[发明专利]基于数字微镜器件的双波段光谱成像系统及实现方法

说明书

本发明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。

(申请人：虞益挺 董雪 肖星辰 王光耀 潘一宁)

所属领域

本发明属于光谱成像领域，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(CN102103265 A等)、分光镜(CN 104793324 A等)、分色片(CN 101551272 A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(CN 101813521 A)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(Microelectromechanical systems，MEMS)技术的飞速发展，数字微镜器件(digital micromirror devices，DMD)作为该项技术的成功产物，已经广泛应用于数字光处理(digital light processing，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(CN 105527021 A)，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。

发明内容

发明目的

本发明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。