CN110567580A - 一种可编程滤光成像模组及其任意光谱透过率的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学领域，公开了一种可编程滤光成像模组及其任意光谱透过率的实现方法，其中，可编程滤光成像模组包括成像模块和控制模块。成像模块包括光栅、透镜、光栅以及面阵光电探测器，用于将入射的平行光束分光，并选择指定的波长汇聚成平行光后进行成像；控制模块包括数字微镜器件、控制板卡及计算机，用于控制波长的选择及采集的曝光时间。该方法通过控制数字微镜器件上各微镜的开、关以及面阵光电探测器的曝光时间，从而实现对于待测目标的任意光谱透过率的成像。该方法可有效解决传统滤光方法无法快速切换且实现任意光谱透过率的问题，在高光谱成像等领域具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种可编程滤光成像模组及其任意光谱透过率的实现方法。
背景技术
随着应用光谱学的发展，成像光谱仪通过将光谱和图像结合为一体，进而获取关于待测目标的丰富的空间和光谱信息，在医学、地质、农业、军事等方面具有广泛的应用。
成像光谱仪的核心在于其滤光成像模组，其按原理可分为三大类：色散型成像模组、干涉型成像模组和滤光片型成像模组。色散型成像模组主要利用棱镜或光栅分光，进而通过线阵或面阵光电探测器测量待测区域内的单个点或线的光谱，随后通过二维或一维扫描获得整个待测区域的光谱图像，因此色散型成像模组采集光谱图像的耗时通常较长。干涉型成像模组主要根据多光束干涉原理，使所需要波长的光发生干涉相长，其余波长的光发生干涉相消，从而起到滤光的作用，因此干涉型成像模组需对所采集的干涉图进行数据后处理，进而获取待测目标的光谱信息。滤光片型成像模组主要通过载有不同滤光片的滤光片转轮或可调谐滤光片实现分光功能。其中，滤光片转轮主要通过机械方式控制不同滤光片的切换，进而实现不同光谱透过率的成像，其切换速率及可加载的滤光片数量有限，极大地限制了其成像速率及光谱分辨率，且滤光片一旦安装后，光谱透过率在成像过程中难以调整。其中，可调谐滤光片利用晶体的电控双折射效应或声光效应，改变晶体的光学折射率，从而实现对光谱透过率的控制，但是可调谐滤光片中的晶体通常生产成本较高，且受限于光学折射率的调控范围，可调谐滤光片难以实现任意的光谱透过率。
发明内容
针对以上现有技术中存在的不足，本发明提供了一种可编程滤光成像模组及其任意光谱透过率的实现方法，通过控制数字微镜器件上各微镜单元的方向以及面阵光电探测器的曝光时间，从而实现对于待测目标的任意光谱透过率的成像。
本发明的具体技术方案为：
一种可编程滤光成像模组，其包括成像模块和控制模块。其中，所述的成像模块包括入射光栅2、透镜3、出射光栅5和面阵光电探测器6；所述的控制模块包括数字微镜器件4、控制板卡7和计算机8。
所述的入射光栅2与出射光栅5具有完全一致的光学参数，且位于透镜3一侧焦平面上，数字微镜器件4位于透镜3另一侧焦平面上；更进一步地，平行的入射光束1经入射光栅2分光后通过透镜3，源自相同波长的光汇聚在数字微镜器件4的同一微镜单元上，经数字微镜器件4反射的光通过透镜3及出射光栅5后，由于光路的可逆性，形成与入射光方向相反的平行光束，并由面阵光电探测器6采集。
所述的数字微镜器件4和面阵光电探测器6分别与控制板卡7连接，控制板卡7与计算机8连接，通过控制板卡7及计算机8，控制数字微镜器件4上各微镜单元的方向反射指定波长的光，用于对不同波长光信号的二进制调制；在对不同波长光信号进行二进制调制的基础上，通过计算机8控制面阵光电探测器6的曝光时间，用于对待测目标的任意光谱透过率的成像。
本发明提供的可编程滤光成像模组的工作波长范围由入射光栅2和出射光栅5的刻线密度、透镜3的焦距及数字微镜器件4的横向工作长度决定，光谱分辨率由上述工作波长范围及数字微镜器件4上的横向微镜单元个数决定，其光谱透过率的精度由面阵光电探测器6的曝光时间及数字微镜器件4的二进制模式速率决定。
另一方面，本发明提供了一种可实现任意光谱透过率的方法，其中所述的方法基于上述的可编程滤光成像模组，包括以下步骤：
步骤一、平行的入射光束1经入射光栅2分光并通过透镜3后，源自相同波长的光将汇聚在数字微镜器件4的同一微镜单元上；
步骤二、通过计算机8、控制板卡7控制数字微镜器件4上各微镜单元的旋转方向，反射指定波长的光，并再次通过透镜3被成像到出射光栅5上；由于光路的可逆性，指定波长的光通过出射光栅5后形成特定波长组合的平行光束；
步骤三、通过计算机8、控制板卡7控制数字微镜器件4中各微镜单元的开关时间以及面阵光电探测器6的曝光时间，实现对于待测目标的特定光谱透过率的编码滤波，并由面阵光电探测器6采集光信号后成像。
所述的控制模块，通过控制板卡7及计算机8，控制数字微镜器件4上各微镜单元的方向，进而反射指定波长的光，可实现对于不同波长光信号的二进制调制；在对不同波长光信号进行二进制调制的基础上，通过计算机8控制面阵光电探测器6的曝光时间，可实现对于待测目标的任意光谱透过率的成像。
在实现任意光谱透过率F时，数字微镜器件4上对应第i个波长的微镜单元处于“开”方向的时间Di可根据公式(1)获得，
Di＝Fi/Ti (1)
其中，Fi为光谱透过率F上第i个波长所对应的透过率值，Ti为可编程滤光成像模组系统响应率T上第i个波长所对应的响应率值。该系统响应率可通过控制数字微镜器件4上的微镜单元全部处于“开”方向，并计算出射光与入射光在不同波长下的比值获得。
所述的可编程滤光成像模组可通过调整入射光栅2和出射光栅5的刻线密度、透镜3的焦距及数字微镜器件4的横向工作长度控制其工作波长范围。当设定的最小工作波长为λmin时，最大工作波长为λmax可根据公式(2)获得，
其中，n为入射光栅2和出射光栅5的刻线密度，f为透镜3的焦距，h为数字微镜器件4的横向工作长度。
用于控制某一波长为λi的光所对应的微镜单元序数xi可根据公式(3)获得，
其中，表示向下取整，n为入射光栅2和出射光栅5的刻线密度，f为透镜3的焦距，l为单个微镜单元的横向工作长度。
在通过调整入射光栅2和出射光栅5的刻线密度n、透镜3的焦距f及数字微镜器件4横向工作长度进而控制其工作波长范围的基础上，通过调整数字微镜器件4上的横向微镜单元个数M更进一步地控制其光谱分辨率。其光谱分辨率R可根据公式(4)获得，
所述的可编程滤光成像模组可通过调整面阵光电探测器的曝光时间及数字微镜器件4的二进制模式速率控制其光谱透过率的精度。其光谱透过率的精度c可根据公式(5)获得，
其中，t为光电探测器曝光时间，v为数字微镜器件4的二进制模式速率。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种可编程滤光成像模组及其任意光谱透过率的实现方法，由于数字微镜器件具有较高的二进制模式速率，因此可以实现指定波长的快速切换；另外，在对不同波长光信号进行二进制调制的基础上，通过控制光电探测器的曝光时间，可实现对于待测目标的任意光谱透过率的成像。
附图说明
图1是本发明实施例中的可编程滤光成像模组的光路设计图。
图2(a)至图2(c)是可编程滤光成像模组对指定波长的二进制调制及实现任意光谱透过率的原理图；其中，图2(a)显示通过控制可编程滤光片的特定微镜单元的方向，反射指定波长的光，进而实现对指定波长的光的二进制调制；图2(b)显示根据图2(a)中对指定波长的光的二进制调制的光谱透过率结果；图2(c)表示令光电探测器持续曝光，则最终的光谱透过率为该波长的微镜单元处于“开”状态的时间与光电探测器曝光时间的比值。
图中：1入射光束；2入射光栅；3透镜；4数字微镜器件；5出射光栅；6面阵光电探测器；7控制板卡；8计算机。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。
实施例
图1是本发明实施例中的可编程滤光成像模组的光路设计图。根据图1所示光路搭建可编程滤光成像模组。平行的入射光束1经入射光栅2分光后通过透镜3，源自相同波长的光汇聚在数字微镜器件4的同一微镜单元上，经数字微镜器件4反射的光通过透镜3及出射光栅5后，由于光路的可逆性，形成与入射光方向相反的平行光束，并由面阵光电探测器6采集。
其中，选用的数字微镜器件4的横向有效工作长度为9.8mm，共有912个微镜，其二进制模式速率最大为32kHz；选用的入射光栅2和出射光栅5的刻线密度为800线/毫米(入射光栅2和出射光栅5的参数一致，若调整时，需要同时调整)；选用的透镜3的焦距为35mm。若光谱透过率调制步长为1％时，其光谱透过率切换速率可高达320Hz以上。若设定的设定调制波长范围的最小波长λmin为450nm时，其可调制的最大波长λmax为693nm。上述波长范围所对应的有效微镜单元共908个，则该可编程滤光成像模组的光谱分辨率为0.27nm。
通过控制板卡7及计算机8，控制数字微镜器件4上各微镜单元的方向，进而反射指定波长的光，可实现对于不同波长光信号的二进制调制，如图2(a)和图2(b)所示。在对不同波长光信号进行二进制调制的基础上，通过计算机8控制面阵光电探测器6的曝光时间，则最终的光谱透过率为该波长的微镜单元处于“开”状态的时间与光电探测器曝光时间的比值，即实现对于待测目标的任意光谱透过率的成像，如图2(c)所示。更进一步地，实现图2(c)中的光谱透过率的具体步骤如下：
假设面阵光电探测器6的总曝光时间为10t，且系统响应率为1。控制数字微镜器件4上的第1-65个微镜单元的方向处于“开”状态的时间为1t，其对应的二进制调制的波长范围为450-470nm，且所对应波长范围内的光谱透过率为0.1；随后，控制数字微镜器件4上的第68-131和645-808个微镜单元的方向处于“开”状态的时间为2t，其对应的二进制调制的波长范围为471-490nm和631-670nm，且所对应波长范围内的光谱透过率为0.2；随后，控制数字微镜器件4上的第134-198和414-641个微镜单元的方向处于“开”状态的时间为3t，其对应的二进制调制的波长范围为491-510nm和571-630nm，且所对应波长范围内的光谱透过率为0.3；随后，控制数字微镜器件4上的第202-267个微镜单元的方向处于“开”状态的时间为1t，其对应的二进制调制的波长范围为511-530nm，且所对应波长范围内的光谱透过率为0.1；随后，控制数字微镜器件4上的第271-410个微镜单元的方向处于“开”状态的时间为2t，其对应的二进制调制的波长范围为531-570nm，且所对应波长范围内的光谱透过率为0.2；最后，控制数字微镜器件4上的第812-908个微镜单元的方向处于“开”状态的时间为1t，其对应的二进制调制的波长范围为671-693nm，且所对应波长范围内的光谱透过率为0.1。
当面阵光电探测器6经10t曝光结束后，最终用于成像的光谱透过率为上述所有光谱透过率的叠加，其光谱透过率如图2(c)所示，即450-470nm范围内的光谱透过率为0.1，471-490nm和631-670nm范围内的光谱透过率为0.2，491-510nm和571-630nm范围内的光谱透过率为0.3，511-530nm范围内的光谱透过率为0.1，531-570nm范围内的光谱透过率为0.2，671-694nm范围内的光谱透过率为0.1。
以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。
Claims (2)
1.一种可编程滤光成像模组，其特征在于，所述的可编程滤光成像模组包括成像模块和控制模块，其中，所述的成像模块包括入射光栅(2)、透镜(3)、出射光栅(5)以及面阵光电探测器(6)，用于将平行的入射光束分光，并将指定的波长汇聚成平行光束后进行采集；所述的控制模块包括数字微镜器件(4)、控制板卡(7)及计算机(8)，用于控制波长的选择及采集的曝光时间；
所述的入射光栅(2)与所述的出射光栅(5)具有相同的光学参数，且位于透镜(3)一侧焦平面上，数字微镜器件(4)位于透镜(3)另一侧焦平面上；平行的入射光束(1)经入射光栅(2)分光并通过透镜(3)后，源自相同波长的光汇聚在数字微镜器件(4)的同一微镜单元上，经数字微镜器件(4)反射的光通过透镜(3)及出射光栅(5)后，由于光路的可逆性，形成与入射光方向相反的平行光束，并由面阵光电探测器(6)采集；
所述的数字微镜器件(4)和面阵光电探测器(6)分别与控制板卡(7)连接，控制板卡(7)与计算机(8)连接，通过控制板卡(7)及计算机(8)，控制数字微镜器件(4)上各微镜单元的方向，进而反射指定波长的光，用于对不同波长光信号的二进制调制；在对不同波长光信号进行二进制调制的基础上，通过计算机(8)控制面阵光电探测器(6)的曝光时间，用于对待测目标的任意光谱透过率的成像。
2.一种可实现任意光谱透过率的方法，其特征在于，所述的方法基于权利要求1中所述的可编程滤光成像模组，包括以下步骤：
步骤一、平行的入射光束(1)经入射光栅(2)分光并通过透镜(3)后，源自相同波长的光汇聚在数字微镜器件(4)的同一微镜单元上；
步骤二、通过计算机(8)、控制板卡(7)控制数字微镜器件(4)上各微镜单元的旋转方向，反射指定波长的光，并再次通过透镜(3)被成像到出射光栅(5)上；由于光路的可逆性，指定波长的光通过出射光栅(5)后形成特定波长组合的平行光束；
步骤三、通过计算机(8)、控制板卡(7)控制数字微镜器件(4)中各微镜单元的开关时间以及面阵光电探测器(6)的曝光时间，实现对于待测目标的特定光谱透过率的编码滤波，并由面阵光电探测器(6)采集光信号后成像；
其中，
在实现任意光谱透过率F时，数字微镜器件(4)上对应第i个波长的微镜单元处于“开”方向的时间Di可根据公式(1)获得，
Di＝Fi/Ti (1)
其中，Fi为光谱透过率F上第i个波长所对应的透过率值，Ti为可编程滤光成像模组系统响应率T上第i个波长所对应的响应率值；
通过调整入射光栅(2)和出射光栅(5)的刻线密度、透镜(3)焦距及数字微镜器件(4)的横向工作长度控制其工作波长范围，当设定的最小工作波长为λmin时，最大工作波长为λmax可根据公式(2)获得，
其中，n为入射光栅(2)和出射光栅(5)的刻线密度，f为透镜(3)的焦距，h为数字微镜器件(4)的横向工作长度；
用于控制某一波长为λi的光所对应的微镜单元序数xi可根据公式(3)获得，
其中，表示向下取整，n为入射光栅(2)和出射光栅(5)的刻线密度，f为透镜(3)焦距，l为单个微镜单元的横向工作长度；
通过调整入射光栅(2)和出射光栅(5)的刻线密度n、透镜(3)的焦距f及数字微镜器件(4)的横向工作长度控制其工作波长范围的基础上，通过调整数字微镜器件(4)上的横向微镜单元个数M进一步控制其光谱分辨率，其光谱分辨率R可根据公式(4)获得，
通过调整面阵光电探测器(6)的曝光时间及数字微镜器件(4)的二进制模式速率控制其光谱透过率的精度，其光谱透过率的精度c可根据公式(5)获得，
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