[发明专利]一种基于DMD和线型微镜阵列的光谱成像系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于DMD和线型微镜阵列的光谱成像系统及方法，通过在DMD和分光子系统之间增加一个线型微镜阵列，控制其每个线型微镜单元偏转一定的角度，使得经线型微镜阵列反射后的出射光线可以在相同位置进入到分光子系统中，这样DMD微镜按列扫描所产生的色散光谱不再沿着一个方向进行偏移，而是分布在探测器工作面上的固定位置，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。

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其是涉及一种基于DMD和线型微镜阵列的光谱成像系统及方法。

背景技术

光谱分辨率是光谱成像系统重要的性能指标之一，可以用来衡量系统区分和识别目标理化性质和组成成分的能力。一般来说，光谱分辨率越高，系统获取的光谱波段数越多，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。尤其在高光谱遥感领域，只有获取足够高的光谱分辨率，提供丰富的光谱信息，才能更容易区分出光谱特征相近的地表物质。因此，获取高的光谱分辨率对于增强光谱成像系统的检测能力十分重要。

在传统的光谱成像系统中，狭缝推扫式是目前比较常用的一大类光谱成像系统。相对于光谱扫描式、快照式等系统，它能提供的光谱分辨率和空间分辨率更高，但这类狭缝推扫式光谱成像系统不得不依靠内置或外置机械狭缝的运动才能实现对目标一维方向的推扫，以此获取目标完整的三维数据立方体，包括二维空间信息与一维光谱信息，因此会存在整机质量体积大、能耗高等问题。

基于微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)技术加工的器件具有体积小巧、质量轻、能耗低、可定制化等优势，其代表性产品数字微镜器件(DigitalMicromirorr Device,DMD)已经被用于光谱成像领域。DMD工作面由数十万甚至数百万个边长为微米级别的微镜构成，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。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功能(CN105527021A、CN110132412A等)，这种方式可大大减少系统的体积与质量，降低系统的复杂性，使系统更加小巧与紧凑。但由于DMD微镜的逐列偏转会造成相应的色散光谱在探测器上沿着一个方向偏移，因此需要使用工作面长宽比较大的探测器来容纳所有的色散光谱，以此才能获取较高的光谱分辨率。然而，目前市场上常见的探测器面型多为正方形或者长宽比较小的矩形，因此不利于基于DMD的扫描式光谱成像系统获得高光谱分辨率。虽然拼接若干个探测器可以获得长宽比较大的工作面，但这会大大增加系统的成本，不利于系统的推广与使用。为解决这个问题，一种新的基于DMD的光谱成像系统被提出，其专利申请公布号为CN112484857A，在该系统中，DMD工作面上所有微镜被划分成两部分，转像子系统可以改变每部分出射光线光轴的位置，使到达在探测器上的色散光谱不再是只沿一个方向进行偏移，而是沿着两个方向进行偏移，如图1所示，与专利申请公布号为CN105527021 A的发明专利一种基于DMD的扫描式光谱成像系统相比，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。然而，色散光谱总长度的减少仍然有限，只能减少到一半，同时两部分色散光谱并行偏移，对探测器工作面上非光谱偏移方向上的长度要求较高，即不小于两部分光谱并行排列的高度，因此，该种方法仍然对探测器工作面选型有特殊要求，系统光谱分辨率得不到大幅度提升。

除DMD之外，MEMS微镜还包含许多种类，其中扫描微镜凭借其出色的扫描能力，已经被广泛地应用在激光雷达、光通信、扫描成像、3D成像等多个领域。与DMD两个固定的偏转角度相比，扫描微镜的偏转角度在一定范围内是可调的，因此偏转角度更加丰富；此外，DMD的微镜单元都为正方形，而扫描微镜单元可定制化能力强，可根据实际需求开发出尺寸、面型和数量不同的微镜阵列。基于MEMS技术的扫描微镜阵列的引入有望为光谱成像系统获得高光谱分辨率提供新的解决途径。

发明内容