[发明专利]基于MEMS微扫描镜的单探测器光学成像系统及方法

权利要求书

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(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l_i，其中l_i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l_i会聚到单点光电传感器，单点光电传感器将该采样光信号l_i转换为电信号E_i；

(4)利用模数转换器对电信号E_i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m×n个像素值：

其中，m和n表示目标图像的行数和列数,其数值由扫描镜的谐振频率决定，f_r表示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，根据像素点位置与扫描时间的一一对应关系，恢复出目标景物图像Fig。

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：

其中，x(t)和y(t)分别为利萨如轨迹x坐标和y坐标，A_x和A_y分别为x和y方向上的振幅，f_x和f_y为x和y方向上的谐振频率，t为扫描时刻，和分别代表x和y方向上的初相位。

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：

其中，A_y表示y方向上的振幅，f_r为扫描频率，f_x为x方向的谐振频率；

(6b)求出每个像素点的中心坐标为：

其中，(x_p,y_q)表示第p行，第q列的像素点坐标，1≤p≤m,1≤q≤n；

(6c)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；

(6d)将(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，t_pq表示第p行，第q列像素点的扫描时刻；

(6e)将像素值对应的采样时刻τ_i与扫描时刻t按照从左到右、从上到下的顺序进行匹配，当τ_i＝t_pq时，将(p,q)放入匹配向量M中第i个位置，当τ_i≠t_pq时，τ_i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τ_i相匹配的扫描时刻t_pq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；

(6f)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。