法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-04-26
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G02B26/10 专利号:ZL2014102086007 申请日:20140516 授权公告日:20160413
专利权的终止
2016-04-13
授权
授权
2014-09-03
实质审查的生效 IPC(主分类):G02B26/10 申请日:20140516
实质审查的生效
2014-08-06
公开
公开
技术领域
本发明属于成像技术领域,涉及一种单探测器光学成像系统及方法,可用于对目 标景物进行二维扫描成像。
背景技术
光学成像是人类获取可见光、红外光、多光谱图像信息的重要手段,广泛应用于 天文观测、空间侦察和资源信息探测。传统的成像方法是利用成像镜头将目标景物成 像到传感器阵列,然后通过模数转换器得到图像的数字信号。但是随着社会信息化进 程的加快,由于现有材料、器件、工艺条件的限制,传统的成像方法面临传感器阵列 制造工艺和海量数据存储等难以突破的瓶颈,已经不能满足现有的需求。
目前将微电子机械系统MEMS微扫描镜应用于光学成像的研究还很少,而且微扫 描镜的作用是对入射光源进行光路调制,即将光源按照扫描顺序依次反射到目标景物, 然后传感器依次采集目标景物反射的光信号,但是这种方法并未突破传感器阵列的限 制,而且结构复杂。
近年来,基于压缩感知理论的单像素相机成像系统,通过数字微镜芯片随机的将 物体投射过来的光线反射到光敏二极管,以实现随机混叠采样。但是由于该相机只用 了一个光电传感器,每次曝光只能实现一次混叠采样,因此完成一次成像需要大量的 独立曝光次数,花费的时间较长。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足,提出一种基于MEMS微扫描镜的单探测器 光学成像系统及方法,以缩短成像所需要的时间,突破传感器阵列的限制,减小光学 系统的复杂性。
为实现上述目的,本发明基于微电子机械系统MEMS微扫描镜的单探测器光学成 像系统,包括:成像镜头1、扫描镜2、扫描镜驱动模块3、会聚透镜4、单点光电传 感器5、模数转换器6、数据存储计算模块7;扫描镜2固定于成像镜头1的成像位置, 扫描镜驱动模块3与扫描镜2电连接,会聚透镜4固定于采样信号的光路上,单点光 电传感器5固定于会聚透镜4的焦点处,模数转换器6固定于单点光电传感器5后方, 数据存储计算模块7分别与扫描镜驱动模块3和模数转换器6连接,其特征在于:
扫描镜2,采用一个双轴微型扭转镜,用以在两个正交方向进行周期性摆动,实 现对反射光信号中与会聚透镜4相互垂直的目标景物的光信号采样;
扫描镜驱动模块3,采用两路方波驱动信号,用于驱动扫描镜2在两个正交方向 的周期性摆动,并接收数据存储计算模块7发送的控制信号。
为实现上述目的,本发明基于微电子机械系统MEMS微扫描镜的单探测器光学成 像方法,包括如下步骤:
(1)扫描镜通过成像镜头对目标景物进行扫描,使目标景物的入射光信号以非平行 的方式会聚在扫描镜上,得到目标景物的光信号L;
(2)扫描镜通过镜面反射改变光信号L的路径,得到非平行的目标景物反射光信号 L′,并对反射光信号L′中与会聚透镜相互垂直的光信号进行采样,得到采样光信号li, 其中li表示第i个采样点的光信号,1≤i≤m×n,m×n为采样个数;
(3)通过会聚透镜将采样光信号li会聚到单点光电传感器,单点光电传感器将该采 样光信号li转换为电信号Ei;
(4)利用模数转换器对电信号Ei进行模数转换,得到采样后单点数字信号,即目标 图像的一个像素值其中τi为第i个采样点的采样时刻;
(5)通过驱动电路控制扫描镜在两个正交方向同时进行周期性摆动,摆动周期为T, 重复(2)-(4)步骤单个像素值的获取过程,得到按照时间顺序排列的m×n个像素值:
其中,m和n为目标图像的行数和列数,其数值由扫描镜的谐振频率决定,fr为两个正交方向的谐振频率的最大公约数;
(6)数据存储计算模块对m×n个像素值进行存储和计算,根据像素位置与扫描时 间的一一对应关系,恢复出目标景物图像Fig。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
第一,由于采用一个MEMS微扫描镜和一个光电传感器,替代传统的光电传感器阵 列,核心器件简单,避免了阵列传感器的不足;
第二,由于MEMS微型扫描镜的扫描周期短,极大缩短了成像时间,体积小,能耗 低,易于物理实现。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图;
图2为本发明的方法实现流程图;
图3为本发明中像素点位置与时间对应关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
参照图1,本发明基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统,包括成像镜头 1、扫描镜2、扫描镜驱动模块3、会聚透镜4、单点光电传感器5、模数转换器6和数 据存储计算模块7。其中:
扫描镜2,采用一个双轴微型扭转镜,由两路方波信号的控制,能在两个正交方 向周期性摆动,对目标景物进行二维扫描;该扫描镜固定于成像镜头1的成像位置, 用于对目标景物成像,并实现对反射光信号中与会聚透镜4相互垂直的目标景物的光 信号采样,得到二维的目标景物光信号;
扫描镜驱动模块3,包括跟随器31、CMOS开关32、运算放大器33、数模转换器 34和滑动变阻器35;该跟随器31分别与数据存储计算模块7和CMOS开关32连接, 用于保护数据存储计算模块7在电压过高时烧毁芯片,CMOS开关32用于控制方波电 压的输出;该运算放大器33分别与扫描镜2和数据存储计算模块7电连接,用于接收 数据存储计算模块7发送的控制信号,放大方波信号,输出两路方波驱动信号,驱动 扫描镜2在两个正交方向的周期性摆动;该数模转换器34与滑动变阻器35组成调节 模块,并与运算放大器33连接,用于调节输出的方波信号电压;
会聚透镜4,固定于采样信号的光路上,用于将扫描镜2采样后得到目标景物光 信号会聚到单点光电传感器5;
单点光电传感器5,采用但不局限于光电晶体管,其固定在会聚透镜4的焦点处, 用于对采样后光信号进行光电转换,得到电信号;
模数转换器6,固定在单点光电传感器5的后方,并与单点光电传感器5相连, 用于将单点光电传感器5转换的电信号进行模数转换,得到采样后单点数字信号;
数据存储计算模块7,采用FPGA或DSP芯片,其分别与扫描镜驱动模块3和模 数转换器6连接,用于接收模数转换器6的转换数据,实现数据的实时存储与计算, 并产生扫描镜驱动电路3的控制信号。
参照图2,本发明基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像方法,包括如下步骤:
步骤1,将扫描区域进行网格划分。
如图3所示,以利萨如轨迹的中心点为基准点,将扫描区域在水平和垂直方向上 等间距地分割成矩形网状结构,网格的划分标准是要保证每个网格至少有一条扫描轨 迹经过,一个网格即为一个像素点,像素点的高度d为:
其中,fr表示两个正交方向的谐振频率的最大公约数,fx表示x方向的谐振频率。
步骤2,计算目标图像的分辨率。
为了保证图像不畸变,设像素点的长宽比为1:1,所以目标图像的分辨率之比即为 x和y方向上幅值比:
其中,m和n表示目标图像的行数和列数,即目标图像的分辨率,Ax和Ay分别表示 x和y方向上的振幅。
根据y方向上的振幅Ay和单个像素点的宽度d,得到y方向上的分辨率为:
根据x和y方向上幅值比关系,得到d方向上的分辨率为:
步骤3,对目标景物光信号采样。
3.1)根据镜头的成像原理,扫描镜通过成像镜头对目标景物成像,使目标景物的 入射光信号以非平行的方式会聚在扫描镜上,得到目标景物的光信号L;
3.2)扫描镜按照利萨如轨迹对目标景物光信号进行扫描,其轨迹方程为:
其中,x(t)和y(t)分别表示利萨如轨迹x坐标和y坐标,Ax和Ay分别表示x和y方向 上的振幅,fx和fy表示x和y方向上的谐振频率,t表示扫描时刻,和分别表示x和y方 向上的初相位,扫描镜的扫描周期为:
3.3)扫描镜通过镜面反射改变光信号L的路径,得到非平行的目标景物反射光信号 L′,并对反射光信号L′中与会聚透镜相互垂直的光信号进行采样,得到采样光信号li, 其中li表示第i个采样点的光信号,1≤i≤m×n,m×n为采样个数。
步骤4,将采样光信号li转换为数字信号。
4.1)根据会聚透镜的聚焦原理,利用会聚透镜将采样光信号li会聚到单点光电传 感器,单点光电传感器将该采样光信号li转换为电信号Ei,单点光电传感器的响应时间 r应小于采样间隔τ′:
4.2)利用模数转换器对电信号Ei进行采样和量化,得到采样后单点数字信号,即目 标图像的一个像素值其中τi表示第i个采样点的采样时刻。
步骤5,获取全部像素值。
扫描镜驱动模块输出两路方波驱动信号,控制扫描镜在两个正交方向同时进行周 期性摆动,重复步骤3—步骤4单个像素值的获取过程,得到按照时间顺序排列的m×n 个像素值:
其中,表示采样时刻为τi的采样点的像素值。
步骤6,计算像素点位置与扫描时间的一一对应关系。
6.1)求出每个像素点的中心坐标为:
其中,(xp,yq)表示第p行,第q列的像素点坐标,1≤p≤m,1≤q≤n;
6.2)计算出每个像素点中,离像素点中心最近的扫描轨迹上的点坐标,用以近似表 示像素点的坐标:
其中,(x′p,y′q)表示第p行,第q列的像素点的近似坐标,1≤p≤m,1≤q≤n;
6.3)将像素点的坐标(X′,Y′)带入到利萨如轨迹方程,即得到每个像素点的扫描时 刻:
其中,tpq表示第p行,第q列像素点的扫描时刻;
6.4)将像素值对应的采样时刻τi与扫描时刻t按照从左到右、从上到下的顺序进 行匹配,当τi=tpq时,将(p,q)放入匹配向量M中第i个位置,当τi≠tpq时,τi与下一 个扫描时刻进行匹配,直到匹配成功,得到匹配向量M,其中M为m×n维行向量,用 以保存t中与采样时刻τi相匹配的扫描时刻tpq的坐标,即保存像素值在图像矩阵F中 的坐标,其中F为m行n列的矩阵,1≤i≤m×n,1≤p≤m,1≤q≤n。
步骤7,恢复目标景物图像。
根据像素点位置与扫描时间的一一对应关系,按照匹配向量M中第i个元素保存的 坐标信息,将像素值放入图像矩阵F的对应位置,在m×n个像素值全部放入图像矩 阵F后,即得到目标图像Fig,其中1≤i≤m×n。
以上描述仅是本发明的一个具体实例,并不构成对本发明的任何限制。显然对于 本领域的专业人员来说,在了解了本发明内容和原理后,都可能在不背离本发明原理、 结构的情况下,进行形式和细节上的各种修正和改变,但是这些基于本发明思想的修 正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
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