[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

说明书

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：