[發(fā)明專利]一種基于數(shù)字微鏡器件的像素級(jí)掃描光譜成像系統(tǒng)及成像方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610067454.X
• 申請(qǐng)日: 2016-01-30
• 公開（公告）號(hào): CN105527021B
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 虞益挺;閆治晚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J3/28
• 分類號(hào): G01J3/28
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字微鏡器件的像素級(jí)掃描光譜成像系統(tǒng)及成像方法，屬于成像光譜領(lǐng)域。該基于數(shù)字微鏡器件的像素級(jí)掃描光譜成像系統(tǒng)主要包括：目標(biāo)1、前置成像系統(tǒng)2、DMD3、準(zhǔn)直鏡4、光柵5、成像物鏡6、CCD相機(jī)7；目標(biāo)1與DMD3分別放置在前置成像系統(tǒng)2的物面與像面處，DMD3上的微鏡將前置成像系統(tǒng)2所成的目標(biāo)像反射給準(zhǔn)直鏡4，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡4的光線平行照射到光柵5上，光柵5色散后的光譜最后由成像物鏡6成像到CCD相機(jī)7上。本發(fā)明具有光譜采集、復(fù)原計(jì)算量較小、空間分辨率可調(diào)、體積小的優(yōu)點(diǎn)。

所屬領(lǐng)域

本發(fā)明屬于成像光譜領(lǐng)域，主要涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、光譜成像技術(shù)以及光譜圖像處理技術(shù)等。

現(xiàn)有技術(shù)

光譜成像技術(shù)綜合了成像技術(shù)與光譜技術(shù)，能夠在獲取目標(biāo)的二維空間景像信息的同時(shí)得到一維的表征其物理性質(zhì)和狀態(tài)的光譜信息，從而達(dá)到有效識(shí)別目標(biāo)的目的，在遙感探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、醫(yī)學(xué)成像、鑒別防偽等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的光譜成像系統(tǒng)中，其核心的分光元件主要有光柵、棱鏡、濾波輪、聲光或液晶可調(diào)濾波器等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波段的選取。然而，光柵和棱鏡屬于色散型濾波器件，需要推掃機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的光譜成像。濾波輪、聲光或液晶可調(diào)濾波器具有凝視成像功能，但濾波輪需要額外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并且譜段數(shù)比較有限；聲光或液晶可調(diào)濾波器屬于電控型智能濾波器件，通過(guò)加電調(diào)整材料微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)或折射系數(shù)的調(diào)整，它們的響應(yīng)速度一般在ms量級(jí)。近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical systems,MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展，光學(xué)MEMS器件在光通信、自適應(yīng)光學(xué)、投影顯示等領(lǐng)域取得了較好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，尤其以德州儀器公司的數(shù)字微鏡器件(digital micromirror devices,DMD)為典型代表，憑借在投影顯示領(lǐng)域的大量商業(yè)化應(yīng)用，2012年之前一直占據(jù)MEMS年銷售額排名首位。作為一種可快速實(shí)現(xiàn)精確偏轉(zhuǎn)的空間光調(diào)制器，研究人員也試圖將DMD用于光譜成像領(lǐng)域。

目前，利用DMD實(shí)現(xiàn)光譜成像的方法主要有兩種：

第一種：將DMD放置在望遠(yuǎn)物鏡的像面處，起到視場(chǎng)調(diào)制的功能，同時(shí)在探測(cè)器上得到不同選通視場(chǎng)色散開的混疊光譜信息。

第二種：在哈達(dá)瑪變換光譜儀中，將DMD放置在色散后頻譜展開面上，起到光譜調(diào)制的功能，同時(shí)在探測(cè)器上得到不同選通光譜的混疊信息。

雖然兩種方法都可以提高系統(tǒng)的信噪比，但為避免光譜信息的混疊，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼測(cè)量和解碼復(fù)原，而構(gòu)建編碼矩陣的計(jì)算較為復(fù)雜，且后期處理工作量大，不利于系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)字微鏡器件的像素級(jí)掃描光譜成像方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中編碼測(cè)量矩陣難以構(gòu)建和后期處理工作量大等問(wèn)題，提高光譜儀的工作效率，促進(jìn)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)方案

本發(fā)明提出的一種基于數(shù)字微鏡器件的像素級(jí)掃描光譜成像系統(tǒng)的光路組成如圖1所示，主要包括：目標(biāo)1、前置成像系統(tǒng)2、DMD3、準(zhǔn)直鏡4、光柵5、成像物鏡6、CCD相機(jī)7；目標(biāo)1與DMD3分別放置在前置成像系統(tǒng)2的物面與像面處，DMD3上的微鏡將前置成像系統(tǒng)2所成的目標(biāo)像反射給準(zhǔn)直鏡4，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡4的光線平行照射到光柵5上，光柵5色散后的光譜最后由成像物鏡6成像到CCD相機(jī)7上。

所述的前置成像系統(tǒng)2包括前置成像鏡，它將目標(biāo)成像到第一像面處。

所述的DMD3包括多種微鏡陣列，如1024×768、608×684等。它是一種微機(jī)械電子器件，具有兩種穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)：正偏轉(zhuǎn)和負(fù)偏轉(zhuǎn),正負(fù)偏轉(zhuǎn)角度相同，方向相反。微鏡狀態(tài)由其運(yùn)行期間微鏡的幾何結(jié)構(gòu)和靜電特性共同決定。當(dāng)微鏡處于正偏轉(zhuǎn)時(shí)，將選通目標(biāo)像的光反射到后續(xù)光路中；當(dāng)微鏡處于負(fù)偏轉(zhuǎn)時(shí)，將目標(biāo)像的光反射到后續(xù)光路外，從而實(shí)現(xiàn)像素掃描功能。