一种基于DMD的多目标成像光谱系统及方法与流程

本发明涉及天体成像光谱技术领域，特别是涉及一种基于dmd的多目标成像光谱系统及方法。

背景技术：

天文和天体物理学领域里面的大视场、大样本天文学研究需要大量天体的光谱数据为基础，多目标光谱仪作为目前天体光谱获取效率最高的仪器可以很好的解决这个问题。

随着微光电器件技术的发展，多目标光谱技术开始朝着小型化和智能化方向发展，出现了以dmd(数字微镜装置，digitalmicromirrordevice)为多目标选择器件的多目标成像光谱仪。dmd芯片通常只有火柴盒大小，但可以排列多达80万-100万面小反射镜，反射镜之间是相互独立的，并且每个小反射镜都可以以非常高的切换频率在正负两个极限位置自由切换。dmd技术摒弃了传统意义上的光学会聚概念，可以任意设定焦平面的有效区域，调整起来十分方便，并且易于实现小型化，在制造技术逐渐成熟以后成本也得到了很好的控制。凭借dmd的可编程控制功能基于dmd开发的多目标成像光谱仪可以实现对二维视场范围内的多个目标进行同时探测。

基于dmd的多目标成像光谱仪由成像通道和光谱通道共同组成，两个通道间的切换是基于微镜单元的翻转功能实现的。对多目标进行探测经常会碰到两个相邻目标距离非常近的情况，如果不做处理直接导入光谱通道进行分光则会导致这两个目标的光谱交叠在一起，无法获取它们各自的光谱。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种解决传统多目标光谱仪在解决光谱重叠问题上需要花费大量时间的问题的基于dmd的多目标成像光谱系统。

一种基于dmd的多目标成像光谱系统，包括dmd、与dmd连接的控制器、成像通道及光谱通道；所述dmd分别与成像通道及光谱通道间隔设置；所述控制器用于控制所述dmd的所有微镜单元在第一位置时将获取的光学信息投射至所述成像通道；所述成像通道用于对所述光学信息进行成像并且获取两个以上目标点，所述两个以上的目标点包括第一部分及第二部分；所述控制器还用于先控制所述dmd与第一部分对应的微镜单元转动至第二位置并将光投射至光谱通道，由光谱通道获取第一部分的光谱信息；再控制所述dmd与第一部分对应的微镜单元转动第一位置；最后控制所述dmd与第二部分对应的微镜单元转动至第二位置并将光投射至光谱通道，由光谱通道获取第二部分的光谱信息。

本发明还提供一种基于dmd的多目标成像光谱方法，包括以下步骤：

控制dmd的所有微镜单元在第一位置时将获取的光学信息投射至成像通道；

成像通道对所述光学信息进行成像并且获取两个以上目标点，所述两个以上的目标点包括第一部分及第二部分；

控制所述dmd与第一部分对应的微镜单元转动至第二位置并将光投射至光谱通道，由光谱通道获取第一部分的光谱信息；

控制所述dmd与第一部分对应的微镜单元转动第一位置；

控制所述dmd与第二部分对应的微镜单元转动至第二位置并将光投射至光谱通道，由光谱通道获取第二部分的光谱信息。

本发明利用dmd的微镜单元可在第一位置与第二位置快速切换这一特性将毗邻目标分次导入到光谱通道进行分光，有效的解决了光谱重叠的问题。由于dmd的切换速度极快，与传统多目标光谱仪相比观测效率的优势非常明显。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于dmd的多目标成像光谱系统的结构示意图；

图2为图1所示的基于dmd的多目标成像光谱系统应用场景示意图；

图3为图2所示的成像通道获取的图像；

图4为图1所示的成像通道获取的目标点一次性同时投向光谱通道时光谱通道获取的光谱图；

图5为所示的成像通道获取的目标点分两次投向光谱通道时光谱通道获取的第一光谱图及第二光谱图；

图6为本发明提供的一种基于dmd的多目标成像光谱方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种基于dmd的多目标成像光谱系统100，包括dmd、与dmd连接的控制器10、成像通道20及光谱通道30；所述dmd分别与成像通道20及光谱通道30间隔设置；所述控制器10用于控制所述dmd的所有微镜单元在第一位置时将获取的光学信息投射至所述成像通道20；所述成像通道20用于对所述光学信息进行成像并且获取两个以上目标点，所述两个以上的目标点包括第一部分及第二部分；所述控制器10还用于先控制所述dmd与第一部分对应的微镜单元转动至第二位置并将光投射至光谱通道30，由光谱通道30获取第一部分的光谱信息；再控制所述dmd与第一部分对应的微镜单元转动至第一位置；最后控制所述dmd与第二部分对应的微镜单元转动至第二位置并将光投射至光谱通道，由光谱通道获取第二部分的光谱信息。

在本实施方式中，所述控制器10还用于将第一部分的光谱信息及第二部分的光谱信息融合形成目标光谱信息。图像融合(imagefusion)是指将多源信道所采集到的关于同一目标的图像数据经过图像处理和计算机技术等，最大限度的提取各自信道中的有利信息，最后综融合形成高质量的图像，以提高图像信息的利用率、改善计算机解译精度和可靠性、提升原始图像的空间分辨率和光谱分辨率，利于监测。

在本实施方式中，所述成像通道20及所述光谱通道30位于所述dmd的左右两侧；所述第一位置是指微镜单元位置左边的极限位置，所述第二位置是指微镜单元位置右边的极限位置。

所述成像通道可以包括聚焦元件及光探测器阵列，其中聚焦元件可以包括凸透镜及凹透镜的组合，光探测器阵列用于放置于焦平面，并用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是ccd阵列或其它种类的光探测器阵列。

所述光谱通道可以由入射狭缝、准直元件、色散元件、聚焦元件及探测器阵列组组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。入射狭缝用于在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。准直元件用于使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。色散元件用于通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。聚焦元件用于聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。探测器阵列用于放置于焦平面，并用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是ccd阵列或其它种类的光探测器阵列。在其他实施方式中，光谱通道也可以是其他结构。

在本实施方式中，所述第一部分包含的目标点的数量大于所述第二部分包含的目标点的数量。

更具体的，所述第二部分包含的目标点的数量为一个以上；所述第二部分包含的目标点的数量为一个。

进一步的，基于dmd的多目标成像光谱系统还包括前段望远装置40，用于获取天体的光学信息并投射至所述dmd。

请参阅图2，为图1所示的基于dmd的多目标成像光谱系统100应用场景示意图。在初始状态下，dmd所有微镜单元都翻转至最左边的极限位置，二维视场内的全部光学信息通过前端望远系统后由dmd的所有微镜单元将光学信息反射进入左侧的成像通道进行光学成像，然后通过图像处理找到有价值的目标点(即目标天体的成像点)；接下来控制器分两次将这些目标点对应的微镜单元翻转至最右边的极限位置，将这些目标点分两次导入到光谱通道进行光谱分析。由于微镜单元的翻转速度极快，因此系统相当于在同一时间获取目标点的图像信息与光谱信息。

如图3所示，为图1所示的基于dmd的多目标成像光谱系统100在一个具体实例应用中的第一阶段的示意图，前端望远系统视场范围内共有编号为a、b、c、d、e、f、g共七个目标点，其中编号为e和f的两个目标在光谱的色散方向和非色散方向上距离都很近，如果直接对这两个目标分光它们的光谱会交叠在一起。由于，本发明基于dmd的多目标成像光谱系统的目标区域、成像通道探测器像元、dmd微镜单元与光谱通道探测器像元之间有着严格的对应关系，利用这一特性可以通过将毗邻目标点分次导入的方式来解决光谱重叠的问题。由于微镜单元的切换速度极快，可以达到毫秒量级，因此本发明基于dmd的多目标成像光谱系统可以在近乎同一时间准确获取毗邻目标e和f的各自光谱，相比之下无论是传统固态狭缝模板还是光纤型多目标光谱仪在解决光谱重叠这个问题都需要花费大量时间，由此可见该方法的优势十分明显。

根据光学特性可知dmd成像光谱仪的视场、dmd微镜单元、成像通道探测器像元、光谱通道探测器像元之间存在严格的对应关系。如图2所示，初始状态将dmd的所有微镜单元都调整至指向成像通道，这时成像通道探测器可以记录下目标视场的图像信息，通过图像处理找到有价值的观测目标，分别标记为a、b、c、d、e、f、g，由于e和f这两个目标相距很近，直接分光他们的光谱会叠加在一起。为解决这一问题我们先把与a、b、c、d、e、g这六个目标点对应的微镜单元调整至指向光谱通道，对这六个目标点其进行分光，在得到它们的光谱后把上述微镜单元调整回指向图像通道的位置。接下来把与f对应的微镜单元整至指向光谱通道，对目标f进行分光，在获得目标f的光谱后与a、b、c、d、e、g融合在一起并与成像通道获取的图像进行耦合就可以得到目标视场的全部图谱信息。

本发明的目的是解决传统多目标光谱仪在解决光谱重叠问题上需要花费大量时间的问题。利用dmd的微镜单元可在正负两个极限位置(即第一位置与第二位置)快速切换这一特性将毗邻目标分次导入到光谱通道进行分光，有效的解决了光谱重叠的问题。由于dmd的切换速度极快，与传统多目标光谱仪相比观测效率的优势非常明显。

如图5所示，本发明还提供一种基于dmd的多目标成像光谱方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：控制dmd的所有微镜单元在第一位置时将获取的光学信息投射至成像通道；

s2：成像通道对所述光学信息进行成像并且获取两个以上目标点，所述两个以上的目标点包括第一部分及第二部分；

s3：控制所述dmd与第一部分对应的微镜单元转动至第二位置并投射至光谱通道，由光谱通道获取第一部分的光谱信息；

s4：控制所述dmd与第一部分对应的微镜单元转动第一位置；

s5：控制所述dmd与第二部分对应的微镜单元转动至第二位置并投射至光谱通道，由光谱通道获取第二部分的光谱信息。

所述基于dmd的多目标成像光谱方法，进一步包括步骤s6:将第一部分的光谱信息及第二部分的光谱信息融合形成目标光谱信息。

所述基于dmd的多目标成像光谱方法中，所述第一部分包含的目标点的数量大于所述第二部分包含的目标点的数量；更具体的，所述第二部分包含的目标点的数量为一个以上；所述第二部分包含的目标点的数量为一个。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。