摘要：编码模板是阿达玛变换成像光谱仪的关键部件，用以代替入射狭缝和出射狭缝。根据编码模板的构造原理，通过计算机生成二元伪随机序列码，用 C 语言根据编码方式生成图形文件，进而光刻出编码模板。应用该方法可制作任意形状和大小，特别是码元数目较大的编码模板，能实现高分辨率的编码。
引 言
阿达玛变换成像光谱仪最早起源于 Golay[1]的多狭缝静态光谱仪，主要是为了增加光谱仪的入射光通量而采用了多狭缝，后来狭缝采用动态调制码[2]，逐渐形成了阿达玛变换成像光谱仪[3]。它可同时对被测物体进行成像分析和光谱成份分析，具有入射光通量大，测量信噪比高的优点。在阿达玛变换成像光谱仪中，编码模板[4]是关键部件。最初模板的制作是在玻璃上镀上一层铜，然后刻划出对应于循环码的条形码[5]，伪随机序列码是采用触发电路来发生的。随着计算机的广泛应用，镀膜技术、光刻技术的提高，使阿达玛变换成像光谱仪编码模板的制作可以采用新的更精密、准确、快捷的方法。本文从制作方法的角度详细说明了阿达玛变换成像光谱仪编码模板的设计和制作过程。
1 编码模板的构造原理
阿达玛变换光谱仪是在传统的光谱仪中，用编码模板代替入射狭缝和出射狭缝，其原理如图1 所示。被照明物体经过物镜成像在光谱仪的入射狭缝处，编码模板对物体的像编码，编码后的像进入光谱仪，在出射狭缝上物体的像是经过色散的物体的光谱像，再经编码模板编码后，由透镜聚光投射到探测器上，探测器接收到的是物体的像经过空间编码和光谱编码的结果。对全部测量结果解码可得到物体的光谱像。
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[7]：第一，要求各编码排列之间应线性无关;第二，要使编码效果理想，码元应选 0 或 1，即透光或者不透光;第三，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;第四，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。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[6]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 编码模板的制作
2.1 模板的形状及大小的确定
阿达玛变换成像光谱仪的编码模板有多种，从形状上分，有直线的，也有圆盘型的，还有折叠形状的;从码元排列划分有一维，还有二维的。编码模板的制作是根据阿达玛变换成像光谱仪编码模板的工作原理并结合光谱仪的具体结构和用途而设计的。而任何光谱仪的前后狭缝都有其工作范围，超出这一工作范围就不能保证光谱仪正常工作了，因此在设计模板时，根据狭缝的大小以及图像的分辨率和光谱分辨率来确定模板应选取的码元数及码元的大小。
2.2 模板上码元的排列
由C 语言的伪随机数发生器 ramdom(N)发生(N+1)/2 个位于1 到N 之间的不相等的随机数，每个随机数的数值代表在1 到N 个码元中取1 的码元的位置，其余码元均取值为0，这样就得到了所求的 N 个二元随机序列码。生成基本的二元伪随机序列码后，还应根据模板的具体应用位置要求，由基本的二元伪随机序列码经过处理来构成模板。一维模板可按如下方法构造：生成N 个二元伪随机序列码，设为H1, H2, HN，则序列 H1, H2, HN, H1, H2, HN-1即为构造的一维模板，其循环S 矩阵为
阿达码变换成像光谱仪二维模板是由一维S 循环码按一定规律折叠构造出来的。一维 S 循环码能否折叠成二维模板，取决于一维S 循环码码元数是否为素数，若为素数，则无法折叠成二维模板。构造可循环移动的二维模板，有两种方法，一种是一维移动方式，模板在使用时只沿一个方向移动;另一种是二维移动方式，模板使用时在二维平面内移动。通常选码元总数为 (2)12 m，折叠成(2m-1)×(2m+1)的矩阵。设 N=2m，首先生成码元数为(N-1)(N+1)的二元伪随机序列码 H1，H2， ，H(N+1)(N -1)-1，H(N+1)(N -1)。
一维移动方式下的二维模板为
2.3 图形文件的生成
根据模板上码元的排列，运用 C 语言编制的程序生成 autoCAD 命令组文件，运行命令组文件画出模板的填充图形。在生成模板的图形文件时，根据模板的码元是否为 1 及相邻位置来确定两个码元之间是否有线段相隔，如码元 0 和 1 之间或 1 和 0 之间有线段相隔，而 1 和 1 之间或 0 和 0之间则没有，所有这些线段相连就构成模板的图形。但光刻机却不能识别这种由多条独立的线段围成的封闭图形，只能识别由多义线连成的封闭图形。而要画出这种多义线围成的封闭图形，就应该首先判断模板上为 1的码元是否相邻，将所有相邻的码元构成一个集合，根据集合中各码元的相对位置确定多义线每一条边的长短及起始位置，这样就用多义线围成一个封闭填充图形轮廓。根据所有由相邻码元组成的集合所画出的图形就是编码模板的图形，如图2 所示。
2.4 光刻制板
根据图形文件，经光刻制版得到编码模板。图3~ 5 是制作在铬板上的编码模板投影放大后的照片，铬板的编码模板可以达到的精度是：最小缝宽/线宽 2μm，总长精度±2.0μm，图形位置精度±1.0μm，线条精度±0.5μm，线宽均匀度≤0.2μm。图6 是31×33 码元的圆盘形编码模板的图形。
结束语
本文给出了通过计算机生成二元伪随机序列码，然后用C语言根据编码方式生成 autoCAD 命令组文件，画出图形，进而光刻出编码模板的方法。应用本方法，可以制作任意码元、任意大小尺寸的编码模板。如果将码元换成其他可以用程序语言描述的图形，则该方法还可以推广应用于其它图形特别是所含单元图形数量巨大的图形的制作。
致谢：作者感谢中国科学院长春光学精密机械与物理研究所于涛博士和陈明工程师在制作编码模板过程中给予的大力协助。
参考文献：
[1] GOLAY Marcel J E. Multi-Slit Spectrometry[J]. JOSA，1949, 39(6): 437-444.
[2] DECKER J A , HARWIT M Jr. Experimental Operation of a Hadamard Spectrometer[J]. Applied Optics， 1969, 8(12): 2552-2554.
[3] HARWIT Martin. Spectrometric Imager[J]. Applied Optics，1971,10(6): 1415-1421.
[4] SLOANE Neil J A, HARWIT Martin. Masks for Hadamard transform optics,and weighing designs[J]. Applied Optics，1976, 15(1):107-114.
[5] de GRAAUW Th , VELTMAN B P Th. Pseudo-random binary sequence for multiplex CODes[J]. Applied Optics，1970, 9(12):2658-2660.
[6] SLOANE N J A, FINE T, PHILLIPS P G, et al. Codes for multiplex spectroscopy[J]. Applied Optics，1969, 8(10): 2103-2106.
[7] NELSON E D，FREDMAN M L. Hadamard spectroscopy[J]. JOSA，1970, 60(12): 1664-1669.
[8] 吴继宗，韩一平，邓家诚，等. 阿达玛变换成像光谱术的研究[J]. 光学学报, 1987, 7(3): 223-229.
作者简介：贾 辉(1970-)，男(汉族)，吉林长春人，博士生，主要从事光谱仪器研究。E-mail:jiahui4763@sina.com
