專利名稱：基于數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超光譜成像儀器，尤其涉及一種采用數(shù)字微鏡器件的多通 道、可用于多目標識別、追蹤的超光譜成像系統(tǒng)。
背景技術：
光譜成像儀器是一種可實現(xiàn)"圖譜合一"的光學成像儀器。超光譜成像通 常是指譜段數(shù)在100至400范圍內(nèi)的光譜成像技術，目前在環(huán)境監(jiān)測、軍事偵 査、森林防火、農(nóng)作物估產(chǎn)、病蟲害監(jiān)視等遙感觀測領域，以及在PCB檢驗、 生物芯片及DNA芯片探測等微觀探測領域都有著非常重要的應用。
制約多光譜成像技術發(fā)展的一個重要因素是超光譜成像的數(shù)據(jù)過于龐大。 尤其對于目前應用最廣泛的遙感超光譜成像技術來說，作為衛(wèi)星載荷，遙感器 不可能配備容量超大的數(shù)據(jù)存儲設備，而現(xiàn)有的對地數(shù)據(jù)傳輸速率難以達到理 想的數(shù)值，這就對衛(wèi)星上遙感器件數(shù)據(jù)壓縮的硬件設備和軟件方法提出了很大 考驗。多目標的超光譜成像可對軍事目標、民用目標以及微觀芯片目標進行識 別和跟蹤探測，目標的背景多為無用信息，占用了大量的數(shù)據(jù)，同時給目標的 識別追蹤帶來很大困難。
受分光器件和探測器相應探測范圍的限制，傳統(tǒng)的光譜成像系統(tǒng)一般僅局 限在一個波段(多為可見波段或近紅外波段)。若能同時獲得目標物紅外、可 見、紫外三個波段的光譜成像數(shù)據(jù)，進行比對，可更有效的實現(xiàn)目標識別與追
蹤o
數(shù)字微鏡器件(Digital Mirror Device, DMD)是由美國德克薩斯儀器公司 在1987年發(fā)明的。它是大規(guī)模集成電路技術、微電子機械系統(tǒng)和微光學技術 三者結(jié)合的典型成功產(chǎn)物。DMD具有選址分光的功能，最早主要被應用于DLP (Digital Light Processing)領域，由國外知名的IT企業(yè)用來制造髙清電視、 投影儀等數(shù)字視頻設備。隨著DMD芯片在全息成像、顯微術、光譜成像等領 域的應用發(fā)展，TI公司開始選擇性的向一些國內(nèi)外有實力的科研機構(gòu)、研究所小規(guī)模的提供DMD芯片，用于芯片應用領域的應用研究與探索。
由附圖1所示，數(shù)字微鏡器件(DMD)主要由數(shù)字微鏡器件控制板1和 多個微鏡2構(gòu)成的陣列組成，每個微鏡相當于一個光開關。DMD依靠控制微 鏡的轉(zhuǎn)動角度以控制其上入射光線的反射方向，微鏡的偏轉(zhuǎn)角度不同，反射光 的出射角度就不同。工作時每個微鏡單元能向兩個方向轉(zhuǎn)動其中一個方向為
+ 12°,能將入射光線3反射到投射系統(tǒng)，投射到銀幕或者探測器上，稱為開
態(tài)(參見圖中的開態(tài)反射光線4);另一個方向為-12°,可將入射光反射到吸 收平面，由吸收平面把光吸收，稱為關態(tài)，(參見圖中的關態(tài)反射光線5)。 DMD光開關的電信號控制時間僅為2Ps,機械開關時間(包括微鏡到位和鎖 定)約為15" s。
目前，數(shù)字微鏡器件已經(jīng)具備了 1024X768分辨率、不低于85%的光學填 充因子，每秒上千次的髙速翻轉(zhuǎn)本領更使其成為性能出色的空間調(diào)制器，可在 超光譜成像系統(tǒng)中實現(xiàn)對光線的選址，大幅刪除冗余數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有超光譜成像技術多局限于一個波段、采集的數(shù)據(jù)量 過于龐大的不足，提供一種采用數(shù)字微鏡器件的超光譜成像技術，同時實現(xiàn)紅 外、可見、紫外三個波段的光譜成像，并可大幅減少需要接收的有效數(shù)據(jù)，更 有利于目標的識別與追蹤。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是 一種基于數(shù)字微鏡器件的多 通道多目標超光譜成像方法，將目標成像于一狹縫平面上，出射光經(jīng)準直成平 行光，投射到一多膠合棱鏡上，利用多膠合棱鏡不同面上設置的二向色性濾光 片，分別將紫外光和紅外光反射出射，可見光則經(jīng)棱鏡透射出射，所述紫外光、 紅外光、可見光分別經(jīng)各自分光光柵衍射形成色散，再聚焦于對應的數(shù)字微鏡 器件上，由計算機控制數(shù)字微鏡器件的微鏡翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，開態(tài)位置的出射光投射 到探測器上，經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理，用于成像及后期處理。
進一步的技術方案，為實現(xiàn)對于動態(tài)目標的識別和跟蹤，在進行數(shù)字微鏡 器件的微鏡翻轉(zhuǎn)狀態(tài)控制之前，先使目標相對于狹縫沿垂直于狹縫的方向移動，完成推掃，獲得兩維空間的光譜信息，比對三個波段的光譜信息，通過識 別算法識別出特定目標方位并記錄，然后，控制數(shù)字微鏡器件，使得目標對應 位置的微鏡單元處于開態(tài)，非目標位置的微鏡單元處于關態(tài)，實現(xiàn)特定目標區(qū) 域或特定波長的選址；控制軟件分析隨時間變化的采樣數(shù)據(jù)，得到目標方位變 化的方向矢量，自動調(diào)整數(shù)字微鏡器件的微鏡單元開、關狀態(tài)，實現(xiàn)目標追蹤。 應用上述方法的一種基于數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像系統(tǒng)， 包括物鏡、狹縫、準直透鏡、分光處理光路和探測器，所述物鏡使目標成像于 狹縫所在平面，所述分光處理光路由多膠合棱鏡和紅外、紫外、可見光三路處 理光路構(gòu)成，所述多膠合棱鏡的兩個膠合面上分別設有二向色性濾光片，所述 每個處理光路包括一對應波長范圍的分光光柵、會聚透鏡、數(shù)字微鏡器件和目 鏡，對應每一處理光路設有一所述探測器，分光光柵衍射后的出射光經(jīng)會聚透 鏡照射在數(shù)字微鏡器件上，數(shù)字微鏡器件處于開態(tài)的微鏡單元的出射光經(jīng)目鏡 照射在所述探測器上。
上述技術方案中，所述狹縫的寬度在0.1毫米至5毫米之間。 上文中，所述的物鏡依據(jù)應用需要為普通物鏡、顯微物鏡或望遠物鏡所 述分光光柵為普通光柵或全息光柵；所述探測器選自CCD探測器或CMOS探 測器。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1. 本發(fā)明大幅減少了超光譜成像的數(shù)據(jù)用數(shù)字微鏡器件作光開關，對 光線進行反射方向的選擇，可以使得面陣探測器僅接收特定目標物及特征波長 范圍內(nèi)的光信息，而忽略空間背景及目標物非特征波長范圍內(nèi)的光信息。除初 次推掃需獲得完整數(shù)據(jù)外，面陣探測器接收到的用于后期分析處理的數(shù)據(jù)大大 減少，這對于航天航空遙感應用的超光譜成像技術的發(fā)展意義尤為重大。
2. 本發(fā)明有利于基于光譜特性判定的多目標識別用數(shù)字微鏡器件作光 開關剔選出來的光信息都是針對目標的特征光譜范圍內(nèi)的光信息，在沒有背景 干擾的條件下，目標特征更為突兀，此外比對紅外、可見、紫外三個波段的光 譜數(shù)據(jù)特征，也使目標的識別更為準確。
3. 本發(fā)明有利于基于光譜特性判定的多目標追蹤精準的目標識別是目 標追蹤的前提，對于運動目標，通過前后不同時段成像結(jié)果的比較，可對目標的運動矢量做出判定，反饋給數(shù)字微鏡器件，改變目標附近位置微鏡單元的翻 轉(zhuǎn)狀態(tài)，繼續(xù)跟蹤目標。數(shù)字微鏡器件每秒上千次的翻轉(zhuǎn)本領為實時追蹤髙速 運動的多目標提供了技術上的保障。


圖1是數(shù)字微鏡器件的工作原理圖2是實施例一中采用數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像系統(tǒng)示 意圖3是實施例一中通過軟件算法判定出目標物位置后，控制數(shù)字微鏡器件 相應微鏡單元翻轉(zhuǎn)狀態(tài)實現(xiàn)目標目標捕獲的示意圖
圖4是實施例一中通過軟件算法判定出目標物位移矢量后，改變數(shù)字微鏡 器件相應微鏡單元翻轉(zhuǎn)狀態(tài)實現(xiàn)目標追蹤的示意圖。
其中1、數(shù)字微鏡器件控制板；2、微鏡3、入射光線；4、開態(tài)反射光 線；5、關態(tài)反射光線；6、光源；7、目標物；8、物鏡；9、狹縫；10、準直 透鏡；11、多膠合透鏡；12、紅外波段髙反的二向色性濾光片；13、紫外波段 髙反的二向色性濾光片；14、紅外分光光柵15、可見光分光光柵；16、紫外 分光光柵；17、會聚透鏡；18、紅外數(shù)字微鏡器件19、可見光數(shù)字微鏡器件； 20、紫外數(shù)字微鏡器件；21、目鏡；22、紅外探測器；23、可見光探測器；24、 紫外探測器。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述
實施例一參見附圖2所示， 一種基于數(shù)字微鏡器件的多目標超光譜成像 系統(tǒng)，包括物鏡8、狹縫9、準直透鏡IO、分光處理光路和探測器，在光源6 的照射下，所述物鏡使目標物7成像于狹縫9所在平面，所述分光處理光路由 多膠合棱鏡ll和紅外、紫外、可見光三路處理光路構(gòu)成，所述多膠合棱鏡ll 的兩個膠合面上分別設有紅外波段髙反的二向色性濾光片12和紫外波段髙反 的二向色性濾光片13,紅外處理光路包括紅外分光光柵14、會聚透鏡17、紅 外數(shù)字微鏡器件18和目鏡21，對應紅外處理光路設有紅外探測器22,紅外分光光柵14衍射后的出射光經(jīng)會聚透鏡照射在紅外數(shù)字微鏡器件18上，數(shù)字微 鏡器件處于開態(tài)的微鏡單元的出射光經(jīng)目鏡照射在所述紅外探測器22上；紫 外處理光路包括紫外分光光柵16、會聚透鏡17、紫外數(shù)字微鏡器件20和目鏡 21，對應紫外處理光路設有紫外探測器24，紫外分光光柵16衍射后的出射光 經(jīng)會聚透鏡照射在紫外數(shù)字微鏡器件20上，數(shù)字微鏡器件處于開態(tài)的微鏡單 元的出射光經(jīng)目鏡照射在所述紫外探測器24上；可見光處理光路包括可見光 分光光柵15、會聚透鏡17、可見光數(shù)字微鏡器件19和目鏡21，對應可見光 處理光路設有可見光探測器23，可見光分光光柵15衍射后的出射光經(jīng)會聚透 鏡照射在可見光數(shù)字微鏡器件19上，數(shù)字微鏡器件處于開態(tài)的微鏡單元的出 射光經(jīng)目鏡照射在所述可見光探測器23上。
在光源6的照射下，目標物7由物鏡8成放大的像在狹縫平面9上，狹縫 9位置對應目標物某橫向位置的條帶像，由狹縫9出射的光線經(jīng)過準直透鏡10 成為平行光，平行光照射至多膠合棱鏡11,紅外光在二向色性濾光片12處反 射，入射到紅外分光光柵14上。光在分光光柵14上形成衍射，色散后的光由 會聚透鏡17會聚到紅外數(shù)字微鏡器件18上，微型計算機對數(shù)字微鏡器件進行 設置，將目標區(qū)域或者特征波長上的單元微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)設置為"開"，其上
的入射光線將沿+12。方向反射，將非目標的背景區(qū)域或者非特征波長上的單
元微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)設置為"關"，其上光線將沿-12。方向反射。目鏡21僅將 開態(tài)的光線會聚到紅外探測器22上，此處，紅外探測器可采用面陣CCD相機， 微型計算機通過USB接口直接與面陣CCD相機相連，完成數(shù)據(jù)處理與圖像生 成。
將目標物7沿垂直于狹縫方向進行移動，使得目標物7的不同條帶像的處 于狹縫9位置，便可完成目標物7二維空間的超光譜成像。
經(jīng)過一次完整的二維空間推掃后，可獲得目標物所在二維空間三個波段的 完整超光譜成像數(shù)據(jù)，由軟件對三個波段的數(shù)據(jù)通過特定算法的處理和結(jié)果比 對便可實現(xiàn)目標物方位的確定，并控制數(shù)字微鏡器件相應微鏡單元的翻轉(zhuǎn)狀態(tài) 為"開"，其它微鏡單元的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)為"關"。如圖3所示， 一次掃描后，軟件 通過特點算法識別出目標位置在左圖方框內(nèi)位置(正方形位置)，則在下次掃描到對應縱向位置(矩形框位置)時，設定對應橫向位置的微鏡狀態(tài)為開(右
圖中用1表示，下同)，其余位置為關(右圖中用o表示，下同)。
當目標位置發(fā)生變化時，目標物位移矢量亦可由軟件通過特定算法針對三 個波段的超光譜成像數(shù)據(jù)計算得到，計算機將位移矢量反饋給數(shù)字微鏡器件， 改變數(shù)字微鏡器件調(diào)整相應微鏡單元的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而保持對目標物的追蹤。
如圖4,左圖中目標物自左向右運動，計算機通過算法判斷出目標物的位移矢 量，相應調(diào)節(jié)微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，如右側(cè)各圖所示，完成對目標的追蹤。
權利要求
1.一種基于數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像方法，其特征在于將目標成像于一狹縫平面上，出射光經(jīng)準直成平行光，投射到一多膠合棱鏡上，利用多膠合棱鏡不同面上設置的二向色性濾光片，分別將紫外光和紅外光反射出射，可見光則經(jīng)棱鏡透射出射，所述紫外光、紅外光、可見光分別經(jīng)各自分光光柵衍射形成色散，再聚焦于對應的數(shù)字微鏡器件上，由計算機控制數(shù)字微鏡器件的微鏡翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，開態(tài)位置的出射光投射到探測器上，經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理，用于成像及后期處理。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像 方法，其特征在于在進行數(shù)字微鏡器件的微鏡翻轉(zhuǎn)狀態(tài)控制之前，先使目標 相對于狹縫沿垂直于狹縫的方向移動，完成推掃，獲得兩維空間的光譜信息， 通過識別算法識別出特定目標方位并記錄，然后，控制數(shù)字微鏡器件，使得目 標對應位置的微鏡單元處于開態(tài)，非目標位置的微鏡單元處于關態(tài)，實現(xiàn)特定 目標區(qū)域或特定波長的選址；控制軟件分析隨時間變化的采樣數(shù)據(jù)，得到目標 方位變化的方向矢量，自動調(diào)整數(shù)字微鏡器件的微鏡單元開、關，實現(xiàn)目標追蹤0
3. —種基于數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像系統(tǒng)，包括物鏡、 狹縫、準直透鏡、分光處理光路和探測器，所述物鏡使目標成像于狹縫所在平 面，其特征在于所述分光處理光路由多膠合棱鏡和紅外、紫外、可見光三路 處理光路構(gòu)成，所述多膠合棱鏡的兩個膠合面上分別設有二向色性濾光片，所 述每個處理光路包括一對應波長范圍的分光光柵、會聚透鏡、數(shù)字微鏡器件和 目鏡，對應每一處理光路設有一所述探測器，分光光柵衍射后的出射光經(jīng)會聚 透鏡照射在數(shù)字微鏡器件上，數(shù)字微鏡器件處于開態(tài)的微鏡單元的出射光經(jīng)目 鏡照射在所述探測器上。
4. 根據(jù)權利要求3所述的基于數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像 系統(tǒng)，其特征在于所述狹縫的寬度在0.1亳米至5毫米之間。
5. 根據(jù)權利要求3所述的基于數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像 系統(tǒng)，其特征在于所述探測器選自CCD探測器或CMOS探測器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字微鏡器件的多通道多目標超光譜成像方法，其特征在于將目標成像于一狹縫平面上，出射光經(jīng)準直成平行光，分光成紫外光、紅外光、可見光，分別經(jīng)各自分光光柵衍射形成色散，再聚焦于對應的數(shù)字微鏡器件上，由計算機控制數(shù)字微鏡器件的微鏡翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，開態(tài)位置的出射光投射到探測器上，經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理，用于成像及后期處理。在裝置中，通過設有二向色性濾光片的多膠合棱鏡，實現(xiàn)上述紫外、紅外、可見光的分光。本發(fā)明實現(xiàn)紅外、可見、紫外三波段的圖像信息獲取，在不影響目標區(qū)域光譜探測質(zhì)量的前提下，解決了光譜成像數(shù)據(jù)過于龐大的問題，有利于實現(xiàn)多目標的識別與實時追蹤。
文檔編號G01N21/25GK101303291SQ20081012311
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權日2008年6月5日
發(fā)明者余建軍, 望 周, 周建康, 季軼群, 沈為民, 陳宇恒, 陳新華, 韋曉孝 申請人:蘇州大學