[发明专利]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

说明书

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。

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(Microelectromechanical systems,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(digital micromirror devices,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。