CN105527021A - 一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像系统及成像方法，属于成像光谱领域。该基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像系统主要包括：目标1、前置成像系统2、DMD3、准直镜4、光栅5、成像物镜6、CCD相机7；目标1与DMD3分别放置在前置成像系统2的物面与像面处，DMD3上的微镜将前置成像系统2所成的目标像反射给准直镜4，经过准直镜4的光线平行照射到光栅5上，光栅5色散后的光谱最后由成像物镜6成像到CCD相机7上。本发明具有光谱采集、复原计算量较小、空间分辨率可调、体积小的优点。
Description
所属领域
本发明属于成像光谱领域，主要涉及微机电系统技术、光学技术、光谱成像技术以及光谱图像处理技术等。
现有技术
光谱成像技术综合了成像技术与光谱技术，能够在获取目标的二维空间景像信息的同时得到一维的表征其物理性质和状态的光谱信息，从而达到有效识别目标的目的，在遥感探测、目标识别、医学成像、鉴别防伪等领域具有广泛应用。
在传统的光谱成像系统中，其核心的分光元件主要有光栅、棱镜、滤波轮、声光或液晶可调滤波器等，可实现对特定波段的选取。然而，光栅和棱镜属于色散型滤波器件，需要推扫机构来实现对目标的光谱成像。滤波轮、声光或液晶可调滤波器具有凝视成像功能，但滤波轮需要额外的旋转机构，并且谱段数比较有限；声光或液晶可调滤波器属于电控型智能滤波器件，通过加电调整材料微观结构，实现对晶体结构或折射系数的调整，它们的响应速度一般在ms量级。近年来，随着微机电系统(Microelectromechanicalsystems,MEMS)技术的飞速发展，光学MEMS器件在光通信、自适应光学、投影显示等领域取得了较好的产业化应用，尤其以德州仪器公司的数字微镜器件(digitalmicromirrordevices,DMD)为典型代表，凭借在投影显示领域的大量商业化应用，2012年之前一直占据MEMS年销售额排名首位。作为一种可快速实现精确偏转的空间光调制器，研究人员也试图将DMD用于光谱成像领域。
目前，利用DMD实现光谱成像的方法主要有两种：
第一种：将DMD放置在望远物镜的像面处，起到视场调制的功能，同时在探测器上得到不同选通视场色散开的混叠光谱信息。
第二种：在哈达玛变换光谱仪中，将DMD放置在色散后频谱展开面上，起到光谱调制的功能，同时在探测器上得到不同选通光谱的混叠信息。
虽然两种方法都可以提高系统的信噪比，但为避免光谱信息的混叠，需要对信号进行编码测量和解码复原，而构建编码矩阵的计算较为复杂，且后期处理工作量大，不利于系统的产业化。
发明内容
发明目的
本发明的目的在于提供一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法，以克服现有技术中编码测量矩阵难以构建和后期处理工作量大等问题，提高光谱仪的工作效率，促进系统的产业化应用。
技术方案
本发明提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像系统的光路组成如图1所示，主要包括：目标1、前置成像系统2、DMD3、准直镜4、光栅5、成像物镜6、CCD相机7；目标1与DMD3分别放置在前置成像系统2的物面与像面处，DMD3上的微镜将前置成像系统2所成的目标像反射给准直镜4，经过准直镜4的光线平行照射到光栅5上，光栅5色散后的光谱最后由成像物镜6成像到CCD相机7上。
所述的前置成像系统2包括前置成像镜，它将目标成像到第一像面处。
所述的DMD3包括多种微镜阵列，如1024×768、608×684等。它是一种微机械电子器件，具有两种稳定的偏转状态：正偏转和负偏转,正负偏转角度相同，方向相反。微镜状态由其运行期间微镜的几何结构和静电特性共同决定。当微镜处于正偏转时，将选通目标像的光反射到后续光路中；当微镜处于负偏转时，将目标像的光反射到后续光路外，从而实现像素扫描功能。
所述的准直镜4、前置成像系统2、DMD3构成了像素扫描系统；其中，DMD3放置在前置成像系统2的像面处；准直镜4放置在DMD3的出射光路中。
所述的光栅5可以为反射式光栅或透射式光栅。
所述的光栅5、成像物镜6、CCD相机7构成了分光成像系统；其中，光栅5、CCD相机7分别放置在成像物镜6的物面和像面处。
本发明提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法中光谱采集原理如图2所示。通过控制DMD上微镜的偏转实现对像素的模拟推扫，进而在CCD相机上获得n幅色散后的光谱图像，根据每帧光谱图像对应不同目标像的原理，完成对光谱的重建，从而获得目标场景的完整光谱信息。
参阅图2，本发明提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法的光谱采集原理包括以下基本步骤：
步骤1：参阅图3，通过控制DMD3使得第1列微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤2：参阅图3，选通的光经过后续光路系统使光谱平行照射到CCD相机7上；
步骤3：参阅图4，定义光谱色散方向为X轴方向,与X轴垂直为Y轴方向，目标光通过光栅5色散后，在X轴方向上不同波长依次色散开，在Y轴方向上得到不同空间位置的光谱分量；
步骤4：CCD记录、存储探测到的第1幅光谱数据图，完成第1列像素的光谱成像；
步骤5：参阅图5，控制DMD使得第2列的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤6：参阅图6，由于目标像在X轴方向上发生了偏移，因此对应色散后的光谱在CCD相机上也相应发生了偏移；记录此时的光谱数据图，完成第2列像素的光谱成像；
步骤7：控制DMD微镜的偏转，使得系统依次完成第3、4、……、n-1列目标像的光谱成像；
步骤8：参阅图7，控制DMD使得第n列的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤9：参阅图8，由于不同空间位置在X轴方向上的光谱像发生了偏移，因此只要保证最后一列目标像的光谱能完整的入射到CCD相机上，就可完成对整个空间目标的光谱成像；
步骤10：对CCD相机测得的n幅光谱图像进行数据处理，得出目标的二维空间景象和一维光谱信息，完成目标的光谱成像。
有益效果
本发明主要有以下优点：
1、光谱采集、复原计算量较小。采用DMD实现对像素时间和空间上的控制，避免不同像素色散开的光谱重叠。
2、空间分辨率可调。根据不同应用需求，可通过控制每一列的微镜阵列个数来调节系统的空间分辨率。
3、体积小。采用的DMD替代机械运动部件完成对像素的空间扫描，减小了系统体积；
附图说明
图1：基于DMD的像素级扫描光谱成像方法的光路基本原理
图2：基于DMD的像素级扫描光谱成像方法的光谱采集原理
图3：第1列目标像选通光路图
图4：第1列目标像光谱采集原理图
图5：第2列目标像选通光路图
图6：第2列目标像光谱采集原理图
图7：第n列目标像选通光路图
图8：第n列目标像光谱采集原理图
其中：1.目标；2.前置成像镜；3.数字微镜器件；4.准直镜；5.光栅；6.成像物镜；7.CCD相机。
具体实施方式
实施例1
本实施例提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法的光路原理如图1所示，主要包括：目标1、前置成像系统2、DMD3、准直镜4、光栅5、成像物镜6、CCD相机7；目标1与DMD3分别放置在前置成像系统2的物面与像面处，DMD3上的微镜将前置成像系统2所成的目标像反射给准直镜4，经过准直镜4的光线平行照射到光栅5上，光栅5色散后的光谱最后由成像物镜6成像到CCD相机7上。其中，前置成像系统2的光轴与DMD3基底面成90°，准直镜4的光轴与DMD3基底面成24°，光栅5基面与准直镜4的光轴成90°，成像物镜6的光轴与光栅5色散后的主光线平行；CCD相机7放置在成像物镜6的像面处。
所述的前置成像系统2包括前置成像镜，它将目标成像到第一像面处。
所述的DMD3选择1024×768微镜阵列，它将目标像选通到后续光路中。
所述的准直镜4、前置成像系统2、DMD3构成了像素扫描系统；像素扫描的最小单元为1×768像素，此时系统的空间分辨率为13.68μm。其中，DMD3放置在前置成像系统2的像面处；准直镜4放置在DMD3的出射光路中。
所述的光栅5选择反射式光栅。
所述的CCD相机的最小分辨率为3.45μm，像素为2448×2050。
所述的光栅5、成像物镜6、CCD相机7构成了分光成像系统；其中，光栅5、CCD相机7分别放置在成像物镜6的物面和像面处。
本实施例提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法中光谱采集原理如图2所示。目标1发出的光通过前置成像系统2将目标成像到DMD3上，通过DMD3上微镜的偏转实现对光的空间调制，完成对目标像的模拟推扫。选通的光经过准直镜4平行入射到光栅5上，经光栅色散后通过成像物镜6得到不同波长的平行光谱，最后入射到CCD相机7上。在此过程中，通过调整DMD上微镜的偏转可实现对目标像的1024列扫描，同时在CCD相机上获得1024幅色散后的光谱图。
参阅图2，本实施例提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法的光谱采集原理包括以下基本步骤：
步骤1：参阅图3，通过控制DMD3使得第1列1×768像素的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤2：参阅图3，选通的光经过后续光路系统使光谱平行照射到CCD相机上；
步骤3：参阅图4，目标光通过光栅色散后，在X轴方向上不同波长依次色散开，在Y轴方向上得到不同空间位置的光谱分量；
步骤4：CCD记录、存储探测到的第1幅光谱数据图，完成第1列1×768像素的光谱成像；
步骤5：参阅图5，控制DMD使得第2列1×768像素的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤6：参阅图6，由于目标像在X轴方向上发生了偏移，因此对应色散后的光谱在CCD上也相应发生了偏移；记录此时的光谱数据图，完成第2列1×768像素的光谱成像；
步骤7：控制DMD微镜的偏转，使得系统依次完成第3、4、……、1023列1×768像素的光谱成像；
步骤8：参阅图7，控制DMD使得第1024列1×768像素的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤9：参阅图8，由于不同空间位置在X轴方向上的光谱像发生了偏移，因此只要保证最后一列目标像的光谱能完整的入射到CCD相机上，就可完成对整个空间目标的光谱成像；
步骤10：对CCD相机测得的1024幅光谱图像进行数据处理，得出目标的二维空间景象和一维光谱信息，完成目标的光谱成像。
实施例2
本实施例提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法的光路原理如图1所示，主要包括：目标1、前置成像系统2、DMD3、准直镜4、光栅5、成像物镜6、CCD相机7；目标1与DMD3分别放置在前置成像系统2的物面与像面处，DMD3上的微镜将前置成像系统2所成的目标像反射给准直镜4，经过准直镜4的光线平行照射到光栅5上，光栅5色散后的光谱最后由成像物镜6成像到CCD相机7上。其中，前置成像系统2的光轴与DMD3基底面成90°，准直镜4的光轴与DMD3基底面成24°，光栅5基面与准直镜4的光轴成90°，成像物镜6的光轴与光栅5色散后的主光线平行；CCD相机7放置在成像物镜6的像面处。
所述的前置成像系统2包括前置成像镜，它将目标成像到第一像面处。
所述的DMD3选择1024×768微镜阵列，它将目标像选通到后续光路中。
所述的准直镜4、前置成像系统2、DMD3构成了像素扫描系统；像素扫描的最小单元为8×768像素，此时系统的空间分辨率为109.44μm。其中，DMD3放置在前置成像系统2的像面处；准直镜4放置在DMD3的出射光路中。
所述的光栅5选择反射式光栅。
所述的CCD相机的最小分辨率为3.45μm，像素为2448×2050。
所述的光栅5、成像物镜6、CCD相机7构成了分光成像系统；其中，光栅5、CCD相机7分别放置在成像物镜6的物面和像面处。
本实施例提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法中光谱采集原理如图2所示。目标1发出的光通过前置成像系统2将目标成像到DMD3上，通过DMD3上微镜的偏转实现对光的空间调制，完成对目标像的模拟推扫。选通的光经过准直镜4平行入射到光栅5上，经光栅色散后通过成像物镜6得到不同波长的平行光谱，最后入射到CCD相机7上。在此过程中，通过调整DMD上微镜的偏转可实现对目标像的128列扫描，同时在CCD相机上获得128幅色散后的光谱图。
参阅图2，本实施例提出的一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像方法的光谱采集原理包括以下基本步骤：
步骤1：参阅图3，通过控制DMD3使得第1列8×768像素的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤2：参阅图3，选通的光经过后续光路系统使光谱平行照射到CCD相机上；
步骤3：参阅图4，目标光通过光栅色散后，在X轴方向上不同波长依次色散开，在Y轴方向上得到不同空间位置的光谱分量；
步骤4：CCD记录、存储探测到的第1幅光谱数据图，完成第1列8×768像素的光谱成像；
步骤5：参阅图5，控制DMD使得第2列8×768像素的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤6：参阅图6，由于目标像在X轴方向上发生了偏移，因此对应色散后的光谱在CCD上也相应发生了偏移；记录此时的光谱数据图，完成第2列8×768像素的光谱成像；
步骤7：控制DMD微镜的偏转，使得系统依次完成第3、4、……、127列8×768像素的光谱成像；
步骤8：参阅图7，控制DMD使得第128列8×768像素的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤9：参阅图8，由于不同空间位置在X轴方向上的光谱像发生了偏移，因此只要保证最后一列目标像的光谱能完整的入射到CCD相机上，就可完成对整个空间目标的光谱成像；
步骤10：对CCD相机测得的128幅光谱图像进行数据处理，得出目标的二维空间景象和一维光谱信息，完成目标的光谱成像。
Claims (2)
1.一种基于数字微镜器件的像素级扫描光谱成像系统，其特征在于，主要包括：目标1、前置成像系统2、DMD3、准直镜4、光栅5、成像物镜6、CCD相机7；目标1与DMD3分别放置在前置成像系统2的物面与像面处，DMD3上的微镜将前置成像系统2所成的目标像反射给准直镜4，经过准直镜4的光线平行照射到光栅5上，光栅5色散后的光谱最后由成像物镜6成像到CCD相机7上；
所述的前置成像系统2包括前置成像镜，它将目标成像到第一像面处。
所述的DMD3包括多种微镜阵列；具有两种稳定的偏转状态：正偏转和负偏转,正负偏转角度相同，方向相反；当微镜处于正偏转时，将选通目标像的光反射到后续光路中；当微镜处于负偏转时，将目标像的光反射到后续光路外，从而实现像素扫描功能；
所述的准直镜4、前置成像系统2、DMD3构成了像素扫描系统；其中，DMD3放置在前置成像系统2的像面处；准直镜4放置在DMD3的出射光路中；
所述的光栅5可以为反射式光栅或透射式光栅；
所述的光栅5、成像物镜6、CCD相机7构成了分光成像系统；其中，光栅5、CCD相机7分别放置在成像物镜6的物面和像面处。
2.一种基于如权利要求1所述的像素级扫描光谱成像系统的像素级扫描光谱成像方法，其特征在于，包括以下基本步骤：
步骤1：通过控制DMD3使得第1列微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤2：选通的光经过后续光路系统使光谱平行照射到CCD相机7上；
步骤3：定义光谱色散方向为X轴方向,与X轴垂直为Y轴方向，目标光通过光栅5色散后，在X轴方向上不同波长依次色散开，在Y轴方向上得到不同空间位置的光谱分量；
步骤4：CCD记录、存储探测到的第1幅光谱数据图，完成第1列像素的光谱成像；
步骤5：控制DMD使得第2列的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤6：由于目标像在X轴方向上发生了偏移，因此对应色散后的光谱在CCD相机上也相应发生了偏移；记录此时的光谱数据图，完成第2列像素的光谱成像；
步骤7：控制DMD微镜的偏转，使得系统依次完成第3、4、……、n-1列目标像的光谱成像；
步骤8：控制DMD使得第n列的微镜偏转，选通目标像的光进入后续光路系统；
步骤9：由于不同空间位置在X轴方向上的光谱像发生了偏移，因此只要保证最后一列目标像的光谱能完整的入射到CCD相机上，就可完成对整个空间目标的光谱成像；
步骤10：对CCD相机测得的n幅光谱图像进行数据处理，得出目标的二维空间景象和一维光谱信息，完成目标的光谱成像。
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