CN114355710B - 一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器及方法解决了现有标投射仪器模拟出目标景物的二维空间信息以及多光谱信息时整个系统的规模非常大，复杂程度高，价格昂贵等问题。该系统，包括线阵白色光源、色散元件、DMD以及合束元件；线阵白色光源的出射光路上依次设置色散元件以及DMD；经DMD调制后的出射光路上设置合束元件；线阵白色光源中相邻两个线光源经色元件后的色散光不允许重叠。

Description

一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器及方法

技术领域

本发明涉及一种对色散光的调制方法，具体涉及一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器及方法，通过控制数字微镜器件（DMD）实现对各个谱段的光强进行调制以实现对目标景物的模拟。

背景技术

数字微镜器件（DigitalMicro-mirrorDevice，DMD）是一种利用数字电压信号的变化来控制微镜镜片进行机械运动的方式来实现光学功能的器件。DMD中的微镜偏转运动由数字集成电路控制，具有三种工作状态+12°，-12°和0°。当DMD中的微镜偏转+12°时，实现“开”即选通的功能；当DMD中的微镜偏转-12°时，实现“关”即不选通的功能。利用DMD作为空间光调制器的优点在于：

1.DMD中微镜的表面镀有反射率很高的铝，具有良好的反射性能；

2.DMD中的微镜的转换速度快；

3.DMD集成度高，结构紧凑。因此，DMD是一种作为空间光调制器的合适选择。DMD被广泛应用于光谱仪、投影仪等光学设备。

目前投影仪等目标投射仪器都是投射RGB三个通道的图像，即投射三个谱段的图像。按照这些目标投射器的方法，投射一个谱段的图像就需要使用一个DMD器件。要实现十个谱段以上的多光谱图像投射，整个系统的规模将非常大，复杂程度非常高，价格也会非常昂贵。

发明内容

为了解决现有标投射仪器模拟出目标景物的二维空间信息以及多光谱信息时整个系统的规模非常大，复杂程度高，价格昂贵等问题，本发明提出了一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器及方法。

本发明的具体技术方案是：

一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器，包括线阵白色光源、色散元件、DMD以及合束元件；

线阵白色光源的出射光路上依次设置色散元件以及 DMD；

经DMD调制后的出射光路上设置合束元件；

线阵白色光源中相邻两个线光源经色元件后的色散光不允许重叠。

进一步地，上述色散元件为分光棱镜或分光光栅。

进一步地，上述合束元件为合色棱镜或合光光栅。

进一步地，上述线阵白色光源与色散元件之间且沿着光束传播方向依次设置有前置透镜以及第一准直镜。

进一步地，上述DMD和合束元件之间设置有第二准直镜。

同时，本发明还提供了一种采用上述系统的实现目标景物多光谱图像投射的方法，其具体实现步骤如下：

步骤1：根据需模拟目标景物图像的分辨率要求，确定关键参数；

所述关键参数包括谱段数N，DMD的投射灰度级K，DMD在色散方向的最大图像分辨率H、DMD的帧频F；

H=H_有效/N；

H_有效为DMD在水平方向上有效的微镜数量或者DMD在竖直方向上有效的微镜数量；

步骤2：将目标景物的多光谱图像数据存入控制DMD工作的处理器中；

所述多光谱图像数据为T[X,Y,Z]，其中X为像元的水平坐标，Y为像元的垂直坐标，Z为每个像元位置对应的N个谱段的光谱信息；

步骤3：线阵白色光源出射光束，经色散元件转换为色散光照射在DMD上，控制DMD工作的处理器读取多光谱图像数据，根据多光谱图像数据中每个像元位置对应的N个谱段的光谱信息，确定DMD对应于每个任意像元位置处镜片的选通时间，从而DMD对色散光的调制；

步骤4：将DMD调制后的色散光重新经合光元件重新合光形成目标景物的图像并投射出去。

本发明的有益效果是：

本发明提出的利用线阵白色光源和DMD调制色散光的方法实现的多光谱图像投射方法，可以实现3个以上多谱段的目标景物的模拟投射，系统规模小，帧频高，可以利用多台相同设备进行扩展，提高目标景物投射的分辨率。

附图说明

图1为多光谱图像投射原理示意图；

图2为色散光投射到DMD的示意图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面根据具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本实施例提出的实现目标景物多光谱图像投射的仪器是利用1片DMD实现目标景物的多光谱图像投射，其光路结构原理如1图所示。

包括线阵白色光源1、前置透镜2、第一准直镜3、色散元件4、DMD5、第二准直镜6以及合束元件7；

线阵白色光源1的出射光路上依次设置前置透镜2、第一准直镜3、色散元件4以及DMD 5；本实施例中色散元件选择分光棱镜；

经DMD 5调制后的出射光路上依次设置有第二准直镜6以及合束元件7；本实施例中色散元件选择合光棱镜；

其中，需要说明的是：线阵白色光源1中相邻两个线光源经色元件后的色散光不允许重叠。

通过上述系统，实现目标景物多光谱图像投射的过程如下：

S1：根据需模拟目标景物图像的分辨率要求，确定关键参数；

关键参数包括谱段数N、DMD投射的灰度级K、 DMD在色散方向的最大图像分辨率H以及DMD的帧频F；

其中，H=H_有效/N；H_有效为DMD在水平方向上有效的微镜数量或者DMD在竖直方向上有效的微镜数量；

举例说明，为实现目标景物在可见光谱段内10个谱段的模拟投射，若DMD的总镜片数量为2048*2048，实现帧频F=100fps，色散方向为水平方向，则DMD在水平方向上最大图像分辨率H为2048/10≈204。

S2：将目标景物的多光谱图像数据存入控制DMD工作的存储器中，此处所述多光谱数据格式为T[X,Y,Z]，其中，X为像元的水平坐标，Y为像元的垂直坐标，Z为每个像元位置对应的N个谱段的光谱信息；

多光谱图像数据与灰度图像数据的格式有所不同，灰度图像的格式可以理解成一个二维矩阵，矩阵中的每个元素的值即为图像中相应位置像元的灰度值。多光谱图像的数据格式可以理解成一个三维矩阵，除了保留了图像的二维空间位置之外，每个空间位置还保留了N个谱段的强度值。比如（1，1）位置的像元中的10个谱段的光谱信息为（N0，N1，N3，N4，N5，N6，N7，N8，N9）；

S3：线阵白色光源出射光束，经色散元件进行色散，色散光照射在DMD上，要求相邻两个线光源色散的光没有重叠，假设模拟投射的谱段数N=10，那么DMD的水平方向每10个镜片对应一个像元，即一个线光源色散之后的光覆盖DMD的10列镜片，如图2所示；

控制DMD工作的处理器（本实施例采用FPGA）读取多光谱图像数据，根据多光谱图像数据中每个像元位置对应的N个谱段的光谱信息（本实施例中光谱信息为强度值），确定DMD对应于每个任意像元位置处镜片的选通时间，从而DMD对色散光的调制；镜片选通的最大时间为1/F，那么DMD镜片选通的最小时间为1/（F*K）。假设投射的帧频为100fps，灰度级为256时，DMD镜片选通的最小时间为1/（100*256）秒；

S4：将DMD调制后的色散光重新经合光元件重新合光形成目标景物的图像并投射出去。

Claims (6)

1.一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器，其特征在于：

包括线阵白色光源、色散元件、DMD以及合束元件；

线阵白色光源的出射光路上依次设置色散元件以及 DMD；

经DMD调制后的出射光路上设置合束元件；

线阵白色光源中相邻两个线光源经色散元件后的色散光不允许重叠。

2.根据权利要求1所述的一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器，其特征在于：所述色散元件为分光棱镜或分光光栅。

3.根据权利要求2所述的一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器，其特征在于：所述合束元件为合色棱镜或合光光栅。

4.根据权利要求1所述的一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器，其特征在于：所述线阵白色光源与色散元件之间且沿着光束传播方向依次设置有前置透镜以及第一准直镜。

5.根据权利要求1所述的一种实现目标景物多光谱图像投射的仪器，其特征在于：所述DMD和合束元件之间设置有第二准直镜。

6.一种实现目标景物多光谱图像投射的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的实现目标景物多光谱图像投射的仪器，其具体实现步骤如下：

步骤1：根据需模拟目标景物图像的分辨率要求，确定关键参数；

所述关键参数包括谱段数N，DMD的投射灰度级K，DMD在色散方向的最大图像分辨率H、DMD的帧频F；

H=H_有效/N；

H_有效为DMD在水平方向上有效的微镜数量或者DMD在竖直方向上有效的微镜数量；

步骤2：将目标景物的多光谱图像数据存入控制DMD工作的处理器中；

所述多光谱图像数据为T[X,Y,Z]，其中X为像元的水平坐标，Y为像元的垂直坐标，Z为每个像元位置对应的N个谱段的光谱信息；

步骤3：线阵白色光源出射光束，经色散元件转换为色散光照射在DMD上，控制DMD工作的处理器读取多光谱图像数据，根据多光谱图像数据中每个像元位置对应的N个谱段的光谱信息，确定DMD对应于每个任意像元位置处镜片的选通时间，从而实现DMD对色散光的调制；

步骤4：将DMD调制后的色散光经合光元件重新合光形成目标景物的图像并投射出去。

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