[发明专利]一种基于DMD的光谱成像系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于DMD的光谱成像系统及方法，该系统包括成像子系统、目标、DMD工作面、若干列处于偏转工作状态的微镜、转像子系统、分光子系统以及探测器工作面，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，另一部分为时序上后按列偏转的若干后半部分微镜，从成像子系统出射出来的光线包括光轴A，从前半部分微镜反射出来的光线包括光轴B，从后半部分微镜反射出来的光线包括光轴C，转像子系统用于改变光轴B或者光轴C的方向，使光轴B与光轴C位于垂直平面上，该系统克服了探测器工作面长边尺寸制约着色散光谱宽度这一缺陷，提高了光谱分辨率。

技术领域

本发明属于光谱成像技术领域，尤其涉及一种基于DMD的光谱成像系统及方法。

背景技术

光谱分辨率用于表征光谱成像系统对目标波谱细节信息的分辨能力，光谱分辨率越高，表明系统检测光谱变化的能力越强。每种物质都拥有专属于它自己的“指纹光谱”，利用这一特性，光谱可作为物质检测与识别的重要依据之一。在地物目标的分类、农业病虫害检测以及癌症组织边缘识别与分割等领域的应用中，通常会出现目标光谱特征相近的情况，这时就需要光谱成像系统具有高光谱分辨率对它们加以分辨，而这一点是低光谱分辨率系统很难实现的。因此，为避免错失光谱细节变化的关键信息，提高光谱分辨率对提升光谱成像系统的检测性能具有重要意义。

狭缝推扫式是目前最常用的一大类光谱成像方法，与快照式等方法相比，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。但这类方法需要依靠机械狭缝的运动来完成对目标的二维空间推扫，因此往往会造成系统的体积质量大、能耗高。

得益于微光机电系统(Micro-opto-electro-mechanical systems,MOEMS)技术的快速发展，其代表产品数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)可以解决上述问题。DMD的体积如火柴盒般大小，其工作面由数十万甚至数百万个边长为十个微米左右的微镜构成，每个微镜的镜面反射率超过90％，并且都具有偏转角度相同、方向相反的正、负两种偏转状态，工作中处于何种状态可通过编程控制。利用这些优势，基于DMD的扫描式光谱成像方法通过控制DMD工作面上的微镜进行按列偏转便可实现传统狭缝的推扫功能，例如专利号为CN105527021 A和CN110132412A中所描述的。这种方法与狭缝推扫式光谱成像方法相比，虽然可大大减小系统体积与质量、降低能耗，但也存在一个很大问题，即对探测器工作面选型有特殊要求。如图1所示，在狭缝推扫的整个周期内，狭缝在运动过程中产生的色散光谱的位置不变，因此狭缝推扫式光谱成像系统中的探测器只需在相同位置记录不同的色散光谱即可，对探测器工作面选型并无特殊要求；然而在DMD微镜扫描单元按列偏转的周期内，每次偏转所产生的色散光谱会在一个方向上进行偏移，又由于DMD的工作面为长边大于宽边的矩形，因此所有色散光谱偏移的轨迹会形成一个长宽比较大的矩形区域，即色散光谱长度大于目标像高。为保证探测器记录所有色散光谱，必须将探测器工作面长边方向作为色散光谱的偏移方向，短边方向作为目标像高方向。当色散光谱展开得越宽，所获得的光谱分辨率越高时，基于DMD的扫描式光谱成像系统所要求的探测器工作面的长宽比也越大。然而，目前市场上探测器的面型多为正方形或长宽比较小的矩形，因此在不牺牲空间分辨率的条件下，即目标像高不变，不得不减小色散光谱的宽度来适应现有探测器的面型，但这不仅会导致系统光谱分辨率大大降低，检测光谱微小变化的能力急剧下降，也会造成探测器工作面短边方向上像元的浪费，如图2所示。虽然定制长条型探测器或者将几个探测器进行拼接可以获得长宽比较大的探测器工作面，但这会导致系统的成本急剧上升，不利于基于DMD的扫描式光谱成像系统向商业化与民用化应用领域发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于DMD的光谱成像系统，该系统无需定制大长宽比面型的探测器，使用市场上常见的探测器面型便可获取较高光谱分辨率，克服了现有基于DMD的扫描式光谱成像系统中对探测器工作面选型苛刻的要求，解决了DMD工作面与常见探测器工作面尺寸不匹配的问题，有助于推动基于DMD的扫描式光谱成像系统向商业化与民用化应用领域发展。