CN103969829A - 基于mems微扫描镜的单探测器光学成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统及方法，主要解决现有装置成像时间长、传感器阵列受限的问题。该装置包括成像镜头、扫描镜、扫描镜驱动模块、会聚透镜、单点光电传感器、模数转换器和数据存储计算模块。目标景物通过成像镜头成像在扫描镜上，扫描镜对目标景物光信号进行采样，会聚透镜将采样信号会聚到单点光电传感器，经过光电和模数转换，得到目标图像的像素值，最后通过恢复算法得到目标图像。本发明采用一个MEMS扫描镜和一个光电传感器，替代传统的光电传感器阵列，降低了对传感器阵列规模的要求，可用于对目标景物进行二维扫描成像。

Description

基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统及方法

技术领域

本发明属于成像技术领域，涉及一种单探测器光学成像系统及方法，可用于对目标景物进行二维扫描成像。

背景技术

光学成像是人类获取可见光、红外光、多光谱图像信息的重要手段，广泛应用于天文观测、空间侦察和资源信息探测。传统的成像方法是利用成像镜头将目标景物成像到传感器阵列，然后通过模数转换器得到图像的数字信号。但是随着社会信息化进程的加快，由于现有材料、器件、工艺条件的限制，传统的成像方法面临传感器阵列制造工艺和海量数据存储等难以突破的瓶颈，已经不能满足现有的需求。

目前将微电子机械系统MEMS微扫描镜应用于光学成像的研究还很少，而且微扫描镜的作用是对入射光源进行光路调制，即将光源按照扫描顺序依次反射到目标景物，然后传感器依次采集目标景物反射的光信号，但是这种方法并未突破传感器阵列的限制，而且结构复杂。

近年来，基于压缩感知理论的单像素相机成像系统，通过数字微镜芯片随机的将物体投射过来的光线反射到光敏二极管，以实现随机混叠采样。但是由于该相机只用了一个光电传感器，每次曝光只能实现一次混叠采样，因此完成一次成像需要大量的独立曝光次数，花费的时间较长。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统及方法，以缩短成像所需要的时间，突破传感器阵列的限制，减小光学系统的复杂性。

为实现上述目的，本发明基于微电子机械系统MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统，包括：成像镜头1、扫描镜2、扫描镜驱动模块3、会聚透镜4、单点光电传感器5、模数转换器6、数据存储计算模块7；扫描镜2固定于成像镜头1的成像位置，扫描镜驱动模块3与扫描镜2电连接，会聚透镜4固定于采样信号的光路上，单点光电传感器5固定于会聚透镜4的焦点处，模数转换器6固定于单点光电传感器5后方，数据存储计算模块7分别与扫描镜驱动模块3和模数转换器6连接，其特征在于：

扫描镜2，采用一个双轴微型扭转镜，用以在两个正交方向进行周期性摆动，实现对反射光信号中与会聚透镜4相互垂直的目标景物的光信号采样；

扫描镜驱动模块3，采用两路方波驱动信号，用于驱动扫描镜2在两个正交方向的周期性摆动，并接收数据存储计算模块7发送的控制信号。

为实现上述目的，本发明基于微电子机械系统MEMS微扫描镜的单探测器光学成像方法，包括如下步骤：

(1)扫描镜通过成像镜头对目标景物进行扫描，使目标景物的入射光信号以非平行的方式会聚在扫描镜上，得到目标景物的光信号L；

(2)扫描镜通过镜面反射改变光信号L的路径，得到非平行的目标景物反射光信号L′，并对反射光信号L′中与会聚透镜相互垂直的光信号进行采样，得到采样光信号l_i，其中l_i表示第i个采样点的光信号，1≤i≤m×n，m×n为采样个数；

(3)通过会聚透镜将采样光信号l_i会聚到单点光电传感器，单点光电传感器将该采样光信号l_i转换为电信号E_i；

(4)利用模数转换器对电信号E_i进行模数转换，得到采样后单点数字信号，即目标图像的一个像素值其中τ_i为第i个采样点的采样时刻；

(5)通过驱动电路控制扫描镜在两个正交方向同时进行周期性摆动，摆动周期为T,重复(2)－(4)步骤单个像素值的获取过程，得到按照时间顺序排列的m×n个像素值：

$\left[\begin{array}{cccccc}{f}_{{\mathrm{\τ}}_1}& f_{{\mathrm{\τ}}_2}& ...& f_{{\mathrm{\τ}}_i}& ...& f_{{\mathrm{\τ}}_{m\×n}}\end{array}\right],$

其中，m和n为目标图像的行数和列数，其数值由扫描镜的谐振频率决定，f_r为两个正交方向的谐振频率的最大公约数；

(6)数据存储计算模块对m×n个像素值进行存储和计算，根据像素位置与扫描时间的一一对应关系，恢复出目标景物图像Fig。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，由于采用一个MEMS微扫描镜和一个光电传感器，替代传统的光电传感器阵列，核心器件简单，避免了阵列传感器的不足；

第二，由于MEMS微型扫描镜的扫描周期短，极大缩短了成像时间，体积小，能耗低，易于物理实现。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明的方法实现流程图；

图3为本发明中像素点位置与时间对应关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，本发明基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统，包括成像镜头1、扫描镜2、扫描镜驱动模块3、会聚透镜4、单点光电传感器5、模数转换器6和数据存储计算模块7。其中：

扫描镜2，采用一个双轴微型扭转镜，由两路方波信号的控制，能在两个正交方向周期性摆动，对目标景物进行二维扫描；该扫描镜固定于成像镜头1的成像位置，用于对目标景物成像，并实现对反射光信号中与会聚透镜4相互垂直的目标景物的光信号采样，得到二维的目标景物光信号；

扫描镜驱动模块3，包括跟随器31、CMOS开关32、运算放大器33、数模转换器34和滑动变阻器35；该跟随器31分别与数据存储计算模块7和CMOS开关32连接，用于保护数据存储计算模块7在电压过高时烧毁芯片，CMOS开关32用于控制方波电压的输出；该运算放大器33分别与扫描镜2和数据存储计算模块7电连接，用于接收数据存储计算模块7发送的控制信号，放大方波信号，输出两路方波驱动信号，驱动扫描镜2在两个正交方向的周期性摆动；该数模转换器34与滑动变阻器35组成调节模块，并与运算放大器33连接，用于调节输出的方波信号电压；

会聚透镜4，固定于采样信号的光路上，用于将扫描镜2采样后得到目标景物光信号会聚到单点光电传感器5；

单点光电传感器5，采用但不局限于光电晶体管，其固定在会聚透镜4的焦点处，用于对采样后光信号进行光电转换，得到电信号；

模数转换器6，固定在单点光电传感器5的后方，并与单点光电传感器5相连，用于将单点光电传感器5转换的电信号进行模数转换，得到采样后单点数字信号；

数据存储计算模块7，采用FPGA或DSP芯片，其分别与扫描镜驱动模块3和模数转换器6连接，用于接收模数转换器6的转换数据，实现数据的实时存储与计算，并产生扫描镜驱动电路3的控制信号。

参照图2，本发明基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像方法,包括如下步骤：

步骤1，将扫描区域进行网格划分。

如图3所示，以利萨如轨迹的中心点为基准点，将扫描区域在水平和垂直方向上等间距地分割成矩形网状结构，网格的划分标准是要保证每个网格至少有一条扫描轨迹经过，一个网格即为一个像素点，像素点的高度d为：

$d=A_y\sin \left(\mathrm{\π}\frac{f_r}{f_x}\right),$

其中，f_r表示两个正交方向的谐振频率的最大公约数，f_x表示x方向的谐振频率。

步骤2，计算目标图像的分辨率。

为了保证图像不畸变，设像素点的长宽比为1:1，所以目标图像的分辨率之比即为x和y方向上幅值比：

$\frac{n}{m}=\frac{A_x}{A_y},$

其中，m和n表示目标图像的行数和列数，即目标图像的分辨率，A_x和A_y分别表示x和y方向上的振幅。

根据y方向上的振幅A_y和单个像素点的宽度d，得到y方向上的分辨率为：

$m=\frac{{2A}_y}{d}=\frac{2}{|\sin \left(\mathrm{\π}\frac{f_r}{f_x}\right)};$

根据x和y方向上幅值比关系，得到d方向上的分辨率为：

$n=\frac{A_x}{A_y}\×m.$

步骤3，对目标景物光信号采样。

3.1)根据镜头的成像原理，扫描镜通过成像镜头对目标景物成像，使目标景物的入射光信号以非平行的方式会聚在扫描镜上，得到目标景物的光信号L；

3.2)扫描镜按照利萨如轨迹对目标景物光信号进行扫描，其轨迹方程为：

其中，x(t)和y(t)分别表示利萨如轨迹x坐标和y坐标，A_x和A_y分别表示x和y方向上的振幅，f_x和f_y表示x和y方向上的谐振频率，t表示扫描时刻，和分别表示x和y方向上的初相位，扫描镜的扫描周期为：

$T=\frac{1}{f_r};$

3.3)扫描镜通过镜面反射改变光信号L的路径，得到非平行的目标景物反射光信号L′，并对反射光信号L′中与会聚透镜相互垂直的光信号进行采样，得到采样光信号l_i，其中l_i表示第i个采样点的光信号，1≤i≤m×n，m×n为采样个数。

步骤4，将采样光信号l_i转换为数字信号。

4.1)根据会聚透镜的聚焦原理，利用会聚透镜将采样光信号l_i会聚到单点光电传感器，单点光电传感器将该采样光信号l_i转换为电信号E_i，单点光电传感器的响应时间r应小于采样间隔τ′：

$r<{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}=\frac{m\&times;n}{T};$

4.2)利用模数转换器对电信号E_i进行采样和量化，得到采样后单点数字信号,即目标图像的一个像素值其中τ_i表示第i个采样点的采样时刻。

步骤5，获取全部像素值。

扫描镜驱动模块输出两路方波驱动信号，控制扫描镜在两个正交方向同时进行周期性摆动，重复步骤3—步骤4单个像素值的获取过程，得到按照时间顺序排列的m×n个像素值：

$\left[\begin{array}{cccccc}{f}_{{\mathrm{\&tau;}}_1}& f_{{\mathrm{\&tau;}}_2}& ...& f_{{\mathrm{\&tau;}}_i}& ...& f_{{\mathrm{\&tau;}}_{m\&times;n}}\end{array}\right],$

其中，表示采样时刻为τ_i的采样点的像素值。

步骤6，计算像素点位置与扫描时间的一一对应关系。

6.1)求出每个像素点的中心坐标为：

其中，(x_p,y_q)表示第p行，第q列的像素点坐标，1≤p≤m,1≤q≤n；

6.2)计算出每个像素点中，离像素点中心最近的扫描轨迹上的点坐标，用以近似表示像素点的坐标：

其中，(x′_p,y′_q)表示第p行，第q列的像素点的近似坐标,1≤p≤m,1≤q≤n；

6.3)将像素点的坐标(X′,Y′)带入到利萨如轨迹方程，即得到每个像素点的扫描时刻：

其中，t_pq表示第p行，第q列像素点的扫描时刻；

6.4)将像素值对应的采样时刻τ_i与扫描时刻t按照从左到右、从上到下的顺序进行匹配，当τ_i＝t_pq时，将(p,q)放入匹配向量M中第i个位置，当τ_i≠t_pq时，τ_i与下一个扫描时刻进行匹配，直到匹配成功，得到匹配向量M，其中M为m×n维行向量，用以保存t中与采样时刻τ_i相匹配的扫描时刻t_pq的坐标，即保存像素值在图像矩阵F中的坐标，其中F为m行n列的矩阵，1≤i≤m×n，1≤p≤m，1≤q≤n。

步骤7，恢复目标景物图像。

根据像素点位置与扫描时间的一一对应关系，按照匹配向量M中第i个元素保存的坐标信息，将像素值放入图像矩阵F的对应位置，在m×n个像素值全部放入图像矩阵F后，即得到目标图像Fig，其中1≤i≤m×n。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统,包括：成像镜头(1)、扫描镜(2)、扫描镜驱动模块(3)、会聚透镜(4)、单点光电传感器(5)、模数转换器(6)、数据存储计算模块(7)；扫描镜(2)固定于成像镜头(1)的成像位置，扫描镜驱动模块(3)与扫描镜(2)电连接，会聚透镜(4)固定于采样信号的光路上，单点光电传感器(5)固定于会聚透镜(4)的焦点处，模数转换器(6)固定于单点光电传感器(5)后方，数据存储计算模块(7)分别与扫描镜驱动模块(3)和模数转换器(6)连接，其特征在于：

扫描镜(2)，采用一个双轴微型扭转镜，用以在两个正交方向进行周期性摆动，实现对反射光信号中与会聚透镜(4)相互垂直的目标景物的光信号采样；

扫描镜驱动模块(3)，采用两路方波驱动信号，用以驱动扫描镜(2)在两个正交方向的周期性摆动，并接收数据存储计算模块(7)发送的控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统，其特征在于，扫描镜驱动模块(3)，包括：

跟随器(31)，作为缓冲器，分别与数据存储计算模块(7)和CMOS开关(32)连接，用于保护数据存储计算模块(7)在电压过高时烧毁芯片；

CMOS开关(32)，用于控制方波电压的输出；

运算放大器(33)，与数据存储计算模块(7)连接，用于放大方波信号电压；

数模转换器(34)和滑动变阻器(35)，与运算放大器(33)连接，用于调节输出的方波信号电压。

3.一种基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像方法，包括如下步骤：

(1)扫描镜通过成像镜头对目标景物进行扫描，使目标景物的入射光信号以非平行的方式会聚在扫描镜上，得到目标景物的光信号L；

(2)扫描镜通过镜面反射改变光信号L的路径，得到非平行的目标景物反射光信号L′，并对反射光信号L′中与会聚透镜相互垂直的光信号进行采样，得到采样光信号l_i，其中l_i表示第i个采样点的光信号，1≤i≤m×n，m×n为采样个数；

(3)通过会聚透镜将采样光信号l_i会聚到单点光电传感器，单点光电传感器将该采样光信号l_i转换为电信号E_i；

(4)利用模数转换器对电信号E_i进行模数转换，得到采样后单点数字信号,即目标图像的一个像素值其中τ_i表示第i个采样点的采样时刻；

(5)通过驱动电路控制扫描镜在两个正交方向同时进行周期性摆动，摆动周期为T,重复(2)－(4)步骤单个像素值的获取过程，得到按照时间顺序排列的m×n个像素值：

其中，m和n表示目标图像的行数和列数,其数值由扫描镜的谐振频率决定，f_r表示两个正交方向的谐振频率的最大公约数；

(6)数据存储计算模块对m×n个像素值进行存储和计算，根据像素点位置与扫描时间的一一对应关系，恢复出目标景物图像Fig。

4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(1)所述的扫描镜通过成像镜头对目标景物进行扫描，按照利萨如轨迹进行扫描，其轨迹方程为：

其中，x(t)和y(t)分别为利萨如轨迹x坐标和y坐标，A_x和A_y分别为x和y方向上的振幅，f_x和f_y为x和y方向上的谐振频率，t为扫描时刻，和分别代表x和y方向上的初相位。

5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(6)所述的根据像素点位置与扫描时间的一一对应关系，恢复出目标景物图像，其步骤如下：

(6a)以利萨如轨迹的中心点为基准，将扫描区域在水平和垂直方向上等间距地分割成矩形网状结构，网格即为像素点，像素点的长宽比为1:1，像素点的高度为d：

其中，A_y表示y方向上的振幅，f_r为扫描频率，f_x为x方向的谐振频率；

(6b)求出每个像素点的中心坐标为：

其中，(x_p,y_q)表示第p行，第q列的像素点坐标，1≤p≤m,1≤q≤n；

(6c)计算出每个像素点中，离像素点中心最近的扫描轨迹上的点坐标，用以近似表示像素点的坐标：

其中，(x′_p,y′_q)表示第p行，第q列的像素点的近似坐标,1≤p≤m,1≤q≤n；

(6d)将(X′,Y′)带入到利萨如轨迹方程，即得到每个像素点的扫描时刻：

其中，t_pq表示第p行，第q列像素点的扫描时刻；

(6e)将像素值对应的采样时刻τ_i与扫描时刻t按照从左到右、从上到下的顺序进行匹配，当τ_i＝t_pq时，将(p,q)放入匹配向量M中第i个位置，当τ_i≠t_pq时，τ_i与下一个扫描时刻进行匹配，直到匹配成功，得到匹配向量M，其中M为m×n维行向量，用以保存t中与采样时刻τ_i相匹配的扫描时刻t_pq的坐标，即保存像素值在图像矩阵F中的坐标，其中F为m行n列的矩阵，1≤i≤m×n，1≤p≤m，1≤q≤n；

(6f)按照匹配向量M中第i个元素保存的坐标信息，将像素值放入图像矩阵F的对应位置，在m×n个像素值全部放入图像矩阵F后，即得到目标图像Fig，其中1≤i≤m×n。