專利名稱：數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種多目標(biāo)成像光譜儀裝置，屬于成像光譜技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光譜儀必須對某一維(X、Y或λ)進行掃描才能獲得完整的數(shù)據(jù)立方體。濾光片型成像光譜儀采用相機加濾光片的方案，在λ維需進行掃描；色散型成像光譜儀通過色散元件將景物目標(biāo)每一點的光譜曲線投射到探測器的一列象元上，通過空間掃描的方式獲取整幅景物目標(biāo)的光譜圖像，即數(shù)據(jù)立方體；干涉成像光譜儀通過景物目標(biāo)的干涉圖抽取目標(biāo)上所有采樣點的點干涉曲線，對點干涉曲線進行逆Fourier變換便可得到該點的光譜曲線，也需要通過改變兩臂的光程差來掃描獲得數(shù)據(jù)立方體。層析(CT)是由低維投影數(shù)據(jù)重構(gòu)高維目標(biāo)的一項新技術(shù)。與前面介紹的色散和干涉型成像光譜儀不一樣的是，CT成像光譜儀通過探測景物數(shù)據(jù)立方體不同方向的投影圖像，然后由這些投影圖像重構(gòu)出景物數(shù)據(jù)立方體。典型CT重構(gòu)算法正是基于由Radon變換和Fourier變換的關(guān)系得出的中心切片理論(Central Slice Theorem)，只有進行掃描才能獲得完整的成像光譜。運動多目標(biāo)測量的高信噪比只能通過非掃描方式獲得，而現(xiàn)在尚未發(fā)現(xiàn)非掃描方式下多個點目標(biāo)成像光譜測量系統(tǒng)的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在非掃描情況下對多個點目標(biāo)輻射譜測量的數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置，其特點在于它由成像、維數(shù)壓縮、光譜色散及采集、數(shù)字微鏡電路反饋子系統(tǒng)組成，其中成像子系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)鏡、數(shù)字微鏡、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡組成，維數(shù)壓縮子系統(tǒng)由柱面微透鏡陣列和柱面透鏡組成，如圖1，多個點目標(biāo)輻射由望遠(yuǎn)鏡進入系統(tǒng)后分光，一路進入數(shù)字微鏡反饋系統(tǒng)，一路進入成像光譜系統(tǒng)。圖像信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過數(shù)字微鏡反饋微電路來調(diào)整每個微鏡的狀態(tài)(轉(zhuǎn)動±10°)，使得數(shù)字微鏡將背景光反射出光路，而將目標(biāo)輻射反射進入系統(tǒng)光路，然后經(jīng)過柱面微透鏡陣列和柱面透鏡以及聚焦透鏡將二維分布的多個點目標(biāo)壓縮為一維分布的多個點目標(biāo)，經(jīng)過光譜儀色散后由面陣探測器和采集卡采集得到多個目標(biāo)的光譜。
所述的數(shù)字微鏡電路反饋子系統(tǒng)由分光鏡、平面探測器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字圖像處理器、計算機和數(shù)字微鏡驅(qū)動器組成，由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)跟蹤鎖定目標(biāo)，目標(biāo)輻射經(jīng)分光鏡分光，一路被成像到焦平面探測器上，由采集卡、數(shù)字圖像處理器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由模式識別軟件識別出目標(biāo)點，并由相應(yīng)數(shù)字信號通過數(shù)字微鏡驅(qū)動來控制數(shù)字微鏡，使得背景光反射出光路，目標(biāo)輻射反射進入系統(tǒng)光路。
所述的光譜色散及采集系統(tǒng)由狹縫光譜儀、聚焦透鏡、焦平面探測陣列(FPA)/CCD組成，目標(biāo)輻射由反射鏡反射進入準(zhǔn)直透鏡，由透鏡成像至柱面微透鏡陣列前焦面，柱面微透鏡陣列、柱面透鏡、透鏡將二維分布的目標(biāo)壓縮為一維分布經(jīng)光譜儀入射狹縫、準(zhǔn)直透鏡入射到閃耀光柵上，色散光譜由透鏡成像至焦平面探測器上，焦平面探測器采集得到的圖像信號由采集卡輸入計算機進行進一步分析處理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點1、由于數(shù)字微鏡的高分辨率、高光學(xué)效率、數(shù)字控制的半導(dǎo)體開關(guān)特性，以及其電路反饋功能，可以無需掃描即實現(xiàn)大視場內(nèi)多個點目標(biāo)的快速選擇，同時消除背景光的影響，提高系統(tǒng)信噪比。
2、用于維數(shù)壓縮的光學(xué)鏡組由一片柱面微透鏡陣列，一片柱面透鏡，以及若干標(biāo)準(zhǔn)透鏡組成，結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。
3、系統(tǒng)可改進以適用于0.4～2.5μm、3～5μm和8.0～14.0μm的可見光、紅外波段。


圖1為本發(fā)明的光學(xué)和機械總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中的數(shù)字微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2a為其微結(jié)構(gòu)立體示意圖，圖2b為其工作原理示意圖；圖3為本發(fā)明中的柱面微透鏡陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3a為其立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3b為其側(cè)視圖，圖3c為其主視圖；圖4為本發(fā)明中的柱面透鏡結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖4a為其立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖4b為其側(cè)視圖，圖4c為其主視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括成像子系統(tǒng)、維數(shù)壓縮子系統(tǒng)、光譜色散及采集子系統(tǒng)和數(shù)字微鏡電路反饋子系統(tǒng)。前端為成像子系統(tǒng)，它由望遠(yuǎn)鏡3、數(shù)字微鏡4、結(jié)構(gòu)反射鏡19和準(zhǔn)直聚焦透鏡17、18組成；維數(shù)壓縮子系統(tǒng)由柱面微透鏡陣列16、柱面透鏡15和透鏡14組成；光譜色散及采集系統(tǒng)由入射狹縫13、光譜儀入射鏡12、閃耀光柵11、光譜儀出射鏡10、焦平面探測陣列9、數(shù)據(jù)采集卡8和主機算計7組成；數(shù)字微鏡電路反饋子系統(tǒng)由分光鏡20、平面探測器2、數(shù)據(jù)采集卡3、數(shù)字圖像處理器5、計算機7和數(shù)字微鏡驅(qū)動6組成。如圖1，由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)1跟蹤鎖定多個點目標(biāo)，目標(biāo)輻射經(jīng)分光鏡20分光一路由焦平面探測器2采集并由采集卡3、數(shù)字圖像處理器5轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由模式識別軟件識別出目標(biāo)點，并由相應(yīng)數(shù)字信號通過數(shù)字微鏡驅(qū)動6來控制數(shù)字微鏡4，使得背景光反射出光路，目標(biāo)輻射由反射鏡19反射進入準(zhǔn)直透鏡18，由透鏡17成像至柱面微透鏡陣列前焦面，柱面微透鏡陣列16、柱面透鏡15、透鏡14將二維分布的目標(biāo)壓縮為一維分布經(jīng)光譜儀入射狹縫13、準(zhǔn)直透鏡12入射到閃耀光柵11上，色散光譜由透鏡10成像至焦平面探測器靶面，焦平面探測器9采集得到的圖像信號由采集卡8輸入計算機7進行進一步分析處理。
如圖2所示，數(shù)字微鏡可被簡單描述成為一個半導(dǎo)體光開關(guān)。成千上萬個微小的方形17×17um鏡片，被建造在靜態(tài)隨機存取內(nèi)存上方的鉸鏈結(jié)構(gòu)上而組成數(shù)字微鏡。每一個鏡片可以通斷一個象素的光。鉸鏈結(jié)構(gòu)允許鏡片在兩個狀態(tài)之間傾斜，+10度為“開”，-10度為“關(guān)”，當(dāng)鏡片不工作時，它們處于0度“停泊”狀態(tài)。一旦視頻或圖形信號在一種數(shù)字格式下，就被送入數(shù)字微鏡反饋系統(tǒng)，通過對每一個鏡片下的存儲單元以二進制平面信號進行電子化尋址，數(shù)字微鏡陣列上的每個鏡片被以靜電方式傾斜為開或關(guān)態(tài)。信息的每一個象素按照1∶1的比例被直接映射在它自己的鏡片上，提供精確的數(shù)字控制，如果信號是640×480象素，器件中央的640×480鏡片采取動作。這一區(qū)域處的其它鏡片將簡單的被置于“關(guān)”的位置。圖2中，入射光射到三個鏡片象素上，兩個外面的鏡片設(shè)置為開，這兩個“開”狀態(tài)的鏡片產(chǎn)生方形白色象素圖形。中央鏡片傾斜到“關(guān)”的位置，這一鏡片將入射光反射偏離開投影鏡頭而射入光吸收器，以致在那個特別的象素上沒有光反射上去，形成一個方形、黑色象素圖像。
如圖3所示，柱面微透鏡陣列不產(chǎn)生衍射效應(yīng)的微透鏡陣列，其微結(jié)構(gòu)是由一系列柱面透鏡組成，并滿足其前焦平面與成像子系統(tǒng)的后焦平面重合。
如圖4所示，柱面透鏡是透鏡，其母線與柱面微透鏡陣列母線平行，并滿足其前焦平面與柱面微透鏡陣列前焦平面重合。
權(quán)利要求
1.數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置，其特征在于它由成像、維數(shù)壓縮、光譜色散及采集、數(shù)字微鏡電路反饋子系統(tǒng)組成，其中成像子系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)鏡、數(shù)字微鏡、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡組成，維數(shù)壓縮子系統(tǒng)由柱面微透鏡陣列和柱面透鏡組成，多個點目標(biāo)輻射由望遠(yuǎn)鏡進入系統(tǒng)后分光，一路進入數(shù)字微鏡反饋系統(tǒng)，一路進入成像光譜系統(tǒng)，圖像信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過數(shù)字微鏡反饋微電路來調(diào)整每個微鏡的狀態(tài)，使得數(shù)字微鏡將背景光反射出光路，而將目標(biāo)輻射反射進入系統(tǒng)光路，然后經(jīng)過柱面微透鏡陣列和柱面透鏡以及聚焦透鏡將二維分布的多個點目標(biāo)壓縮為一維分布的多個點目標(biāo)，經(jīng)過光譜儀色散后由面陣探測器和采集卡采集得到多個目標(biāo)的光譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置，其特征在于所述的數(shù)字微鏡電路反饋子系統(tǒng)由分光鏡、焦平面探測器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字圖像處理器、計算機和數(shù)字微鏡驅(qū)動器組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置，其特征在于由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)跟蹤鎖定目標(biāo)，目標(biāo)輻射經(jīng)分光鏡分光，一路被成像到焦平面探測器上，由采集卡、數(shù)字圖像處理器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由模式識別軟件識別出目標(biāo)點，并由相應(yīng)數(shù)字信號通過數(shù)字微鏡驅(qū)動來控制數(shù)字微鏡，使得背景光反射出光路，目標(biāo)輻射由反射鏡反射進入準(zhǔn)直透鏡，由透鏡成像至柱面微透鏡陣列前焦面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置，其特征在于柱面微透鏡陣列、柱面透鏡、透鏡將二維分布的目標(biāo)壓縮為一維分布經(jīng)光譜儀入射狹縫、準(zhǔn)直透鏡入射到閃耀光柵上，色散光譜由透鏡成像至焦平面探測器上，焦平面探測器采集得到的圖像信號由采集卡輸入計算機進行進一步分析處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀，其特征在于所述的柱面微透鏡陣列不產(chǎn)生衍射效應(yīng)的微透鏡陣列，其微結(jié)構(gòu)是由一系列柱面透鏡組成，并滿足其前焦平面與成像子系統(tǒng)的后焦平面重合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀，其特征在于所述的柱面透鏡是透鏡，其母線與柱面微透鏡陣列母線平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置，其特征在于微透鏡陣列與柱面透鏡及其他透鏡組合，將二維分布的點目標(biāo)轉(zhuǎn)化成一維分布。
全文摘要
數(shù)字微鏡多目標(biāo)成像光譜儀裝置，由成像、維數(shù)壓縮、光譜色散及采集、數(shù)字微鏡電路反饋子系統(tǒng)組成，其中成像子系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)鏡、數(shù)字微鏡、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡組成，維數(shù)壓縮子系統(tǒng)由柱面微透鏡陣列和柱面透鏡組成，數(shù)字微鏡電路反饋子系統(tǒng)由分光鏡、焦平面探測器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字圖像處理器、計算機和數(shù)字微鏡驅(qū)動器組成。本發(fā)明由于數(shù)字微鏡的高分辨率、高光學(xué)效率、數(shù)字控制的半導(dǎo)體開關(guān)特性，以及其電路反饋功能，可以無需掃描即實現(xiàn)大視場內(nèi)多個點目標(biāo)的快速選擇，同時消除背景光的影響，提高系統(tǒng)信噪比，且由于維數(shù)壓縮的光學(xué)鏡組由柱面微透鏡陣列、柱面透鏡，及透鏡組組成，結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。本發(fā)明可適用于可見光，近紅外，中波紅外及長波紅外各個波段的多目標(biāo)光譜/輻射譜的測量。
文檔編號G01N21/25GK1702452SQ200410009118
公開日2005年11月30日 申請日期2004年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月24日
發(fā)明者馬燕春, 邢廷文 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所