一种基于DMD的快照式光谱成像系统及方法

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，主要涉及一种基于DMD的快照式光谱成像系统及方法。

背景技术

现有光谱成像方法可以分为空间扫描式、光谱扫描式与快照式三大类。其中，空间扫描式光谱成像方法需要利用狭缝和光阑等零部件的机械运动来实现对目标的空间维度的扫描，因此数据采集时间长，而且每次扫描完成后扫描部件还需复位，这也会增加采集时间；而光谱扫描式光谱成像方法采用声光可调滤波器或液晶可调滤波器等可调滤波器件对目标进行光谱维度的扫描，由于可调滤波器件的响应时间并不短，因此完成三维数据立方体的采集与存储耗时较长；与空间扫描式和光谱扫描式相比，快照式光谱成像方法可以在探测器的一次曝光时间内完成目标所有空间信息与光谱信息的采集，因此采集时间最短，适用于动态变化目标的检测和识别。

随着微机电系统技术的快速发展，其代表性产品DMD(DigitalMicromirorrDevice，数字微镜器件)问世，DMD具有体积小巧、质量轻、能耗低、可定制化等优势，能够克服传统光谱成像方法中的很多限制；DMD工作面通常由多达50至200万的微镜构成，每个微镜单元的尺寸在10μm左右，均可绕铰接斜轴偏转相同的角度，且可通过编程控制实现正、负两种方向相反的偏转状态。

目前，DMD在光谱成像领域主要有以下两个方面的应用：一是将DMD代替推扫式光谱成像系统中的机械狭缝，通过控制DMD微镜的按列偏转来模拟狭缝在一维方向上的运动，同时可通过控制DMD微镜的偏转列数实现空间分辨率的可调(CN105527021A)；虽然DMD相较于机械狭缝具有体积小、响应速度快、功耗低等优点，但是这种基于DMD的推扫式光谱成像系统需要采集上千张色散光谱图像，因此采集时间依然很长，且数据量巨大，存储和处理耗时较长。另外一种是结合编码孔径、计算成像等技术，将DMD作为编码模板，应用于快照式光谱成像系统的一个分支，即编码孔径式；DMD开和关两种状态正好对应编码矩阵中的数字0和1，通过控制DMD加载不同的编码矩阵，实现DMD对空间信息或光谱信息的调制，使得三维数据立方体被调制成多个可以被探测器采集的二维数据切片，最后再通过解码算法复原三维数据立方体(CN110987184A；Opt.Lett.,2011,36(14):2692-4.等)，调制的过程中需要用到复杂的算法和编码矩阵，因此这种方法处理时间长，不利于动态目标的光谱成像。

发明内容

为解决上述问题之一，本发明提供一种采集时间短、数据量小以及数据处理快的基于DMD的快照式光谱成像系统。

一种基于DMD的快照式光谱成像系统，包括一目标、一成像光路、一DMD、一第一通道以及一第二通道；

所述成像光路包括一成像光路本体、位于所述成像光路本体上方的一物面以及位于所述成像光路本体下方的一像面，所述目标位于所述物面处，所述DMD位于所述像面处；

所述DMD包括一工作面，所述成像光路、所述第一通道以及所述第二通道的光轴均经过所述工作面的中心；所述工作面上设有L列×W行个微镜单元，各所述微镜单元均包括一正偏状态和一反偏状态，所述正偏状态和所述反偏状态的微镜单元分别将所述成像光路所成的目标像同时反射到各自对应的所述第一通道和所述第二通道中；

所述第一通道位于所述成像光路的一侧，用于获取各所述正偏状态的微镜单元反射过来的目标像，所述第一通道朝远离所述工作面的方向依次设有用于对所述目标像进行准直处理的第一准直器件、用于对所述目标像进行分光处理并得到对应色散光谱的第一分光器件、用于保证相邻两个光谱不发生重叠的第一可调光阑以及用于收集记录最终成像的第一探测器；

所述第二通道位于所述成像光路的另一侧，用于获取各所述反偏状态的微镜单元反射过来的目标像，所述第二通道朝远离所述工作面的方向依次设有用于对所述目标像进行准直处理的第二准直器件、用于对所述目标像进行分光处理并得到对应色散光谱的第二分光器件、用于保证相邻两个光谱不发生重叠的第二可调光阑以及用于收集记录最终成像的第二探测器。

本发明系统的优点及有益效果：设置在工作面上的微镜单元具有正偏状态和反偏状态，这样整个目标的目标像被投射到工作面上时就会被微镜单元划分为两部分，每部分的目标像分别经过第一通道和第二通道的处理得到对应的图像；具体的，第一准直器件和第二准直器件用于将DMD反射的目标像进行准直处理，以使目标像可以平行入射到对应的分光器件上，第一分光器件和第二风光器用于将来自对应的准直器件的目标像的光进行分光处理，并得到对应的目标像产生的色散光谱，得到的色散光谱会出射到对应的可调光阑上，第一可调光阑和第二可调光阑用于保证相邻两个光谱不发生重叠，第一探测器和第二探测器用于采集光谱数据，并在对应的探测器上形成对应的一幅图像，形成的两幅图像便记录了目标的全部空间信息与光谱信息，整个系统仅需DMD的所有微镜单元进行一次偏转以及各探测器的一次曝光即可完成，因此数据量大幅度减少，数据处理量也随之减少，加快了数据处理速度。

优选地，所述第一可调光阑和所述第二可调光阑上均设有L列×W行个光阑单元，每个所述光阑单元均包括一通光状态和一不通光状态。

优选地，所述成像光路为透镜组或球面反射镜。

优选地，所述第一准直器件和所述第二准直器件为准直透镜组。

优选地，所述第一分光器件和所述第二分光器件为光栅。

优选地，所述第一探测器和所述第二探测器为CMOS、CCD或红外探测器。

一种基于DMD的快照式光谱成像方法，包括如下步骤：

步骤1：控制DMD上2n个微镜单元同时偏转，使成像在正偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第一通道，成像在反偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第二通道；

步骤2：进入所述第一通道的n个目标像，经过第一准直器件准直后通过第一分光器件进行分光，并在第一探测器上形成n个第一色散光谱；进入所述第二通道的n个目标像，经过第二准直器件准直后通过第二分光器件进行分光，并在第二探测器上形成n个第二色散光谱；

步骤3：调节第一可调光阑的通光孔径的大小，同时调节所述第一可调光阑到所述第一分光器件的距离；调节第二可调光阑的通光孔径的大小，同时调节第二可调光阑到所述第二分光器件的距离；

步骤4：所述第一探测器记录所述n个第一色散光谱，并根据所述n个第一色散光谱形成第一图像；所述第二探测器记录所述n个第二色散光谱，并根据所述n个第二色散光谱形成第二图像；

步骤5：根据所述第一图像和所述第二图像，得到目标的三维数据立方体。

本发明方法的优点及有益效果：成像在正偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第一通道，成像在反偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第二通道，每部分的目标像分别经过第一通道和第二通道的处理后，最终会在第一探测器和第二探测器上分别同时呈现出n个第一色散光谱和n个第二色散光谱，第一探测器记录n个第一色散光谱，第二探测器记录n个第二色散光谱，并根据第一色散光谱和第二色散光谱得到第一图像和第二图像，并根据第一图像和第二图像，得到目标的三维数据立方体，两幅图像便记录了目标的全部空间信息与光谱信息，整个方法过程仅需DMD的所有微镜单元进行一次偏转以及各探测器的一次曝光即可完成，因此数据量大幅度减少，数据处理量也随之减少，加快了数据处理速度；同时，DMD以列为单元的偏转可视为对DMD进行按列编码，因此与现有技术相比，本发明方法涉及的编码矩阵更加简单，无需复杂编码算法。

附图说明

图1为本发明系统的示意图；

图2为本发明系统的光谱采集原理图；

图3为本发明可调光阑对光谱色散的影响示意图；

图4为本发明可调光阑的结构示意图；

图5为本发明第一通道及第二通道的光谱在探测器上的呈现示意图；

图6为本发明微镜单元为256时光谱成像方法及原理示意图；

图7为本发明微镜单元为240时光谱成像方法及原理示意图；

图8为本发明可调光阑不同通光口径示意图；

图9为本发明微镜单元256时可调光阑通光孔径示意图；

图10为本发明微镜单元240时可调光阑通光孔径示意图；

图11为本发明方法的流程图。

其中，1、目标；2、成像光路；3、DMD；4、第一通道；5、第二通道；201、成像光路本体；202、物面；203、像面；301、工作面；401、第一准直器件；402、第一分光器件；403、第一可调光阑；404、第一探测器；501、第二准直器件；502、第二分光器件；503、第二可调光阑；504、第二探测器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

结合附图1、附图6以及图7所示，一种基于DMD3的快照式光谱成像系统，包括一目标1、一成像光路2、一DMD3、一第一通道4以及一第二通道5；

成像光路2包括一成像光路本体201、位于成像光路本体201上方的一物面202以及位于成像光路本体201下方的一像面203，目标1位于物面202处，DMD3位于像面203处；

DMD3包括一工作面301，成像光路2、第一通道4以及第二通道5的光轴均经过工作面301的中心；工作面301上设有L列×W行个微镜单元，各微镜单元均包括一正偏状态和一反偏状态，正偏状态和反偏状态的微镜单元分别将成像光路2所成的目标1像同时反射到各自对应的第一通道4和第二通道5中；

第一通道4位于成像光路2的一侧，用于获取各正偏状态的微镜单元反射过来的目标像，第一通道4朝远离工作面301的方向依次设有用于对目标像进行准直处理的第一准直器件401、用于对目标1像进行分光处理并得到对应色散光谱的第一分光器件402、用于保证相邻两个光谱不发生重叠的第一可调光阑403以及用于收集记录最终成像的第一探测器404；

第二通道5位于成像光路2的另一侧，用于获取各反偏状态的微镜单元反射过来的目标像，第二通道5朝远离工作面301的方向依次设有用于对目标像进行准直处理的第二准直器件501、用于对目标像进行分光处理并得到对应色散光谱的第二分光器件502、用于保证相邻两个光谱不发生重叠的第二可调光阑503以及用于收集记录最终成像的第二探测器504。

具体的，通过控制DMD3微镜的偏转方式，使得DMD3上L列×W行个微镜单元处于正偏状态或反偏状态；即，使得设置在工作面301上的微镜单元具有正偏状态和反偏状态，这样整个目标的目标像被投射到工作面301上时就会被微镜单元划分为两部分，每部分的目标像分别经过第一通道4和第二通道5的处理得到对应的图像；具体的，第一准直器件401和第二准直器件501用于将DMD3反射的目标像进行准直处理，以使目标像可以平行入射到对应的分光器件上，第一分光器件402和第二风光器用于将来自对应的准直器件的目标像的光进行分光处理，并得到对应的色散光谱，得到的色散光谱会出射到对应的可调光阑上，第一可调光阑403和第二可调光阑503用于保证相邻两个光谱不发生重叠，第一探测器404和第二探测器504用于采集光谱数据，并在对应的探测器上形成对应的一幅图像，形成的两幅图像便记录了目标1的全部空间信息与光谱信息，整个系统仅需DMD3的所有微镜单元进行一次偏转以及各探测器的一次曝光即可完成，因此数据量大幅度减少，数据处理量也随之减少，加快了数据处理速度。

DMD3的工作面301上处于正偏和反偏状态的两种微镜单元分别将成像光路2所成的目标像同时反射到各自对应的第一通道4和第二通道5中进行准直、分光，其中第一通道4收集的是正偏状态的微镜单元反射过来的目标像，而第二通道5收集的是反偏状态的微镜单元反射过来的目标像。

进一步的，为避免DMD3的工作面301在相同偏转状态下相邻两个单元对应的光谱产生重叠，需要根据系统采集光谱的范围，调节第一通道4中第一可调光阑403的孔径大小，第一分光器件402到第一可调光阑403和第一可调光阑403到第一探测器404之间的距离，以及调节第二通道5中第二可调光阑503的孔径大小，第二分光器件502到第二可调光阑503和第二可调光阑503到第二探测器504之间的距离，使得第一通道4和第二通道5中的色散光谱不发生重叠。

本发明的较佳实施例中，第一可调光阑403和第二可调光阑503上均设有L列×W行个光阑单元，每个光阑单元均包括一通光状态和一不通光状态。

具体的，DMD3的工作面301为矩形，微镜阵列为L列×W行，目前市场上有1024×768、1920×1080等规格。每个微镜单元都具有正偏和反偏两种偏转状态，这两种状态偏转角度相同，方向相反，正偏、反偏这两种状态分别负责将选中的目标像反射进入到第一通道4和第二通道5中；将DMD3的L列微镜化分为2n个微镜单元(n≥1)，每个单元包含m列微镜(m≥1)，微镜单元的列数m可根据系统在应用过程中需要的空间分辨率进行选择；优选的，要求DMD3的第1、3…2n-1个微镜单元处于正偏状态，第2、4…2n个微镜单元处于反偏状态。

第一可调光阑403和第二可调光阑503为通光孔径大小可调、个数可调的通光孔径阵列，如图4所示，整个光阑面上有L列×W行个光阑单元组成，每个光阑单元均具有通光与不通光两种状态，每个微镜单元对应两个光阑单元，可通过调节每个通光孔径中处于通光状态的单元个数来调节孔径大小，如图8所示。通光孔径个数与通道内微镜单元的个数相同，个数均为n，且每个微镜单元反射的光都对应可调光阑中的一个通光孔径。

如图9所示，优选的，各可调光阑面上有1024×768行个单元组成，单个可调光阑的通光孔径个数为128；如图10所示，各可调光阑面上有1920×1080行个单元组成，单个可调光阑的通光孔径个数为120；调节孔径大小以及改变各可调光阑到对应的各分光器件的距离使得相邻两个微镜单元反射的光经色散后，光谱均匀分布在探测面上且恰好不发生重叠。

本发明的较佳实施例中，成像光路2为透镜组或球面反射镜。

具体的，成像光路2用于将目标1放大或缩小的像清晰地聚焦在DMD3的工作面301上，它主要包括透镜组或球面反射镜等对光线具有聚焦作用的元器件。

本发明的较佳实施例中，第一准直器件401和第二准直器件501为准直透镜组。

具体的，第一准直器件401和第二准直器件501为准直透镜组，负责将DMD3正偏的n个单元上反射的目标像进行准直处理，使其平行入射到对应的分光器件上。

本发明的较佳实施例中，第一分光器件402和第二分光器件502为光栅。

具体的，第一分光器件402和第二分光器为光栅，用于将来自对应准直器件的光进行分光处理，得到的n个色散光谱会出射到对应的可调光阑上。

本发明的较佳实施例中，第一探测器404和第二探测器504为CMOS、CCD或红外探测器。

具体的，第一探测器404和第二探测器504用于采集经对应可调光阑处理后的n个色散光谱，优选的，第一探测器404和第二探测器504采用CMOS、CCD或红外探测器。

一种基于DMD3的快照式光谱成像方法，包括如下步骤：

步骤1：控制DMD上2n个微镜单元同时偏转，使成像在正偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第一通道，成像在反偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第二通道；

步骤2：进入第一通道的n个目标像，经过第一准直器件准直后通过第一分光器件进行分光，并在第一探测器上形成n个第一色散光谱；进入第二通道的n个目标像，经过第二准直器件准直后通过第二分光器件进行分光，并在第二探测器上形成n个第二色散光谱；

步骤3：调节第一可调光阑的通光孔径的大小，同时调节第一可调光阑到第一分光器件的距离；调节第二可调光阑的通光孔径的大小，同时调节第二可调光阑到第二分光器件的距离；

步骤4：第一探测器记录n个第一色散光谱，并根据n个第一色散光谱形成第一图像；第二探测器记录n个第二色散光谱，并根据n个第二色散光谱形成第二图像；

步骤5：根据第一图像和第二图像，得到目标的三维数据立方体。

具体的，控制DMD上2n个微镜单元同时偏转，使成像在正偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第一通道，成像在反偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第二通道，将目标像分成两个部分，每部分的目标像分别经过第一通道和第二通道的处理后，最终会在第一探测器和第二探测器上分别同时呈现出n个第一色散光谱和n个第二色散光谱，第一探测器记录n个第一色散光谱，第二探测器记录n个第二色散光谱，并根据第一色散光谱和第二色散光谱得到第一图像和第二图像，并根据第一图像和第二图像，得到目标的三维数据立方体，两幅图像便记录了目标的全部空间信息与光谱信息，整个方法过程仅需DMD的所有微镜单元进行一次偏转以及各探测器的一次曝光即可完成，因此数据量大幅度减少，数据处理量也随之减少，加快了数据处理速度；同时，DMD以列为单元的偏转可视为对DMD进行按列编码，因此与现有技术相比，本发明方法涉及的编码矩阵更加简单，无需复杂编码算法。

通过控制DMD3微镜的偏转方式，使得DMD3的第1、3…2n-1个微镜单元处于正偏状态，第2、4…2n个微镜单元处于反偏状态，这样整个目标像被划分为两部分，每部分目标像分别经过第一通道4和第二通道5的处理后最终会在对应的探测器和上分别同时呈现出n个色散光谱，第一探测器404和第二探测器504分别记录各自的n个色散光谱，进而形成两幅图像，整个过程仅需DMD3所有微镜进行一次偏转以及探测器进行一次曝光即可。

本发明提出一种基于DMD3的快照式光谱成像方法，结合图11所示，光谱采集包括以下步骤：

步骤1：参阅图2，控制DMD3的2n个微镜单元同时偏转，使成像在正偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第一通道4，成像在反偏状态下的n个微镜单元上的目标像反射进入第二通道5。

步骤2：参阅图1，进入第一通道4的n列目标像，经过第一准直器件401准直后通过第一分光器件402被分光，在第一探测器404上形成n个第一色散光谱；进入第二通道5的n列目标像，经过第二准直器件501准直后通过第二分光器件502被分光，第二在探测器上形成n个第二色散光谱。

步骤3：参阅图3，调节第一可调光阑403的通光孔径的大小，第一可调光阑403到第一分光器件402的距离，第一可调光阑403到第一探测器404的距离使第一通道4内第i(1≤i≤n-1)个微镜单元对应的色散光谱中λia～λib的光谱与第i+1个微镜单元对应的色散光谱中相同波段下λi+1a～λi+1b的光谱恰好不发生重叠；调节第二可调光阑503的通光孔径的大小，第二可调光阑503到第二分光器件502的距离，第二可调光阑503到第二探测器504的距离，使第二通道5内第j(1≤j≤n-1)个微镜单元对应的色散光谱中λja～λjb的光谱与第j+1个微镜单元对应的色散光谱中相同波段下λj+1a～λj+1b的光谱恰好不发生重叠。

步骤4：参阅图5，第一探测器404和第二探测器504分别记录各自对应的n个第一色散光谱和n个第二色散光谱，进而形成第一图像和第二图像。

步骤5：根据第一探测器404和第二探测器504记录的两幅图像中的2n个色散光谱，得到目标1的三维数据立方体。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。