基于mems微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)及方法，主要解決現(xiàn)有裝置成像時(shí)間長(zhǎng)、傳感器陣列受限的問(wèn)題。該裝置包括成像鏡頭、掃描鏡、掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊、會(huì)聚透鏡、單點(diǎn)光電傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊。目標(biāo)景物通過(guò)成像鏡頭成像在掃描鏡上，掃描鏡對(duì)目標(biāo)景物光信號(hào)進(jìn)行采樣，會(huì)聚透鏡將采樣信號(hào)會(huì)聚到單點(diǎn)光電傳感器，經(jīng)過(guò)光電和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)圖像的像素值，最后通過(guò)恢復(fù)算法得到目標(biāo)圖像。本發(fā)明采用一個(gè)MEMS掃描鏡和一個(gè)光電傳感器，替代傳統(tǒng)的光電傳感器陣列，降低了對(duì)傳感器陣列規(guī)模的要求，可用于對(duì)目標(biāo)景物進(jìn)行二維掃描成像。
【專利說(shuō)明】基于MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于成像【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)及方法，可用于對(duì)目標(biāo)景物進(jìn)行二維掃描成像。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)成像是人類獲取可見(jiàn)光、紅外光、多光譜圖像信息的重要手段，廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)、空間偵察和資源信息探測(cè)。傳統(tǒng)的成像方法是利用成像鏡頭將目標(biāo)景物成像到傳感器陣列，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到圖像的數(shù)字信號(hào)。但是隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的加快，由于現(xiàn)有材料、器件、工藝條件的限制，傳統(tǒng)的成像方法面臨傳感器陣列制造工藝和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等難以突破的瓶頸，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的需求。
[0003]目前將微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS微掃描鏡應(yīng)用于光學(xué)成像的研究還很少,而且微掃描鏡的作用是對(duì)入射光源進(jìn)行光路調(diào)制，即將光源按照掃描順序依次反射到目標(biāo)景物，然后傳感器依次采集目標(biāo)景物反射的光信號(hào)，但是這種方法并未突破傳感器陣列的限制，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0004]近年來(lái)，基于壓縮感知理論的單像素相機(jī)成像系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)字微鏡芯片隨機(jī)的將物體投射過(guò)來(lái)的光線反射到光敏二極管，以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)混疊采樣。但是由于該相機(jī)只用了一個(gè)光電傳感器，每次曝光只能實(shí)現(xiàn)一次混疊采樣，因此完成一次成像需要大量的獨(dú)立曝光次數(shù)，花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)的不足，提出一種基于MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)及方法，以縮短成像所需要的時(shí)間，突破傳感器陣列的限制，減小光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)，包括:成像鏡頭1、掃描鏡2、掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊3、會(huì)聚透鏡4、單點(diǎn)光電傳感器5、模數(shù)轉(zhuǎn)換器6、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7 ;掃描鏡2固定于成像鏡頭I的成像位置，掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊3與掃描鏡2電連接，會(huì)聚透鏡4固定于采樣信號(hào)的光路上，單點(diǎn)光電傳感器5固定于會(huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)處，模數(shù)轉(zhuǎn)換器6固定于單點(diǎn)光電傳感器5后方，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7分別與掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊3和模數(shù)轉(zhuǎn)換器6連接，其特征在于:
[0007]掃描鏡2，采用一個(gè)雙軸微型扭轉(zhuǎn)鏡，用以在兩個(gè)正交方向進(jìn)行周期性擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光信號(hào)中與會(huì)聚透鏡4相互垂直的目標(biāo)景物的光信號(hào)采樣；
[0008]掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊3,米用兩路方波驅(qū)動(dòng)信號(hào),用于驅(qū)動(dòng)掃描鏡2在兩個(gè)正交方向的周期性擺動(dòng)，并接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7發(fā)送的控制信號(hào)。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像方法，包括如下步驟:
[0010](I)掃描鏡通過(guò)成像鏡頭對(duì)目標(biāo)景物進(jìn)行掃描，使目標(biāo)景物的入射光信號(hào)以非平行的方式會(huì)聚在掃描鏡上，得到目標(biāo)景物的光信號(hào)L ；
[0011](2)掃描鏡通過(guò)鏡面反射改變光信號(hào)L的路徑，得到非平行的目標(biāo)景物反射光信號(hào)L,，并對(duì)反射光信號(hào)L,中與會(huì)聚透鏡相互垂直的光信號(hào)進(jìn)行采樣，得到采樣光信號(hào)Ii,其中Ii表不第i個(gè)米樣點(diǎn)的光信號(hào)，I i mXn, mXn為米樣個(gè)數(shù)；
[0012](3)通過(guò)會(huì)聚透鏡將采樣光信號(hào)Ii會(huì)聚到單點(diǎn)光電傳感器，單點(diǎn)光電傳感器將該米樣光信號(hào)Ii轉(zhuǎn)換為電信號(hào)Ei ；
[0013](4)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)電信號(hào)Ei進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到采樣后單點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，即目標(biāo)圖像的一個(gè)像素值A(chǔ)其中Ti為第i個(gè)采樣點(diǎn)的采樣時(shí)刻；
[0014](5)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制掃描鏡在兩個(gè)正交方向同時(shí)進(jìn)行周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)周期為T(mén),重復(fù)(2)—⑷步驟單個(gè)像素值的獲取過(guò)程，得到按照時(shí)間順序排列的mXn個(gè)像素值:
[0015][Zr1 fx2Ai …Zrmxn]，
[0016]其中，m和η為目標(biāo)圖像的行數(shù)和列數(shù)，其數(shù)值由掃描鏡的諧振頻率決定，T = j,fr為兩個(gè)正交方向的諧振頻率的最大公約數(shù)；
[0017](6)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊對(duì)mXn個(gè)像素值進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，根據(jù)像素位置與掃描時(shí)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，恢復(fù)出目標(biāo)景物圖像Fig。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019]第一，由于采用一個(gè)MEMS微掃描鏡和一個(gè)光電傳感器，替代傳統(tǒng)的光電傳感器陣列，核心器件簡(jiǎn)單，避免了陣列傳感器的不足；
[0020]第二，由于MEMS微型掃描鏡的掃描周期短，極大縮短了成像時(shí)間，體積小，能耗低，易于物理實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0023]圖3為本發(fā)明中像素點(diǎn)位置與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0025]參照?qǐng)D1，本發(fā)明基于MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)，包括成像鏡頭1、掃描鏡2、掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊3、會(huì)聚透鏡4、單點(diǎn)光電傳感器5、模數(shù)轉(zhuǎn)換器6和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7。其中:
[0026]掃描鏡2，采用一個(gè)雙軸微型扭轉(zhuǎn)鏡，由兩路方波信號(hào)的控制，能在兩個(gè)正交方向周期性擺動(dòng)，對(duì)目標(biāo)景物進(jìn)行二維掃描；該掃描鏡固定于成像鏡頭I的成像位置，用于對(duì)目標(biāo)景物成像，并實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光信號(hào)中與會(huì)聚透鏡4相互垂直的目標(biāo)景物的光信號(hào)采樣，得到二維的目標(biāo)景物光信號(hào)；
[0027]掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊 3，包括跟隨器31、CM0S開(kāi)關(guān)32、運(yùn)算放大器33、數(shù)模轉(zhuǎn)換器34和滑動(dòng)變阻器35 ;該跟隨器31分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7和CMOS開(kāi)關(guān)32連接，用于保護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7在電壓過(guò)高時(shí)燒毀芯片，CMOS開(kāi)關(guān)32用于控制方波電壓的輸出；該運(yùn)算放大器33分別與掃描鏡2和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7電連接，用于接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7發(fā)送的控制信號(hào)，放大方波信號(hào)，輸出兩路方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)掃描鏡2在兩個(gè)正交方向的周期性擺動(dòng)；該數(shù)模轉(zhuǎn)換器34與滑動(dòng)變阻器35組成調(diào)節(jié)模塊，并與運(yùn)算放大器33連接，用于調(diào)節(jié)輸出的方波信號(hào)電壓；
[0028]會(huì)聚透鏡4，固定于采樣信號(hào)的光路上，用于將掃描鏡2采樣后得到目標(biāo)景物光信號(hào)會(huì)聚到單點(diǎn)光電傳感器5;
[0029]單點(diǎn)光電傳感器5，采用但不局限于光電晶體管，其固定在會(huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)處，用于對(duì)采樣后光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到電信號(hào)；
[0030]模數(shù)轉(zhuǎn)換器6,固定在單點(diǎn)光電傳感器5的后方,并與單點(diǎn)光電傳感器5相連,用于將單點(diǎn)光電傳感器5轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到采樣后單點(diǎn)數(shù)字信號(hào)；
[0031]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊7，采用FPGA或DSP芯片，其分別與掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊3和模數(shù)轉(zhuǎn)換器6連接，用于接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器6的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與計(jì)算，并產(chǎn)生掃描鏡驅(qū)動(dòng)電路3的控制信號(hào)。
[0032]參照?qǐng)D2，本發(fā)明基于MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像方法，包括如下步驟:
[0033]步驟1，將掃描區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
[0034]如圖3所示，以利薩如軌跡的中心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，將掃描區(qū)域在水平和垂直方向上等間距地分割成矩形 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格的劃分標(biāo)準(zhǔn)是要保證每個(gè)網(wǎng)格至少有一條掃描軌跡經(jīng)過(guò)，一個(gè)網(wǎng)格即為一個(gè)像素點(diǎn)，像素點(diǎn)的高度d為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)，包括:成像鏡頭(I)、掃描鏡(2)、掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊(3)、會(huì)聚透鏡(4)、單點(diǎn)光電傳感器(5)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊(7);掃描鏡(2)固定于成像鏡頭(I)的成像位置，掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊(3)與掃描鏡(2)電連接，會(huì)聚透鏡(4)固定于采樣信號(hào)的光路上，單點(diǎn)光電傳感器(5)固定于會(huì)聚透鏡(4)的焦點(diǎn)處，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)固定于單點(diǎn)光電傳感器(5)后方，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊(7)分別與掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊(3)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)連接，其特征在于: 掃描鏡(2)，采用一個(gè)雙軸微型扭轉(zhuǎn)鏡，用以在兩個(gè)正交方向進(jìn)行周期性擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光信號(hào)中與會(huì)聚透鏡(4)相互垂直的目標(biāo)景物的光信號(hào)采樣； 掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊(3)，采用兩路方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)掃描鏡(2)在兩個(gè)正交方向的周期性擺動(dòng)，并接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊(7)發(fā)送的控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊(3),包括: 跟隨器(31)，作為緩沖器，分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊(7)和CMOS開(kāi)關(guān)(32)連接，用于保護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊(7)在電壓過(guò)高時(shí)燒毀芯片； CMOS開(kāi)關(guān)(32)，用于控制方波電壓的輸出； 運(yùn)算放大器(33)，與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊(7)連接，用于放大方波信號(hào)電壓； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(34)和滑動(dòng)變阻器(35)，與運(yùn)算放大器(33)連接，用于調(diào)節(jié)輸出的方波信號(hào)電壓。
3.一種基于MEMS微掃描鏡的單探測(cè)器光學(xué)成像方法，包括如下步驟: (1)掃描鏡通過(guò)成像鏡頭對(duì)目標(biāo)景物進(jìn)行掃描，使目標(biāo)景物的入射光信號(hào)以非平行的方式會(huì)聚在掃描鏡上，得到目標(biāo)景物的光信號(hào)L ； (2)掃描鏡通過(guò)鏡面反射改變光信號(hào)L的路徑，得到非平行的目標(biāo)景物反射光信號(hào)L'，并對(duì)反射光信號(hào)L,中與會(huì)聚透鏡相互垂直的光信號(hào)進(jìn)行采樣，得到采樣光信號(hào)Ii，其中Ii表不第i個(gè)米樣點(diǎn)的光信號(hào)，mXn, mXn為米樣個(gè)數(shù)； (3)通過(guò)會(huì)聚透鏡將采樣光信號(hào)Ii會(huì)聚到單點(diǎn)光電傳感器，單點(diǎn)光電傳感器將該采樣光信號(hào)Ii轉(zhuǎn)換為電信號(hào)Ei ； (4)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)電信號(hào)Ei進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到采樣后單點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，即目標(biāo)圖像的一個(gè)像素值糸，其中τ i表示第i個(gè)采樣點(diǎn)的采樣時(shí)刻； (5)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制掃描鏡在兩個(gè)正交方向同時(shí)進(jìn)行周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)周期為T(mén)，重復(fù)(2) —(4)步驟單個(gè)像素值的獲取過(guò)程，得到按照時(shí)間順序排列的mXn個(gè)像素值:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(1)所述的掃描鏡通過(guò)成像鏡頭對(duì)目標(biāo)景物進(jìn)行掃描，按照利薩如軌跡進(jìn)行掃描，其軌跡方程為:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(6)所述的根據(jù)像素點(diǎn)位置與掃描時(shí)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，恢復(fù)出目標(biāo)景物圖像，其步驟如下: (6a)以利薩如軌跡的中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，將掃描區(qū)域在水平和垂直方向上等間距地分割成矩形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格即為像素點(diǎn)，像素點(diǎn)的長(zhǎng)寬比為1:1，像素點(diǎn)的高度為d:

【文檔編號(hào)】H04N5/335GK103969829SQ201410208600
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】馮冬竹, 劉立芳, 余航, 何曉川, 單浩宇, 佘顏, 許錄平 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)