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专利名称：数字微镜多目标成像光谱仪装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种多目标成像光谱仪装置，属于成像光谱技术领域。
背景技术：
传统的光谱仪必须对某一维(X、Y或λ)进行扫描才能获得完整的数据立方体。滤光片型成像光谱仪采用相机加滤光片的方案，在λ维需进行扫描；色散型成像光谱仪通过色散元件将景物目标每一点的光谱曲线投射到探测器的一列象元上，通过空间扫描的方式获取整幅景物目标的光谱图像，即数据立方体；干涉成像光谱仪通过景物目标的干涉图抽取目标上所有采样点的点干涉曲线，对点干涉曲线进行逆Fourier变换便可得到该点的光谱曲线，也需要通过改变两臂的光程差来扫描获得数据立方体。层析(CT)是由低维投影数据重构高维目标的一项新技术。与前面介绍的色散和干涉型成像光谱仪不一样的是，CT成像光谱仪通过探测景物数据立方体不同方向的投影图像，然后由这些投影图像重构出景物数据立方体。典型CT重构算法正是基于由Radon变换和Fourier变换的关系得出的中心切片理论(Central Slice Theorem)，只有进行扫描才能获得完整的成像光谱。运动多目标测量的高信噪比只能通过非扫描方式获得，而现在尚未发现非扫描方式下多个点目标成像光谱测量系统的报道。

发明内容
本发明需要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在非扫描情况下对多个点目标辐射谱测量的数字微镜多目标成像光谱仪装置。
本发明的技术解决方案是数字微镜多目标成像光谱仪装置，其特点在于它由成像、维数压缩、光谱色散及采集、数字微镜电路反馈子系统组成，其中成像子系统由前置望远镜、数字微镜、准直透镜和聚焦透镜组成，维数压缩子系统由柱面微透镜阵列和柱面透镜组成，如图1，多个点目标辐射由望远镜进入系统后分光，一路进入数字微镜反馈系统，一路进入成像光谱系统。图像信号被转换成数字信号通过数字微镜反馈微电路来调整每个微镜的状态(转动±10°)，使得数字微镜将背景光反射出光路，而将目标辐射反射进入系统光路，然后经过柱面微透镜阵列和柱面透镜以及聚焦透镜将二维分布的多个点目标压缩为一维分布的多个点目标，经过光谱仪色散后由面阵探测器和采集卡采集得到多个目标的光谱。
所述的数字微镜电路反馈子系统由分光镜、平面探测器、数据采集卡、数字图像处理器、计算机和数字微镜驱动器组成，由望远镜系统跟踪锁定目标，目标辐射经分光镜分光，一路被成像到焦平面探测器上，由采集卡、数字图像处理器转换为数字信号，由模式识别软件识别出目标点，并由相应数字信号通过数字微镜驱动来控制数字微镜，使得背景光反射出光路，目标辐射反射进入系统光路。
所述的光谱色散及采集系统由狭缝光谱仪、聚焦透镜、焦平面探测阵列(FPA)/CCD组成，目标辐射由反射镜反射进入准直透镜，由透镜成像至柱面微透镜阵列前焦面，柱面微透镜阵列、柱面透镜、透镜将二维分布的目标压缩为一维分布经光谱仪入射狭缝、准直透镜入射到闪耀光栅上，色散光谱由透镜成像至焦平面探测器上，焦平面探测器采集得到的图像信号由采集卡输入计算机进行进一步分析处理。
本发明与现有技术相比，具有以下优点1、由于数字微镜的高分辨率、高光学效率、数字控制的半导体开关特性，以及其电路反馈功能，可以无需扫描即实现大视场内多个点目标的快速选择，同时消除背景光的影响，提高系统信噪比。
2、用于维数压缩的光学镜组由一片柱面微透镜阵列，一片柱面透镜，以及若干标准透镜组成，结构简单、制造成本低。
3、系统可改进以适用于0.4～2.5μm、3～5μm和8.0～14.0μm的可见光、红外波段。


图1为本发明的光学和机械总体结构示意图；图2为本发明中的数字微镜的结构示意图，其中图2a为其微结构立体示意图，图2b为其工作原理示意图；图3为本发明中的柱面微透镜阵列结构示意图，其中图3a为其立体结构示意图，图3b为其侧视图，图3c为其主视图；图4为本发明中的柱面透镜结构示意图，其中图4a为其立体结构示意图，图4b为其侧视图，图4c为其主视图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括成像子系统、维数压缩子系统、光谱色散及采集子系统和数字微镜电路反馈子系统。前端为成像子系统，它由望远镜3、数字微镜4、结构反射镜19和准直聚焦透镜17、18组成；维数压缩子系统由柱面微透镜阵列16、柱面透镜15和透镜14组成；光谱色散及采集系统由入射狭缝13、光谱仪入射镜12、闪耀光栅11、光谱仪出射镜10、焦平面探测阵列9、数据采集卡8和主机算计7组成；数字微镜电路反馈子系统由分光镜20、平面探测器2、数据采集卡3、数字图像处理器5、计算机7和数字微镜驱动6组成。如图1，由望远镜系统1跟踪锁定多个点目标，目标辐射经分光镜20分光一路由焦平面探测器2采集并由采集卡3、数字图像处理器5转换为数字信号，由模式识别软件识别出目标点，并由相应数字信号通过数字微镜驱动6来控制数字微镜4，使得背景光反射出光路，目标辐射由反射镜19反射进入准直透镜18，由透镜17成像至柱面微透镜阵列前焦面，柱面微透镜阵列16、柱面透镜15、透镜14将二维分布的目标压缩为一维分布经光谱仪入射狭缝13、准直透镜12入射到闪耀光栅11上，色散光谱由透镜10成像至焦平面探测器靶面，焦平面探测器9采集得到的图像信号由采集卡8输入计算机7进行进一步分析处理。
如图2所示，数字微镜可被简单描述成为一个半导体光开关。成千上万个微小的方形17×17um镜片，被建造在静态随机存取内存上方的铰链结构上而组成数字微镜。每一个镜片可以通断一个象素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜，+10度为“开”，-10度为“关”，当镜片不工作时，它们处于0度“停泊”状态。一旦视频或图形信号在一种数字格式下，就被送入数字微镜反馈系统，通过对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行电子化寻址，数字微镜阵列上的每个镜片被以静电方式倾斜为开或关态。信息的每一个象素按照1∶1的比例被直接映射在它自己的镜片上，提供精确的数字控制，如果信号是640×480象素，器件中央的640×480镜片采取动作。这一区域处的其它镜片将简单的被置于“关”的位置。图2中，入射光射到三个镜片象素上，两个外面的镜片设置为开，这两个“开”状态的镜片产生方形白色象素图形。中央镜片倾斜到“关”的位置，这一镜片将入射光反射偏离开投影镜头而射入光吸收器，以致在那个特别的象素上没有光反射上去，形成一个方形、黑色象素图像。
如图3所示，柱面微透镜阵列不产生衍射效应的微透镜阵列，其微结构是由一系列柱面透镜组成，并满足其前焦平面与成像子系统的后焦平面重合。
如图4所示，柱面透镜是透镜，其母线与柱面微透镜阵列母线平行，并满足其前焦平面与柱面微透镜阵列前焦平面重合。
权利要求
1.数字微镜多目标成像光谱仪装置，其特征在于它由成像、维数压缩、光谱色散及采集、数字微镜电路反馈子系统组成，其中成像子系统由前置望远镜、数字微镜、准直透镜和聚焦透镜组成，维数压缩子系统由柱面微透镜阵列和柱面透镜组成，多个点目标辐射由望远镜进入系统后分光，一路进入数字微镜反馈系统，一路进入成像光谱系统，图像信号被转换成数字信号通过数字微镜反馈微电路来调整每个微镜的状态，使得数字微镜将背景光反射出光路，而将目标辐射反射进入系统光路，然后经过柱面微透镜阵列和柱面透镜以及聚焦透镜将二维分布的多个点目标压缩为一维分布的多个点目标，经过光谱仪色散后由面阵探测器和采集卡采集得到多个目标的光谱。
2.根据权利要求1所述的数字微镜多目标成像光谱仪装置，其特征在于所述的数字微镜电路反馈子系统由分光镜、焦平面探测器、数据采集卡、数字图像处理器、计算机和数字微镜驱动器组成。
3.根据权利要求1所述的数字微镜多目标成像光谱仪装置，其特征在于由望远镜系统跟踪锁定目标，目标辐射经分光镜分光，一路被成像到焦平面探测器上，由采集卡、数字图像处理器转换为数字信号，由模式识别软件识别出目标点，并由相应数字信号通过数字微镜驱动来控制数字微镜，使得背景光反射出光路，目标辐射由反射镜反射进入准直透镜，由透镜成像至柱面微透镜阵列前焦面。
4.根据权利要求1所述的数字微镜多目标成像光谱仪装置，其特征在于柱面微透镜阵列、柱面透镜、透镜将二维分布的目标压缩为一维分布经光谱仪入射狭缝、准直透镜入射到闪耀光栅上，色散光谱由透镜成像至焦平面探测器上，焦平面探测器采集得到的图像信号由采集卡输入计算机进行进一步分析处理。
5.根据权利要求1所述的数字微镜多目标成像光谱仪，其特征在于所述的柱面微透镜阵列不产生衍射效应的微透镜阵列，其微结构是由一系列柱面透镜组成，并满足其前焦平面与成像子系统的后焦平面重合。
6.根据权利要求1所述的数字微镜多目标成像光谱仪，其特征在于所述的柱面透镜是透镜，其母线与柱面微透镜阵列母线平行。
7.根据权利要求1所述的数字微镜多目标成像光谱仪装置，其特征在于微透镜阵列与柱面透镜及其他透镜组合，将二维分布的点目标转化成一维分布。
全文摘要
数字微镜多目标成像光谱仪装置，由成像、维数压缩、光谱色散及采集、数字微镜电路反馈子系统组成，其中成像子系统由前置望远镜、数字微镜、准直透镜和聚焦透镜组成，维数压缩子系统由柱面微透镜阵列和柱面透镜组成，数字微镜电路反馈子系统由分光镜、焦平面探测器、数据采集卡、数字图像处理器、计算机和数字微镜驱动器组成。本发明由于数字微镜的高分辨率、高光学效率、数字控制的半导体开关特性，以及其电路反馈功能，可以无需扫描即实现大视场内多个点目标的快速选择，同时消除背景光的影响，提高系统信噪比，且由于维数压缩的光学镜组由柱面微透镜阵列、柱面透镜，及透镜组组成，结构简单、制造成本低。本发明可适用于可见光，近红外，中波红外及长波红外各个波段的多目标光谱/辐射谱的测量。
文档编号G01N21/25GK1702452SQ200410009118
公开日2005年11月30日 申请日期2004年5月24日 优先权日2004年5月24日
发明者马燕春, 邢廷文 申请人:中国科学院光电技术研究所