钒（VOₓ）红外探测器，与焦距13 mm的成像透镜相集成。基于上述选型，图3b和图3c展示了基于模块化设计方案的系统集成流程。

紧凑型自适应光谱成像仪的系统架构

图3 紧凑型自适应光谱成像仪的系统架构

自适应光谱成像策略

依托MEMS-FPFC的多模可编程滤波优势，紧凑型自适应光谱成像仪能够突破传统光谱成像仪的局限，实现自适应光谱成像（如图4a）。由于MEMS-FPFC和红外探测器均是时空调制器件，因此二者必须完成时序进行同步，才能采集有效的光谱图像数据。图4e展示了该同步机制，即可编程的协同控制系统。此外，想要准确的光谱特征提取能力，紧凑型自适应光谱成像仪必须完成光谱校准和辐射校准。研究人员对该光谱成像仪系统进行了校准（如图4f）。

搭载协同控制系统的自适应光谱成像仪的可编程功能及校准示意图

图4 搭载协同控制系统的自适应光谱成像仪的可编程功能及校准示意图

光谱成像验证

自适应光谱成像验证

针对实际部署，紧凑型自适应光谱成像仪通过车辆目标的长波红外光谱成像进行了验证。自适应光谱成像验证结果如图5所示，图5a展示了该场景的RGB图像。测试结果证明，该光谱成像仪的可编程多模式光谱成像能力，其特点在于可定制的光谱分辨率、工作波段和数据立方体配置。这种灵活性支持多样化特定应用的成像需求，成为“一机多用”的范式。

紧凑型自适应光谱成像仪的可编程自适应光谱成像验证