一种基于MEMS的光谱成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MEMS的光谱成像系统及方法，属于光谱成像领域，主要涉及微机电系统技术、光学系统设计技术和高光谱成像技术等。本发明专利技术通过在准直子系统和探测器之间引入一个MEMS扫描光栅镜阵列，使得经过DMD每个微镜扫描单元反射、又经准直子系统处理后的光线，可以在每个MEMS扫描光栅镜单元上被分光并获得对应的色散光谱，同时通过控制MEMS扫描光栅镜阵列中每个单元的偏转角度，实现DMD中每个微镜扫描单元对应的色散光谱在相同位置入射至探测器工作面上。因此，经DMD微镜按列扫描后产生的色散光谱不再沿着一个方向偏移，而是分布在探测器工作面上的相同位置，从而大幅度减少色散光谱总长度，降低系统对大长宽比探测器工作面的需求。器工作面的需求。器工作面的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS的光谱成像系统及方法


[0001]本专利技术属于光谱成像领域，主要涉及微机电系统技术、光学系统设计技术和高光谱成像技术等。
现有技术
[0002]光谱分辨率是指探测器在波长方向上记录的最小宽度，是光谱成像系统重要的性能指标之一。一般来说，光谱分辨率越高，系统获取的光谱波段数目越多，被划分的光谱波段宽度越窄，目标的信息越容易区分和识别，针对性也越强，足够高的光谱分辨率较容易区分出具有诊断性光谱特征的目标。具有高光谱分辨率的数据尤其能够刻画地物光谱细节，支持波形分析技术，在大气遥感、植被检测、地质考古、军事侦察以及病理组织识别等领域应用广泛，细分光谱、提升光谱分辨率可以提高系统自动区分和识别目标性质以及组成成分的能力。因此，对于光谱成像系统来说获取高的光谱分辨率十分重要。
[0003]狭缝推扫式是一种常用的光谱数据获取方法，与凝视式、快照式等方法相比，它能获取的光谱分辨率更高，构建目标三维数据立方体的原理也更简单。但这种方法需要依靠机械运动实现对空间场景的推扫，进而采集空间场景的光谱数据，这导致了系统体积质量大、能耗高。
[0004]随着微机电系统(Micro
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electro
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mechanical systems，MEMS)技术的快速发展，其代表性产品——数字微镜器件(Digital Micromirorr Device，DMD)具有体积小巧、质量轻、能耗低、可定制化等优势，能够克服传统光谱成像方法中的很多限制。DMD工作面通常由多达50至200万的微镜构成，每个微镜单元的尺寸在10μm左右，均可绕铰接斜轴偏转相同的角度，且可通过编程控制实现正、负两种方向相反的偏转状态。利用微镜的逐列扫描可替代传统光谱成像系统中的机械狭缝推扫运动(CN105527021A、CN110132412A等)，这种基于DMD的扫描式光谱成像方法能减少系统质量和体积，使系统更加紧凑和便携。但DMD微镜的逐列扫描会使得对应的色散光谱在探测器上沿一个方向偏移，因此，为收集所有的色散光谱，获取较高的光谱分辨率，需要使用工作面长宽比较大的探测器，这种昂贵的探测器大大增加了系统成本，不利于基于DMD的扫描式光谱成像系统在民用领域的推广与应用。针对此问题，一种新的基于DMD的光谱成像系统将DMD工作面的微镜阵列划分成上下两部分(CN112484857A)，通过增加转像子系统改变每部分出射光线光轴的位置，使得探测器上的色散光谱不再只沿一个方向偏移，而是沿两个方向进行偏移，如图1所示，与基于DMD的扫描式光谱成像系统(CN105527021A和CN110132412A)相比，该种方法可以降低系统对大长宽比探测器面型的需要；同时，在使用相同的探测器条件下，该种方法允许每列微镜偏转产生的色散光谱展开得更宽，系统提供的光谱分辨率也随之提高。但该方法仅减少了50％的色散光谱总长度，并没有从根本上解决色散光谱偏移的问题，仍然需要选择特殊面型探测器，光谱分辨率的提高有限。
[0005]除DMD之外，光学MEMS技术的飞速发展为新型光谱成像系统的研制打开了想象空间。将光栅结构与MEMS扫描镜结构集成，可实现动态光谱扫描的功能，有望大幅度减小光谱
成像系统的体积与重量，且具有灵活可调的多样化场景适应能力，智能化程度更高。

技术实现思路

[0006]专利技术目的
[0007]本专利技术提出一种基于DMD和MEMS扫描光栅镜阵列的光谱成像系统及方法，通过在准直子系统和探测器之间引入一个MEMS扫描光栅镜阵列，使得经过DMD每个微镜扫描单元反射、又经准直子系统处理后的光线，可以在每个MEMS扫描光栅镜单元上被分光并获得对应的色散光谱，同时通过控制MEMS扫描光栅镜阵列中每个单元的偏转角度，实现DMD中每个微镜扫描单元对应的色散光谱在相同位置入射至探测器工作面上。因此，经DMD微镜按列扫描后产生的色散光谱不再沿着一个方向偏移，而是分布在探测器工作面上的相同位置，从而大幅度减少色散光谱总长度，降低系统对大长宽比探测器工作面的需求。在使用相同的探测器条件下，与现有基于DMD的扫描式光谱成像方法相比，该方法有助于获得更宽的色散光谱和更高的光谱分辨率。本专利技术无需闪耀光栅、棱镜等分光元件，有效减小了系统的质量和体积，大大提升了系统的集成化，且只需使用常见的探测器面型便可获取较高的光谱分辨率，可以有效降低系统成本，解决了现有基于DMD的扫描式光谱成像系统过度依赖大长宽比探测器面型和集成化水平不够高等难题。
[0008]技术方案
[0009]本专利技术所采用的技术方案是，一种基于MEMS的光谱成像系统及方法，参阅图2，该系统主要包括目标1、成像子系统2、DMD工作面3、DMD工作面第1个微镜扫描单元3
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1、DMD工作面中间微镜扫描单元3
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2、DMD工作面最后1个微镜扫描单元3
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3、准直子系统4、MEMS扫描光栅镜阵列工作面5、MEMS扫描光栅镜阵列工作面第1个MEMS扫描光栅镜单元5
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1、MEMS扫描光栅镜阵列工作面中间MEMS扫描光栅镜单元5
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2、MEMS扫描光栅镜阵列工作面最后1个MEMS扫描光栅镜单元5
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3、探测器工作面6、经过DMD工作面第1个微镜扫描单元中心的光线7、经过DMD工作面中间微镜扫描单元中心的光线8和经过DMD工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线9。目标1和DMD工作面3分别置于成像子系统2的物面处和像面处，目标1经过成像子系统2所成的目标像被DMD工作面3的微镜扫描单元按列划分。准直子系统4使从DMD工作面3反射出来的光变为平行光，MEMS扫描光栅镜阵列工作面5位于准直子系统4的光线出射方向上，MEMS扫描光栅镜阵列工作面5中的MEMS扫描光栅镜单元数量与DMD工作面3中微镜扫描单元数量相同，要求DMD工作面3中每个微镜扫描单元处于偏转工作状态时必须将对应列的目标像反射至准直子系统4中进行准直，获得的平行光再入射到MEMS扫描光栅镜阵列工作面5中对应的MEMS扫描光栅镜单元上进行分光，同时要求经过DMD工作面3每个微镜扫描单元中心的光线同样经过MEMS扫描光栅镜阵列工作面5中对应的MEMS扫描光栅镜单元中心，例如，经过DMD工作面第1个微镜扫描单元中心的光线7、经过DMD工作面中间微镜扫描单元中心的光线8和经过DMD工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线9分别经过MEMS扫描光栅镜阵列工作面5的第1个MEMS扫描光栅镜单元5
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1、中间MEMS扫描光栅镜单元5
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2和最后1个MEMS扫描光栅镜单元5
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3的中心。通过改变MEMS扫描光栅镜阵列工作面5中每个MEMS扫描光栅镜单元的偏转角度，使得经过每个MEMS扫描光栅镜单元分光且出射的色散光谱入射至探测器的相同区域，即色散光谱中的最小波长λ1和最大波长λ2的光线入射至色散光谱区域的始末固定点M和N，最终获得的所有色散光谱都会成像在探测器工作面6的同一位置。
[0010]所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS的光谱成像系统，其特征在于，主要包括目标1、成像子系统2、DMD工作面3、DMD工作面第1个微镜扫描单元3
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1、DMD工作面中间微镜扫描单元3
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2、DMD工作面最后1个微镜扫描单元3
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3、准直子系统4、MEMS扫描光栅镜阵列工作面5、MEMS扫描光栅镜阵列工作面第1个MEMS扫描光栅镜单元5
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1、MEMS扫描光栅镜阵列工作面中间MEMS扫描光栅镜单元5
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2、MEMS扫描光栅镜阵列工作面最后1个MEMS扫描光栅镜单元5
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3、探测器工作面6、经过DMD工作面第1个微镜扫描单元中心的光线7、经过DMD工作面中间微镜扫描单元中心的光线8和经过DMD工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线9。目标1和DMD工作面3分别置于成像子系统2的物面处和像面处，目标1经过成像子系统2所成的目标像被DMD工作面3的微镜扫描单元按列划分。准直子系统4使从DMD工作面3反射出来的光变为平行光，MEMS扫描光栅镜阵列工作面5位于准直子系统4的光线出射方向上，MEMS扫描光栅镜阵列工作面5中的MEMS扫描光栅镜单元数量与DMD工作面3中微镜扫描单元数量相同，要求DMD工作面3中每个微镜扫描单元处于偏转工作状态时必须将对应列的目标像反射至准直子系统4中进行准直，获得的平行光再入射到MEMS扫描光栅镜阵列工作面5中对应的MEMS扫描光栅镜单元上进行分光，同时要求经过DMD工作面3每个微镜扫描单元中心的光线同样经过MEMS扫描光栅镜阵列工作面5中对应的MEMS扫描光栅镜单元中心，例如，经过DMD工作面第1个微镜扫描单元中心的光线7、经过DMD工作面中间微镜扫描单元中心的光线8和经过DMD工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线9分别经过MEMS扫描光栅镜阵列工作面5的第1个MEMS扫描光栅镜单元5
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1、中间MEMS扫描光栅镜单元5
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2和最后1个MEMS扫描光栅镜单元5
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3的中心。通过改变MEMS扫描光栅镜阵列工作面5中每个MEMS扫描光栅镜单元的偏转角度，使得经过每个MEMS扫描光栅镜单元分光且出射的色散光谱入射至探测器的相同区域，即色散光谱中的最小波长λ1和最大波长λ2的光线入射至色散光谱区域的始末固定点M和N，最终获得的所有色散光谱都会成像在探测器工作面6的同一位置。所述的成像子系统2负责将目标1缩小或放大的像会聚在DMD工作面3上。所述的DMD工作面3为矩形，它由微镜阵列构成，微镜阵列的列数和行数分别为a和b，每个微镜的宽度为u，目标1的像被DMD工作面3的微镜扫描单元按列划分成2K+1列(K为正整数)，每个微镜扫描单元包含x列微镜，每个微镜扫描单元的宽度都为xu，且满足x(2K+1)≤a，每个微镜的偏转角度只有正负两种，大多是
±
12
°
，也有
±
10
°
，
±
17
°
等。选择其中一种偏转状态作为“ON”工作状态，处于该状态下的微镜扫描单元会将选中的目标像反射至准直子系统4；另一种偏转状态作为“OFF”状态，处于该状态下的微镜扫描单元负责将选中的目标像反射到系统外。所述的准直子系统4可以由透镜组或凹球面反射镜等元器件构成，负责将经DMD工作面3反射出来的光线进行准直，使其平行入射至MEMS扫描光栅镜阵列工作面5上。MEMS扫描光栅镜阵列工作面5是利用MEMS技术，在长条型扫描微镜阵列上进行光栅刻线，能够同时实现色散分光和扫描偏转两种功能；MEMS扫描光栅镜阵列工作面5包含有2K+1个MEMS扫描光栅镜单元，光栅刻线宽度为d，衍射级次为m，每个MEMS扫描光栅镜单元的宽度为t，第i个MEMS扫描光栅镜单元的中心点为O
i
(i为正整数，i∈[1,2K+1])。探测器工作面6上的光谱色散长度为MN，波长λ∈[λ1,λ2]，要求MEMS扫描光栅镜阵列工作面5与探测器工作面6相互平行，MEMS扫描光栅镜阵列工作面5的横截面延长线与探测器工作面6在N点的垂线交于O点，ON长度为h，MN长度为s，OO
2K+1
长度为l，要求l＞＞s，要求每个MEMS扫描光栅镜单
元仅可以顺时针偏转，当第i个MEMS扫描光栅镜单元处于工作状态“ON”时，其偏转角度为β
i
，β
i
＝0时对应的MEMS扫描光栅镜单元入射角为α0，色散波长为λ1和λ2的光线所对应的衍射角度分别为θ
i1
和θ
i2
，它们分别入射至固定点M和N。通过合理选取h、s、l、t、d、λ1、λ2的值，使得经过第i个MEMS扫描光栅镜单元分光和反射获得的色散光谱都可以入射至探测器上的固定区域MN，即β
i
有解。根据上述已知参量，引入中间变量∠NO
i
O＝γ
i
，∠MO
i
O＝δ
i
，给出β
i
的求解方法：β
i
满足下式：满足下式：其中：其中：d(sin(α0+β
i
)+sinθ
i1
)＝mλ1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)d(sin(α0+β
i
)+sinθ
i2
)＝mλ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)(4)
‑
(3)并将(1)、(2)式代入得：将式(5)展开并代入等式cos2β
i
+sin2β
i
＝1，得一元二次方程：2(1

【专利技术属性】
技术研发人员：虞益挺，苏扬，董雪，石颖超，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：