基于mems微扫描镜的单探测器光学成像系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统及方法，主要解决现有装置成像时间长、传感器阵列受限的问题。该装置包括成像镜头、扫描镜、扫描镜驱动模块、会聚透镜、单点光电传感器、模数转换器和数据存储计算模块。目标景物通过成像镜头成像在扫描镜上，扫描镜对目标景物光信号进行采样，会聚透镜将采样信号会聚到单点光电传感器，经过光电和模数转换，得到目标图像的像素值，最后通过恢复算法得到目标图像。本发明采用一个MEMS扫描镜和一个光电传感器，替代传统的光电传感器阵列，降低了对传感器阵列规模的要求，可用于对目标景物进行二维扫描成像。
【专利说明】基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统及方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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I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:
[0007]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；
[0008]扫描镜驱动模块3,米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。
[0009]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:
[0010](I)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 ；
[0011](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Ii,其中Ii表不第i个米样点的光信号，I i mXn, mXn为米样个数；
[0012](3)通过会聚透镜将采样光信号Ii会聚到单点光电传感器，单点光电传感器将该米样光信号Ii转换为电信号Ei ；
[0013](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A其中Ti为第i个采样点的采样时刻；
[0014](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)—⑷步骤单个像素值的获取过程，得到按照时间顺序排列的mXn个像素值:
[0015][Zr1 fx2Ai …Zrmxn]，
[0016]其中，m和η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，T = j,fr为两个正交方向的谐振频率的最大公约数；
[0017](6)数据存储计算模块对mXn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。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0019]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；
[0020]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明系统的结构示意图；
[0022]图2为本发明的方法实现流程图；
[0023]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】
[0024]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
[0025]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:
[0026]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I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；
[0027]扫描镜驱动模块 3，包括跟随器31、CM0S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；
[0028]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;
[0029]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；
[0030]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；
[0031]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。
[0032]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:
[0033]步骤1，将扫描区域进行网格划分。
[0034]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:
【权利要求】
1.一种基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统，包括:成像镜头(I)、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(I)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，用以驱动扫描镜(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。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统，其特征在于，扫描镜驱动模块(3),包括: 跟随器(31)，作为缓冲器，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； 运算放大器(33)，与数据存储计算模块(7)连接，用于放大方波信号电压； 数模转换器(34)和滑动变阻器(35)，与运算放大器(33)连接，用于调节输出的方波信号电压。
3.一种基于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Ii，其中Ii表不第i个米样点的光信号，mXn, mXn为米样个数； (3)通过会聚透镜将采样光信号Ii会聚到单点光电传感器，单点光电传感器将该采样光信号Ii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糸，其中τ i表示第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mXn个像素值:
4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(1)所述的扫描镜通过成像镜头对目标景物进行扫描，按照利萨如轨迹进行扫描，其轨迹方程为:
5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(6)所述的根据像素点位置与扫描时间的一一对应关系，恢复出目标景物图像，其步骤如下: (6a)以利萨如轨迹的中心点为基准，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，网格即为像素点，像素点的长宽比为1:1，像素点的高度为d:
【文档编号】H04N5/335GK103969829SQ201410208600
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】冯冬竹, 刘立芳, 余航, 何晓川, 单浩宇, 佘颜, 许录平 申请人:西安电子科技大学