[发明专利]一种基于DMD的光谱成像系统及方法

权利要求书

1.一种基于DMD的光谱成像系统，其特征在于：包括成像子系统(2)、位于成像子系统(2)物面处的目标(1)、位于成像子系统(2)像面处的DMD工作面(4)、位于DMD工作面(4)上的若干列处于偏转工作状态的微镜、转像子系统(7)、分光子系统(8)以及位于分光子系统(8)像面处的探测器工作面，若干处于偏转工作状态的微镜通过DMD工作面(4)的垂直中线平均划分成两部分，一部分为时序上先按列偏转的若干前半部分微镜(10)，另一部分为时序上后按列偏转的若干后半部分微镜(11)，成像子系统(2)用于将目标(1)像会聚在DMD工作面(4)上，从成像子系统(2)出射出来的光线包括光轴A(3)，光轴A(3)经过DMD工作面(4)的正中心，DMD工作面(4)上的前半部分微镜(10)和后半部分微镜(11)均用于将目标像反射进入到转像子系统(7)中，从前半部分微镜(10)反射出来的光线包括光轴B(5)，从后半部分微镜(11)反射出来的光线包括光轴C(6)，光轴B(5)与光轴C(6)分别经过前半部分微镜(10)和后半部分微镜(11)的正中心，光轴A(3)、光轴B(5)和光轴C(6)分别与DMD工作面(4)形成的交点在水平方向上共线，转像子系统(7)用于改变光轴B(5)或者光轴C(6)的方向，使光轴B(5)与光轴C(6)位于垂直平面上，分光子系统(8)用于对转像子系统(7)出来的目标像进行准直、色散和聚焦，分光子系统(8)出来的色散光谱会聚在探测器工作面(9)上；转像子系统(7)是根据光轴A(3)与光轴B(5)之间的夹角α大小来确定是改变光轴B(5)的位置还是光轴C(6)的方向，当改变光轴B(5)的方向时，能使光轴B(5)偏移到光轴C(6)的垂直方向上，当改变光轴C(6)的方向时，能使光轴C(6)偏移到光轴B(5)的垂直方向上；DMD工作面(4)上每个微镜都具有偏转角度相同、方向相反的正、负两种偏转状态，任意选择其中一种状态作为“ON”工作偏转状态，负责将选中的目标(1)像反射进入到转像子系统(7)中；另一种状态作为“OFF”状态，处于该状态的微镜负责将选中的目标(1)像反射到转像子系统(7)外。

2.根据权利要求1所述的一种基于DMD的光谱成像系统，其特征在于：当光轴A(3)与光轴B(5)之间的夹角α的取值范围为：0°＜α≤35°时，转像子系统(7)改变光轴B(5)的方向，使光轴B(5)偏移到光轴C(6)的垂直方向上；当光轴A(3)与光轴B(5)之间的夹角α的取值范围为：35°＜α＜180°时，转像子系统(7)改变光轴C(6)的方向，使光轴C(6)偏移到光轴B(5)的垂直方向上。

3.根据权利要求1所述的一种基于DMD的光谱成像系统，其特征在于：DMD工作面(4)为矩形，其长边和宽边的尺寸分别设为a和b，设会聚在DMD工作面(4)上的目标像的像高为H，那么要求H≤b。

4.根据权利要求1所述的一种基于DMD的光谱成像系统，其特征在于：转像子系统(7)在改变光轴B(5)或者光轴C(6)的方向时，使光轴B(5)或者光轴C(6)在其垂直方向上和水平方向上的改变量分别为h和t，其中h≥b，t＝a/2。

5.根据权利要求4所述的一种基于DMD的光谱成像系统，其特征在于：转像子系统(7)包括棱镜、反射镜或透镜。

6.根据权利要求1所述的一种基于DMD的光谱成像系统，其特征在于：分光子系统(8)包括准直元件、色散元件以及聚焦元件。

7.根据权利要求1所述的一种基于DMD的光谱成像系统，其特征在于：探测器工作面(9)长边和宽边尺寸分别为c和d，要求L≤2c，2·|M|·H≤d，其中，L为前半部分微镜(10)和后半部分微镜(11)按列偏转所得到的色散光谱的总长度，M为分光子系统(8)的放大倍数。

8.一种基于DMD的光谱成像方法，DMD工作面(4)上包括2n个按列划分的微镜扫描单元，其中，n≥8，n为正整数，每个微镜扫描单元包含k列微镜，其中，k为正整数，DMD工作面(4)的前半部分微镜(10)与后半部分微镜(11)分别由n个微镜扫描单元构成，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)、控制DMD工作面(4)上的第1个微镜扫描单元偏转，使其处于“ON”状态，其他微镜扫描单元处于“OFF”状态，反射第1列目标像的光线依次进入到转像子系统(7)和分光子系统(8)中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面上，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列目标像的光谱沿X轴方向按不同波长依次展开，在Y轴方向上得到不同空间位置对应的光谱分量，探测器工作面记录并存储第1列目标像的色散光谱图像，第1个微镜扫描单元偏转工作结束，完成了第1列目标像的光谱成像；

(2)、控制DMD工作面(4)上的第2个微镜扫描单元偏转，使其处于“ON”状态，其他微镜扫描单元处于“OFF”状态，反射第2列目标像的光线依次进入到转像子系统(7)和分光子系统(8)中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面上，由于目标像在水平方向发生了偏移，所以其色散光谱在探测器工作面上也发生了偏移，探测器工作面记录并存储此时的色散光谱图像，第2个微镜扫描单元偏转工作结束，完成了第2列目标像的光谱成像；

(3)、控制DMD工作面(4)上的第3、4……n个微镜扫描单元按顺序依次发生偏转，探测器工作面同步记录并存储相应的色散光谱图像，完成第3、4……n列目标像的光谱成像；

(4)、控制DMD工作面(4)上的第n+1个微镜扫描单元偏转，使其处于“ON”状态，其他微镜扫描单元处于“OFF”状态，反射第n+1列目标像的光线依次进入到转像子系统(7)和分光子系统(8)中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面(9)上，由于经过转像子系统(7)后，第n+1列目标像的光线在第1列目标像的光线的垂直方向上，因此经过分光子系统(8)后，第n+1列目标(1)像的色散光谱也在第1列目标像的色散光谱的垂直方向上；探测器工作面(9)记录并存储此时的色散光谱图像，第n+1个微镜扫描单元偏转工作结束，完成了第n+1列目标像的光谱成像；

(5)、控制DMD工作面(4)上的第n+2、n+3……2n-1个微镜扫描单元按顺序依次偏转，探测器工作面(9)同步记录并存储相应的色散光谱图像，完成第n+2、n+3……2n-1列目标像的光谱成像；

(6)、控制DMD工作面(4)上的第2n个微镜扫描单元偏转，使其处于“ON”状态，其他微镜扫描单元处于“OFF”状态，反射第2n列目标像的光线依次进入到转像子系统(7)和分光子系统(8)中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面(9)上；由于经过转像子系统(7)后，第2n列目标像的光线在第n列目标像的光线的垂直方向上，因此经过分光子系统(8)后，第2n列目标像的色散光谱也在第n列目标像的色散光谱的垂直方向上，探测器工作面(9)记录并存储此时的色散光谱图像，第2n个微镜扫描单元偏转工作结束，完成了第2n列目标像的光谱成像；

(7)、对探测器工作面(9)采集到的2n幅色散光谱图像进行数据处理，得出目标(1)的二维空间景象和一维光谱信息，即完整的三维数据立方体。