一种基于DMD和线型微镜阵列的光谱成像系统及方法

一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像系统及方法
技术领域
1.本发明涉及光谱成像技术领域，尤其是涉及一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像系统及方法。


背景技术：

2.光谱分辨率是光谱成像系统重要的性能指标之一，可以用来衡量系统区分和识别目标理化性质和组成成分的能力。一般来说，光谱分辨率越高，系统获取的光谱波段数越多，光谱波段宽度越窄，目标的信息越容易区分和识别，针对性也越强。尤其在高光谱遥感领域，只有获取足够高的光谱分辨率，提供丰富的光谱信息，才能更容易区分出光谱特征相近的地表物质。因此，获取高的光谱分辨率对于增强光谱成像系统的检测能力十分重要。
3.在传统的光谱成像系统中，狭缝推扫式是目前比较常用的一大类光谱成像系统。相对于光谱扫描式、快照式等系统，它能提供的光谱分辨率和空间分辨率更高，但这类狭缝推扫式光谱成像系统不得不依靠内置或外置机械狭缝的运动才能实现对目标一维方向的推扫，以此获取目标完整的三维数据立方体，包括二维空间信息与一维光谱信息，因此会存在整机质量体积大、能耗高等问题。
4.基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems,mems)技术加工的器件具有体积小巧、质量轻、能耗低、可定制化等优势，其代表性产品数字微镜器件(digital micromirorr device,dmd)已经被用于光谱成像领域。dmd工作面由数十万甚至数百万个边长为微米级别的微镜构成，每个微镜都具有偏转角度相同、方向相反的正、负两种偏转状态。利用微镜的逐列扫描可替代传统光谱成像系统中的机械狭缝推扫功能(cn105527021 a、cn110132412a等)，这种方式可大大减少系统的体积与质量，降低系统的复杂性，使系统更加小巧与紧凑。但由于dmd微镜的逐列偏转会造成相应的色散光谱在探测器上沿着一个方向偏移，因此需要使用工作面长宽比较大的探测器来容纳所有的色散光谱，以此才能获取较高的光谱分辨率。然而，目前市场上常见的探测器面型多为正方形或者长宽比较小的矩形，因此不利于基于dmd的扫描式光谱成像系统获得高光谱分辨率。虽然拼接若干个探测器可以获得长宽比较大的工作面，但这会大大增加系统的成本，不利于系统的推广与使用。为解决这个问题，一种新的基于dmd的光谱成像系统被提出，其专利申请公布号为cn112484857a，在该系统中，dmd工作面上所有微镜被划分成两部分，转像子系统可以改变每部分出射光线光轴的位置，使到达在探测器上的色散光谱不再是只沿一个方向进行偏移，而是沿着两个方向进行偏移，如图1所示，与专利申请公布号为cn105527021 a的发明专利一种基于dmd的扫描式光谱成像系统相比，该种方法可以降低系统对大长宽比探测器面型的需要；同时，在使用相同的探测器条件下，该种方法允许每列微镜偏转产生的色散光谱展开得更宽，系统提供的光谱分辨率也随之提高。然而，色散光谱总长度的减少仍然有限，只能减少到一半，同时两部分色散光谱并行偏移，对探测器工作面上非光谱偏移方向上的长度要求较高，即不小于两部分光谱并行排列的高度，因此，该种方法仍然对探测器工作面选型有特殊要求，系统光谱分辨率得不到大幅度提升。
5.除dmd之外，mems微镜还包含许多种类，其中扫描微镜凭借其出色的扫描能力，已经被广泛地应用在激光雷达、光通信、扫描成像、3d成像等多个领域。与dmd两个固定的偏转角度相比，扫描微镜的偏转角度在一定范围内是可调的，因此偏转角度更加丰富；此外，dmd的微镜单元都为正方形，而扫描微镜单元可定制化能力强，可根据实际需求开发出尺寸、面型和数量不同的微镜阵列。基于mems技术的扫描微镜阵列的引入有望为光谱成像系统获得高光谱分辨率提供新的解决途径。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种无需拼接多个探测器，只需使用常规探测器面型便可获得更宽的色散光谱和更高的光谱分辨率，并且可以有效地降低系统成本的基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像系统及方法。
7.本发明所采用的技术方案是，一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像系统，包括目标、成像子系统、dmd工作面、位于dmd工作面上的若干个微镜扫描单元、线型微镜阵列、固定点m、分光子系统以及探测器工作面，所述线型微镜阵列包括若干个线型微镜单元，所述线型微镜单元的数量与所述微镜扫描单元的数量相同，其中：
8.所述目标和成像子系统分别位于dmd工作面的物面处和像面处，目标经过成像子系统所成的目标像被dmd工作面的微镜扫描单元按列划分；
9.所述线型微镜阵列位于所述dmd工作面上每个微镜扫描单元处于偏转工作状态时的光线的出射方向上，所述dmd工作面上每个微镜扫描单元处于偏转工作状态时必须将对应列的目标像反射至线型微镜阵列中对应的线型微镜单元上，且经过dmd工作面上每个微镜扫描单元中心的光线同样经过线型微镜阵列中对应的线型微镜单元中心；
10.通过改变线型微镜阵列中每个线型微镜单元的偏转角度，使经过每个线型微镜单元中心的出射光线会聚到固定点m，进入到分光子系统中；
11.进入分光子系统的光线经过准直、色散和聚焦，最终获得的色散光谱成像在探测器工作面的同一位置。
12.本发明的有益效果是：本发明消除了由于dmd微镜按列偏转造成的色散光谱偏移现象，与现有基于dmd的扫描式光谱成像方法相比，在dmd完成对目标像扫描的周期内，本发明获得的色散光谱位置固定不变；本发明克服了光学系统对大长宽比探测器面型的过度依赖，提高了光谱的分辨率；本发明可以大幅度降低色散光谱总长度，允许色散光谱展开得更宽，得到的光谱分辨率也会更高；本发明无需定制大长宽比面型的探测器，大大增加基于mems的扫描式光谱成像系统的普适性，可以有效地降低系统成本，推进其向成本有限的民用化和商用化领域应用与发展。
13.作为优选，所述成像子系统为望远镜头、或显微镜头，用于将目标缩小或放大的像会聚在dmd工作面上；
14.作为优选，所述的dmd工作面为矩形，dmd工作面由dmd微镜阵列构成，dmd微镜阵列的列数和行数分别为a和b，每个dmd微镜阵列由若干个微镜扫描单元构成，每个微镜扫描单元包含m列微镜，每个微镜的宽度为d，目标的像被dmd工作面的微镜扫描单元按列划分成2n+1列(n为正整数)，每个微镜扫描单元包含m列微镜(m为正整数)，每个微镜扫描单元的宽度都为md，且满足m(2n+1)≤a；第n+1个微镜扫描单元的中心为点p，第i个微镜扫描单元的中
心为点pi(i为正整数，i∈[1,2n+1])；每个微镜都只具有偏转角度相同、方向相反的正、负两种偏转状态，偏转角度大多是
±
12
°
，也有
±
10
°
，
±
17
°
等；任意选择其中一种偏转状态作为“on”工作状态，处于该状态下的微镜扫描单元会将选中的目标像反射到线型微镜阵列上；另一种偏转状态作为“off”状态，处于该状态下的微镜扫描单元负责将选中的目标像反射到光谱成像系统外。
[0015]
作为优选，线型微镜阵列为基于mems技术的长条形扫描微镜阵列。
[0016]
作为优选，所述分光子系统包括准直元件、色散元件和聚焦元件，用于将进入的光线进行准直、色散和聚焦，所述分光子系统的光轴经过固定点m。
[0017]
作为优选，所述探测器工作面位于分光子系统的像面位置，用于采集分光子系统出射的色散光谱，探测器工作面的面型为市场上常见的探测器面型。
[0018]
一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像方法，该方法包括下列步骤：
[0019]
步骤1：控制dmd工作面上的第1个微镜扫描单元和对应的线型微镜阵列的第1个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，dmd工作面上其余的微镜扫描单元和线型微镜阵列的其余线型微镜单元处于“off”状态，第1列目标像的光线先后被第1个微镜扫描单元和第1个线型微镜单元反射，然后会聚到固定点m进入分光子系统中，得到的色散光谱会聚在探测器工作面上，探测器工作面记录并存储此时的色散光谱图，第1个微镜扫描单元和第1个线型微镜单元的偏转工作结束，完成了第1列目标像的光谱成像；
[0020]
步骤2：控制dmd工作面的第2个微镜扫描单元和对应的线型微镜阵列的第2个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，其他微镜扫描单元和其他线型微镜单元处于“off”状态，第2列目标像的光线先后被第2个微镜扫描单元和第2个线型微镜单元反射，最后由固定点m5进入到分光子系统中，得到的色散光谱会聚在探测器工作面上，探测器工作面记录并存储此时的色散光谱图，第2个微镜扫描单元和第2个线型微镜单元的偏转工作结束，完成了第2列目标像的光谱成像；
[0021]
步骤3：分别控制dmd工作面的第3、4
……
2n个微镜扫描单元和对应的线型微镜阵列的第3、4
……
2n个线型微镜单元按顺序同时处于“on”工作状态，探测器工作面同步记录并存储相应的色散光谱图，完成第3、4
……
2n列目标像的光谱成像；
[0022]
步骤4：控制dmd工作面的第2n+1个微镜扫描单元和对应的线型微镜阵列的第2n+1个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，其他微镜扫描单元和其他线型微镜单元处于“off”状态，第2n+1列目标像的光线先后被第2n+1个微镜扫描单元和第2n+1个线型微镜单元反射，最后由固定点m进入到分光子系统中，得到的色散光谱会聚在探测器工作面，探测器工作面记录并存储此时的色散光谱图，第2n+1个微镜扫描单元和第2n+1个线型微镜单元的偏转工作结束，完成了第2n+1列目标像的光谱成像；
[0023]
步骤5：对探测器工作面采集到的2n+1幅色散光谱图进行数据处理，得出目标的二维空间景象和一维光谱信息，即完整的三维数据立方体。
[0024]
采用上述一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像方法，该方法消除了由于dmd微镜按列偏转造成的色散光谱偏移现象，与现有基于dmd的扫描式光谱成像方法相比，在dmd完成对目标像扫描的周期内，本方法获得的色散光谱位置固定不变，且本方法克服了光学系统对大长宽比探测器面型的过度依赖，提高了光谱的分辨率；本方法还可以大幅度降低色散光谱总长度，允许色散光谱展开得更宽，得到的光谱分辨率也会更高；本方法无需定制
大长宽比面型的探测器，大大增加基于mems的扫描式光谱成像系统的普适性，可以有效地降低系统成本，推进其向成本有限的民用化和商用化领域应用与发展。
附图说明
[0025]
图1为现有的两种基于dmd的扫描式光谱成像方法中色散光谱位置变化对比图；
[0026]
图2为本发明一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像系统组成示意图；
[0027]
图3为本发明中目标像被dmd工作面的微镜扫描单元按列划分情况示意图；
[0028]
图4为本发明中线型微镜阵列的组成示意图；
[0029]
图5为本发明中dmd工作面、线型微镜阵列和固定点m相对位置分布示意图；
[0030]
图6为图5中a处的放大图；
[0031]
图7为本发明一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像方法的光谱采集原理示意图；
[0032]
图8为本发明中第1列目标像光谱采集原理示意图；
[0033]
图9为本发明中第2列目标像光谱采集原理示意图；
[0034]
图10为本发明中第2n+1列目标像光谱采集原理示意图；
[0035]
图11为本发明中实施例二中dmd工作面、线型微镜阵列和固定点m相对位置分布示意图；
[0036]
图12为图11中b处的放大图；
[0037]
如图所示：1、目标；2、成像子系统；3、dmd工作面；3-0、微镜扫描单元；3-1、dmd工作面第1个微镜扫描单元；3-2、dmd工作面中间微镜扫描单元；3-3、dmd工作面最后1个微镜扫描单元；4、线型微镜阵列；4-0、线型微镜单元；4-1、线型微镜阵列第1个线型微镜单元；4-2、线型微镜阵列中间线型微镜单元；4-3、线型微镜阵列最后1个线型微镜单元；5、固定点m；6、分光子系统；7、探测器工作面；8、经过dmd工作面第1个微镜扫描单元中心的光线；9、经过dmd工作面中间微镜扫描单元中心的光线；10、经过dmd工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线。
具体实施方式
[0038]
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
[0039]
本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
[0040]
本发明目的在于提供一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像系统与方法，通过在dmd和分光子系统之间增加一个线型微镜阵列，控制其每个线型微镜单元偏转一定的角度，使得经线型微镜阵列反射后的出射光线可以在相同位置进入到分光子系统中，这样dmd微镜按列扫描所产生的色散光谱不再沿着一个方向进行偏移，而是分布在探测器工作面上的固定位置，从而大幅度减少色散光谱总长度，降低系统对大长宽比探测器工作面的需求。
[0041]
实施例一：
[0042]
本实施例提出的一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像系统，参阅图2，该系统包括目标1、成像子系统2、dmd工作面3、dmd工作面第1个微镜扫描单元3-1、dmd工作面中间微镜扫描单元3-2、dmd工作面最后1个微镜扫描单元3-3、线型微镜阵列4、线型微镜阵列第1个线型微镜单元4-1、线型微镜阵列中间线型微镜单元4-2、线型微镜阵列最后1个线型微镜单元4-3、固定点m5、分光子系统6、探测器工作面7、经过dmd工作面第1个微镜扫描单元中心的光线8、经过dmd工作面中间微镜扫描单元中心的光线9和经过dmd工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线10。本系统中选取dmd工作面3包括了三个微镜扫描单元3-0，即dmd工作面第1个微镜扫描单元3-1、dmd工作面中间微镜扫描单元3-2以及dmd工作面最后1个微镜扫描单元3-3；选取线型微镜阵列4包括三个线型微镜单元4-0，即线型微镜阵列第1个线型微镜单元4-1、线型微镜阵列中间线型微镜单元4-2以及线型微镜阵列最后1个线型微镜单元4-3。目标1和dmd工作面3分别置于成像子系统2的物面处和像面处，目标1经过成像子系统2所成的目标像被dmd工作面3的微镜扫描单元按列划分。线型微镜阵列4位于dmd工作面3微镜扫描单元处于偏转工作状态时的光线出射方向上，线型微镜阵列4中线型微镜单元数量与dmd工作面3中微镜扫描单元数量相同，要求dmd工作面3中每个微镜扫描单元处于偏转工作状态时必须将对应列的目标像反射至线型微镜阵列4中对应的线型微镜单元上，同时要求经过dmd工作面3每个微镜扫描单元中心的光线同样经过线型微镜阵列4中对应的线型微镜单元中心，例如，经过dmd工作面第1个微镜扫描单元中心的光线8、经过dmd工作面中间微镜扫描单元中心的光线9和经过dmd工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线10分别经过线型微镜阵列4的第1个线型微镜单元4-1、中间线型微镜单元4-2和最后1个线型微镜单元4-3的中心。通过改变线型微镜阵列4中每个线型微镜单元的偏转角度，使得经过每个线型微镜单元中心的出射光线可以在同一位置，即固定点m5，进入到分光子系统6中。进入到分光子系统6的光线会被准直、色散和聚焦，最终获得的色散光谱会成像在探测器工作面7的同一位置。
[0043]
图2中，成像子系统2采用望远镜头，负责将目标1缩小的像会聚在dmd工作面3上。
[0044]
dmd工作面3为矩形，参阅图3，它由dmd微镜阵列构成，dmd微镜阵列的列数和行数分别为a＝1024和b＝768，每个微镜的宽度为d＝13.68μm，目标1的像被dmd工作面3的微镜扫描单元按列划分成341列，n＝170，每个微镜扫描单元包含m＝3列微镜，每个微镜扫描单元的宽度都为md＝41.04μm，满足m(2n+1)≤a。第171个微镜扫描单元的中心为点p，那么第i个微镜扫描单元的中心为点pi(i为正整数，i∈[1,341])。每个微镜都只具有偏转角度相同、方向相反的正、负两种偏转状态，偏转角度为
±
12
°
。选择偏转角度为12
°
的偏转状态作为“on”工作状态，处于该状态下的微镜扫描单元会将选中的目标像反射到线型微镜阵列4上；另一种偏转状态作为“off”状态，处于该状态下的微镜扫描单元负责将选中的目标像反射到光谱成像系统外。
[0045]
线型微镜阵列4为基于mems技术的长条形扫描微镜阵列，参阅图4，线型微镜阵列4包含341个线型微镜单元，n＝170，每个线型微镜单元的宽度为t＝90μm，第171个线型微镜单元的中心为点q，第i个线型微镜单元的中心为点qi(i为正整数，i∈[1,341])。参阅图5，dmd工作面3与线型微镜阵列4所在平面的延长线交于o点，所成夹角为α＝40
°
，op的长度为p＝188cm，oq的长度为q＝141cm；线型微镜阵列4中第i个线型微镜单元处于“on”工作状态
时，其偏转角度为θi，会将来自dmd工作面3中第i个微镜扫描单元中心的光线反射至固定点m5，mp与po所成夹角∠mpo为β＝25
°
，mp的长度为l＝109cm；根据上述五个已知参量，引入中间变量∠opiqi＝ωi、和∠piqim＝γi，那么θi的求解方法如下：
[0046]
其中：
[0047][0048][0049][0050][0051][0052][0053][0054][0055]
固定点m5为所有经过线型微镜阵列4中处于“on”工作状态下的线型微镜单元中心的出射光线的交点。
[0056]
所述的分光子系统6包含准直元件、色散元件和聚焦元件，负责将进入的光线进行准直、色散和聚焦，要求分光子系统6的光轴经过固定点m5。
[0057]
所述的探测器工作面7位于分光子系统6的像面位置，负责采集分光子系统6出射的色散光谱，探测器工作面7的面型为市场上常见的探测器面型。
[0058]
所述的经过dmd工作面第1个微镜扫描单元中心的光线8分别途经dmd工作面3的第1个微镜扫描单元3-1的中心、线型微镜阵列4的第1个线型微镜单元4-1的中心和固定点m5。
[0059]
所述的经过dmd工作面中间微镜扫描单元中心的光线9分别途经dmd工作面3的中间微镜扫描单元3-2的中心、线型微镜阵列4的中间线型微镜单元4-2的中心和固定点m5。
[0060]
所述的经过dmd工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线10分别途经dmd工作面3的最后1个微镜扫描单元3-3的中心、线型微镜阵列4的最后1个线型微镜单元4-3的中心和固定点m5。
[0061]
本发明提出的一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像方法的光谱采集原理如图6所示。通过控制341个微镜扫描单元和341个线型微镜单元同时按顺序处于“on”工作状态，
实现对目标像的按列扫描，进而在探测器工作面7的同一位置上获得341幅色散光谱图，完成目标三维数据立方体的采集。本发明提出的一种基于dmd的光谱成像方法的光谱采集原理过程具体包括以下步骤：
[0062]
步骤1：参阅图6，控制dmd工作面3的第1个微镜扫描单元和线型微镜阵列4的第1个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，其他微镜扫描单元和其他线型微镜单元处于“off”状态，第1列目标像的光线先后被第1个微镜扫描单元和第1个线型微镜单元反射，最后由固定点m5进入到分光子系统6中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面7上；参阅图7，定义光谱色散的方向为x轴方向，与该方向垂直的y轴方向为空间位置方向；第1列目标像的光谱沿x轴方向按不同波长依次展开，在y轴方向上得到不同空间位置对应的光谱分量；探测器工作面7记录并存储了第1列目标像的色散光谱图，第1个微镜扫描单元和第1个线型微镜单元的偏转工作结束，完成了第1列目标像的光谱成像；
[0063]
步骤2：参阅图6，控制dmd工作面3的第2个微镜扫描单元和线型微镜阵列4的第2个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，其他微镜扫描单元和其他线型微镜单元处于“off”状态，第2列目标像的光线先后被第2个微镜扫描单元和第2个线型微镜单元反射，最后由固定点m5进入到分光子系统6中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面7上；参阅图8，虽然目标像在水平方向发生了偏移，但是其色散光谱在探测器工作面7上的位置并没有改变；探测器工作面7记录并存储此时的色散光谱图，第2个微镜扫描单元和第2个线型微镜单元的偏转工作结束，完成了第2列目标像的光谱成像；
[0064]
步骤3：控制dmd工作面3的第3、4
……
340个微镜扫描单元和线型微镜阵列4的第3、4
……
340个线型微镜单元按顺序同时处于“on”工作状态，探测器工作面7同步记录并存储相应的色散光谱图，完成第3、4
……
340列目标像的光谱成像；
[0065]
步骤4：参阅图6，控制dmd工作面3的第2n+1个微镜扫描单元和线型微镜阵列4的第341个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，其他微镜扫描单元和其他线型微镜单元处于“off”状态，第341列目标像的光线先后被第341个微镜扫描单元和第341个线型微镜单元反射，最后由固定点m5进入到分光子系统6中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面7上；参阅图9，由于不同列目标像的空间位置在x轴方向上的光谱位置不变，所以只要保证探测器工作面7能完整采集到任意一列目标像的色散光谱，便能完成对整个目标的光谱成像；探测器工作面7记录并存储此时的色散光谱图，第341个微镜扫描单元和第341个线型微镜单元的偏转工作结束，完成了第341列目标像的光谱成像；
[0066]
步骤5：对探测器工作面7采集到的341幅色散光谱图进行数据处理，得出目标1的二维空间景象和一维光谱信息，即完整的三维数据立方体，本发明提出的一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像方法的光谱采集过程结束。
[0067]
实施例二：
[0068]
本实施例提出的一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像系统，参阅图2，该系统主要包括目标1、成像子系统2、dmd工作面3、dmd工作面第1个微镜扫描单元3-1、dmd工作面中间微镜扫描单元3-2、dmd工作面最后1个微镜扫描单元3-3、线型微镜阵列4、线型微镜阵列第1个线型微镜单元4-1、线型微镜阵列中间线型微镜单元4-2、线型微镜阵列最后1个线型微镜单元4-3、固定点m5、分光子系统6、探测器工作面7、经过dmd工作面第1个微镜扫描单元中心的光线8、经过dmd工作面中间微镜扫描单元中心的光线9和经过dmd工作面最后1个
微镜扫描单元中心的光线10。目标1和dmd工作面3分别置于成像子系统2的物面处和像面处，目标1经过成像子系统2所成的目标像被dmd工作面3的微镜扫描单元按列划分。线型微镜阵列4位于dmd工作面3微镜扫描单元处于偏转工作状态时的光线出射方向上，线型微镜阵列4中线型微镜单元数量与dmd工作面3中微镜扫描单元数量相同，要求dmd工作面3中每个微镜扫描单元处于偏转工作状态时必须将对应列的目标像反射至线型微镜阵列4中对应的线型微镜单元上，同时要求经过dmd工作面3每个微镜扫描单元中心的光线同样经过线型微镜阵列4中对应的线型微镜单元中心，例如，经过dmd工作面第1个微镜扫描单元中心的光线8、经过dmd工作面中间微镜扫描单元中心的光线9和经过dmd工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线10分别经过线型微镜阵列4的第1个线型微镜单元4-1、中间线型微镜单元4-2和最后1个线型微镜单元4-3的中心。通过改变线型微镜阵列4中每个线型微镜单元的偏转角度，使得经过每个线型微镜单元中心的出射光线可以在同一位置，即固定点m5，进入到分光子系统6中。进入到分光子系统6的光线会被准直、色散和聚焦，最终获得的色散光谱会成像在探测器工作面7的同一位置。
[0069]
所述的成像子系统2是显微镜头，负责将目标1放大的像会聚在dmd工作面3上。
[0070]
所述的dmd工作面3为矩形，参阅图3，它由微镜阵列构成，微镜阵列的列和行分别为a＝1024和b＝768，每个微镜的宽度为d＝13.68μm，目标1的像被dmd工作面3的微镜扫描单元按列划分成511列，n＝255，每个微镜扫描单元包含m＝2列微镜，每个微镜扫描单元的宽度都为md＝27.36μm，满足m(2n+1)≤a。第256个微镜扫描单元的中心为点p，第i个微镜扫描单元的中心为pi(i为正整数，i∈[1,511])。每个微镜都只具有偏转角度相同、方向相反的正、负两种偏转状态，偏转角度为
±
12
°
。选择偏转角度为12
°
的偏转状态作为“on”工作状态，处于该状态下的微镜扫描单元会将选中的目标像反射到线型微镜阵列4上；另一种偏转状态作为“off”状态，处于该状态下的微镜扫描单元负责将选中的目标像反射到系统外。
[0071]
线型微镜阵列4为基于mems技术的长条形扫描微镜阵列，参阅图4，线型微镜阵列4包含511个线型微镜单元，n＝255，每个线型微镜单元的宽度为t＝20μm，第256个线型微镜单元的中心为点q，第i个线型微镜单元的中心为qi(i为正整数，i∈[1,511])。参阅图10，dmd工作面3与线型微镜阵列4所在平面的延长线交于o点，所成夹角为α＝－14
°
，op的长度为p＝95.6cm，oq的长度为q＝127.5cm。线型微镜阵列4中第i个线型微镜单元处于“on”工作状态时，其偏转角度为θi，会将来自dmd工作面3中第i个微镜扫描单元中心的光线反射至固定点m5，mp与po所成夹角∠mpo为β＝152.85
°
，mp的长度为l＝35cm。根据上述五个已知参量，引入中间变量∠opiqi＝ωi、和∠piqim＝γi，θi的求解方法如下：
[0072]
其中：
[0073][0074]
[0075][0076][0077][0078][0079][0080][0081]
所述的固定点m5为所有经过线型微镜阵列4中处于“on”工作状态下的线型微镜单元中心的出射光线的交点。
[0082]
所述的分光子系统6包含准直元件、色散元件和聚焦元件，负责将进入的光线进行准直、色散和聚焦，要求分光子系统6的光轴经过固定点m5。
[0083]
所述的探测器工作面7位于分光子系统6的像面位置，负责采集分光子系统6出射的色散光谱，探测器工作面7的面型为市场上常见的探测器面型。
[0084]
所述的经过dmd工作面第1个微镜扫描单元中心的光线8分别途经dmd工作面3的第1个微镜扫描单元3-1的中心、线型微镜阵列4的第1个线型微镜单元4-1的中心和固定点m5。
[0085]
所述的经过dmd工作面中间微镜扫描单元中心的光线9分别途经dmd工作面3的中间微镜扫描单元3-2的中心、线型微镜阵列4的中间线型微镜单元4-2的中心和固定点m5。
[0086]
所述的经过dmd工作面最后1个微镜扫描单元中心的光线10分别途经dmd工作面3的最后1个微镜扫描单元3-3的中心、线型微镜阵列4的最后1个线型微镜单元4-3的中心和固定点m5。
[0087]
本发明提出的一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像方法的光谱采集原理如图6所示。通过控制511个微镜扫描单元和511个线型微镜单元同时按顺序处于“on”工作状态，实现对目标像的按列扫描，进而在探测器工作面7的同一位置上获得511幅色散光谱图，完成目标三维数据立方体的采集。本发明提出的一种基于dmd的光谱成像方法的光谱采集原理过程具体包括以下步骤：
[0088]
步骤1：参阅图6，控制dmd工作面3的第1个微镜扫描单元和线型微镜阵列4的第1个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，其他微镜扫描单元和其他线型微镜单元处于“off”状态，第1列目标像的光线先后被第1个微镜扫描单元和第1个线型微镜单元反射，最后由固定点m5进入到分光子系统6中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面7上。参阅图7，定义光谱色散的方向为x轴方向，与该方向垂直的y轴方向为空间位置方向。第1列目标像的光谱沿x轴方向按不同波长依次展开，在y轴方向上得到不同空间位置对应的光谱分量。探测器工作面7记录并存储了第1列目标像的色散光谱图，第1个微镜扫描单元和第1个线型微镜单
元的偏转工作结束，完成了第1列目标像的光谱成像；
[0089]
步骤2：参阅图6，控制dmd工作面3的第2个微镜扫描单元和线型微镜阵列4的第2个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，其他微镜扫描单元和其他线型微镜单元处于“off”状态，第2列目标像的光线先后被第2个微镜扫描单元和第2个线型微镜单元反射，最后由固定点m5进入到分光子系统6中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面7上。参阅图8，虽然目标像在水平方向发生了偏移，但是其色散光谱在探测器工作面7上的位置并没有改变。探测器工作面7记录并存储此时的色散光谱图，第2个微镜扫描单元和第2个线型微镜单元的偏转工作结束，完成了第2列目标像的光谱成像；
[0090]
步骤3：控制dmd工作面3的第3、4
……
510个微镜扫描单元和线型微镜阵列4的第3、4
……
510个线型微镜单元按顺序同时处于“on”工作状态，探测器工作面7同步记录并存储相应的色散光谱图，完成第3、4
……
510列目标像的光谱成像；
[0091]
步骤4：参阅图6，控制dmd工作面3的第511个微镜扫描单元和线型微镜阵列4的第511个线型微镜单元同时处于“on”工作状态，其他微镜扫描单元和其他线型微镜单元处于“off”状态，第511列目标像的光线先后被第511个微镜扫描单元和第511个线型微镜单元反射，最后由固定点m5进入到分光子系统6中去，得到的色散光谱会聚在探测器工作面7上。参阅图9，由于不同列目标像的空间位置在x轴方向上的光谱位置不变，所以只要保证探测器工作面7能完整采集到任意一列目标像的色散光谱，便能完成对整个目标的光谱成像。探测器工作面7记录并存储此时的色散光谱图，第511个微镜扫描单元和第511个线型微镜单元的偏转工作结束，完成了第511列目标像的光谱成像；
[0092]
步骤5：对探测器工作面7采集到的511幅色散光谱图进行数据处理，得出目标1的二维空间景象和一维光谱信息，即完整的三维数据立方体，本发明提出的一种基于dmd和线型微镜阵列的光谱成像方法的光谱采集过程结束。