基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统及实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统及实现方法，属于光谱成像领域，主要涉及微机电系统技术、光谱成像技术以及光谱图像多波段融合处理技术等。该系统主要包括一个由目标1、前置准直透镜组2和DMD3组成的前置准直光路，以及两个不同工作波段的分光光路。目标像被DMD3的n个微镜扫描单元按列划分，通过控制n个微镜扫描单元依次正负偏转实现对目标像的双向扫描，进而在两个分光光路的探测器上分别获得n幅色散后的光谱图像，根据每幅光谱图像对应不同目标像单元的原理，完成对光谱的重建，从而获得目标场景的双波段光谱信息。该系统中光信号经DMD反射后，分别进入两个分光光路，避免了现有技术中分束镜、分光镜等带来的光能量分割和损失的问题。同时具有系统紧凑、空间分辨率可调的优势。

Dual-band Spectral Imaging System Based on Digital Micromirror Device and Its Implementation

【技术实现步骤摘要】
基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统及实现方法(申请人：虞益挺董雪肖星辰王光耀潘一宁)所属领域本专利技术属于光谱成像领域，主要涉及微机电系统技术、光谱成像技术以及光谱图像多波段融合处理技术等。现有技术对于航空航天领域的遥感探测，食品行业的质量检测，以及医学领域的医疗诊断等，往往需要采集目标场景或样品多个谱段的光谱信息，将它们进行对比、融合，可更加有效地实现目标的识别、分类以及追踪等，这些要求是单波段光谱成像系统无法实现的。受探测器和分光元件等工作波段的限制，光谱成像系统很难在一个光路中直接探测多个波段的光谱信息。目前，能获取双波段光谱信息的系统普遍采用分束镜(CN102103265A等)、分光镜(CN104793324A等)、分色片(CN101551272A等)等光学元件，将入射光分成透射和反射两部分，然后再分别进入不同的光路进行色散，最终得到的光谱信息被不同的探测器采集。这类方法将进入系统的光能量分成两部分，因此进入到后续各个子光路的光能量减弱；同时，透射的方式难免存在光能量的吸收，造成光能量的损失。因此，这类方法会使有用的光信号变弱，易受杂散光等不利因素的影响，造成信噪比下降，尤其当探测目标的入射光信号较弱时，有效的光谱信息更是难以提取。为克服以上问题，长春光机所的孙强等人(CN101813521A)采用步进电机使两台探测器运动，交替采集谐衍射透镜产生的双波段光谱信息，这种方法避免了入射光被分割的问题，但步进电机和滑台的存在造成整机体积、重量大，稳定性差，紧凑性低，不利于实现系统的搭载和便携。由于微机电系统(Microelectromechanicalsystems，MEMS)技术的飞速发展，数字微镜器件(digitalmicromirrordevices，DMD)作为该项技术的成功产物，已经广泛应用于数字光处理(digitallightprocessing，DLP)领域。DMD的工作面主要由许多个微米量级大小的微镜阵列构成，每个微镜可通过编程控制绕其镜面对角线偏转，如附图1所示，但只有正负两种偏转状态，它们的偏转角度相同，方向相反，如±12°，微镜的不同偏转状态可使入射到其上面的光线按不同的出射方向反射出去。同时，每个微镜又可实现每秒上千次的翻转，这使其成为出色的空间光调制器，很多研究者已尝试将其应用于光谱成像领域。目前，DMD可作为单波段光谱成像系统中的单向扫描器(CN105527021A)，通过利用DMD正偏转或负偏转功能，来实现对目标空间信息单一方向的逐点扫描或逐列扫描，但该过程中并没有涉及其双向偏转的功能。此外，该专利对于前置成像光路与后续分光光路之间的夹角，以及光入射到DMD的角度都没有固定要求，而且不存在空间位置的干涉问题。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术目的在于提供一种利用数字微镜器件的正负两种偏转状态来获取目标双波段光谱信息的光谱成像方法，充分挖掘数字微镜器件双向偏转的功能，使其应用领域由单波段光谱成像扩展到了双波段光谱成像。同时，为避免前置准直光路与两个分光光路发生空间位置的干涉，同时又保证最佳成像与分光效果，在系统的光路架构排布方面，提出了新的约束条件。整个系统克服了现有双波段光谱成像技术中存在的分光能量弱、弱光信号不易探测、机械结构复杂、体积质量大等缺陷，满足当今光谱成像领域对探测信息量大和系统紧凑性的要求。技术方案本专利技术提出的基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统的光路组成参阅图2，工作波段1的范围为λ1～λ3，工作波段2的范围为λ4～λ6。该光路主要包括一个前置准直光路和两个分光光路：前置准直光路包括目标1、前置准直透镜组2和DMD3，其工作波段包含工作波段1和工作波段2；分光光路4主要包括分光元件、聚焦元件和探测器等，同时根据选取DMD3偏转角度的大小，考虑是否引入反射镜来增加前置准直光路与分光光路4之间的夹角，以避免元器件发生空间位置的干涉，其工作波段范围为工作波段1；分光光路5主要包括分光元件、聚焦元件和探测器等，同时根据选取DMD3偏转角度的大小，考虑是否引入反射镜来增加前置准直光路与分光光路5之间的夹角，以避免元器件发生空间位置的干涉，其工作波段范围为工作波段2；前置准直透镜组2收集目标1的入射光，使其准直后垂直入射到DMD3工作面上，同时要求前置准直透镜组2的光轴经过DMD3微镜阵列面的中心，DMD3放置在前置准直透镜组2的像面处。控制DMD3的微镜使其处于正偏转状态时，如+12°，它将光线反射到分光光路4中，以获取工作波段1的光谱，要求分光光路4的光轴与正偏转状态时光线的出射方向平行，并且经过DMD3微镜阵列面的中心；再切换DMD3的微镜处于负偏转状态，如-12°，它将光线反射到分光光路5中，以获取工作波段2的光谱，要求分光光路5的光轴与负偏转状态时光线的出射方向平行，并且经过DMD3微镜阵列面的中心。所述的前置准直透镜组2由多个透镜组成，负责将目标1出射的光线进行准直使其垂直入射到DMD3上。其工作波段要同时覆盖工作波段1和工作波段2。所述的DMD3含有多种微镜阵列大小，如1920×1080、1024×768等；其微镜偏转角度大多是±12°，也有±10°，±17°等。如图3所示，目标1的像被DMD3的微镜按列划分成n个扫描单元，每个扫描单元中的微镜都保持相同的偏转状态，当某个扫描单元处于工作状态时，微镜被控制先正向偏转，再反向偏转，如图4所示，它将垂直入射的光线先后沿着两个方向射出。本专利技术提出的一种基于数字微镜器件的双波段光谱成像方法中光谱采集原理如图5所示。目标像被DMD3的n个微镜扫描单元按列划分，通过控制n个微镜扫描单元依次正负偏转实现对目标像的双向扫描，进而在两个分光光路的探测器上分别获得n幅色散后的光谱图像，根据每幅光谱图像对应不同目标像单元的原理，完成对光谱的重建，从而获得目标场景的双波段光谱信息。参阅图5，本专利技术提出的一种基于数字微镜器件的双波段光谱成像方法的光谱采集原理包括以下步骤：步骤1：参阅图6，控制DMD3的第1个微镜扫描单元正向偏转，反射第1个目标像单元的光进入分光光路4；步骤2：参阅图6，反射的第1个目标像单元的光经过分光光路4后，其工作波段1的光谱聚焦在探测器上。定义光谱色散的方向为X轴方向，与该方向垂直的Y轴方向为空间位置方向。第1个目标像单元的光谱沿X轴方向按不同波长依次散开，在Y轴方向上得到不同空间位置的光谱分量；步骤3：参阅图6，分光光路4中的探测器记录并存储了第1个目标像单元在工作波段1的光谱图像，第1个微镜扫描单元的正向偏转结束，完成了第1个目标像单元在工作波段1的光谱成像；步骤4：参阅图6，控制DMD3的第1个微镜扫描单元负向偏转，反射第1个目标像单元的光进入分光光路5；步骤5：参阅图6，反射的第1个目标像单元的光经过分光光路5后，其工作波段2的光谱聚焦在探测器上。第1个目标像单元的光谱沿X轴方向按不同波长依次散开，在Y轴方向上得到不同空间位置的光谱分量；步骤6：参阅图6，分光光路5中的探测器记录并存储了第1个目标像单元在工作波段2的光谱图像，第1个微镜扫描单元的负向偏转结束，完成了第1个目标像单元在工作波段2的光谱成像；步骤7：参阅图7，控制DMD3的第2个微镜扫描单元正向偏转，反射第2个目标像单元的光进入分光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统，其特征在于，主要包括一个前置准直光路和两个分光光路：前置准直光路包括目标1、前置准直透镜组2和DMD3，其工作波段包含工作波段1和工作波段2；分光光路4工作波段范围为工作波段1；分光光路5工作波段范围为工作波段2；前置准直透镜组2收集目标1的入射光，使其准直后垂直入射到DMD3工作面上，同时要求前置准直透镜组2的光轴经过DMD3微镜阵列面的中心，DMD3放置在前置准直透镜组2的像面处；控制DMD3的微镜使其处于正偏转状态时，它将光线反射到分光光路4中，以获取工作波段1的光谱，要求分光光路4的光轴与正偏转状态时光线的出射方向平行，并且经过DMD3微镜阵列面的中心；再切换DMD3的微镜处于负偏转状态，它将光线反射到分光光路5中，以获取工作波段2的光谱，要求分光光路5的光轴与负偏转状态时光线的出射方向平行，并且经过DMD3微镜阵列面的中心；所述的前置准直透镜组2由多个透镜组成，负责将目标1出射的光线进行准直使其垂直入射到DMD3上；其工作波段要同时覆盖工作波段1和工作波段2。

【技术特征摘要】
1.基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统，其特征在于，主要包括一个前置准直光路和两个分光光路：前置准直光路包括目标1、前置准直透镜组2和DMD3，其工作波段包含工作波段1和工作波段2；分光光路4工作波段范围为工作波段1；分光光路5工作波段范围为工作波段2；前置准直透镜组2收集目标1的入射光，使其准直后垂直入射到DMD3工作面上，同时要求前置准直透镜组2的光轴经过DMD3微镜阵列面的中心，DMD3放置在前置准直透镜组2的像面处；控制DMD3的微镜使其处于正偏转状态时，它将光线反射到分光光路4中，以获取工作波段1的光谱，要求分光光路4的光轴与正偏转状态时光线的出射方向平行，并且经过DMD3微镜阵列面的中心；再切换DMD3的微镜处于负偏转状态，它将光线反射到分光光路5中，以获取工作波段2的光谱，要求分光光路5的光轴与负偏转状态时光线的出射方向平行，并且经过DMD3微镜阵列面的中心；所述的前置准直透镜组2由多个透镜组成，负责将目标1出射的光线进行准直使其垂直入射到DMD3上；其工作波段要同时覆盖工作波段1和工作波段2。2.如权利要求1所述的基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统，其特征在于，所述分光光路4和分光光路5均包括分光元件、聚焦元件和探测器。3.如权利要求1所述的基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统，其特征在于，所述DMD3与两个分光光路之间，均有一反射镜，使得所述DMD3正反偏转反射的光线经相应的反射镜反射后分别进入两个分光光路，同时避免元器件发生空间位置的干涉。4.一种基于权利要求1-3之一所述系统进行双波段光谱成像的方法,包括以下步骤：步骤1：控制DMD3的第1个微镜扫描单元正向偏转，反射第1个目标像单元的光进入分光光路4；步骤2：反射的第1个目标像单元的光经过分光光路4后，其工作波段1的光谱聚焦在探测器上。定义光谱色散的方向为X轴方向，与该方向垂直的Y轴方向为空间位置方向。第1个目标像单元的光谱沿X轴方向按不同波长依次散开，在Y轴方向上得到不同空间位置的光谱分量；步骤3：分光光路4中的探测器记录并存储了第1个目标像单元在工作波段1的光谱图像，第1个微镜扫描单元的正向偏转结束，完成了第1个目标像单元在工作波段1的光谱成像；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞益挺，董雪，肖星辰，王光耀，潘一宁，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61