CN117824834A - 一种可抑制中心波长漂移的mems光谱成像***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要提供了一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***及方法，属于光谱测量成像校准技术领域，将MEMS法布里珀罗干涉腔安装于图像传感器CMOS与光学成像镜头之间，在光学成像镜头内对光束进行校准，使得通过腔体的光束的主光线以平行于法布里珀罗干涉腔玻璃平片的法线方向进入，使得每个视场经过法布里珀罗干涉腔的主光线的光程之间的差异小于2％。本发明在面曝光的场景下，提出了一种可以从根本上实现基于MEMS光谱成像的中心波长漂移抑制的***与方法，光谱漂移的程度降低了20倍；极大的提升了基于MEMS实现面曝光的光谱成像相机的实用性、经济性、准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量成像校准技术领域，尤其涉及一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***及方法。
背景技术
光谱成像基于光学信息与空间信息相结合的原理，通过引导入射光至被观察物体表面，与物体相互作用后，利用光谱仪器对反射或透射出的光进行分解，获取物体在不同波长上的光谱信息。通过适当的光学设计和检测器，形成图像并以波谱立方体的形式呈现。高光谱成像在相对较宽的波长范围内获取高分辨率的光谱信息，用于详细的光谱特征提取，广泛应用于科学研究、医学、环境监测等领域，为物体的材料组成、化学特性等提供了精确的分析和识别。
现有的光谱相机的技术路线大多为线扫描，本发明针对的是光谱相机中的面曝光的技术路线。光谱相机中使用面曝光获得光谱立方体的技术路线主要是通过MEMS的手段构建F-P腔(法布里珀罗干涉腔)，通过控制MEMS中两块平行平板实现F-P腔的变化从而实现波长选择。
在光学***中引入F-P腔，实现波长选择进而实现分光的机理必然无法忽视光程差的影响。对于使用准直光路的***而言，所有的光路都在主光轴附近，准直光路的特点避免了在F-P腔中出现的光程差的问题。而在光谱相机的应用场景下，无可避免的需要考虑轴外光路的影响，这也是实现相机视角应用的基础。而在这种条件下，再使用F-P腔进行波长选择，则对于进入F-P腔的光束而言，主光轴上的光程与轴外视场的光程显然将会不一致。而这种不一致随着视场角的增加而增加，这将会给最终的光谱成像的效果带来负面的影响。这意味着，画幅中心的主波长与画幅边缘的主波长不一致，最终出现中心波长角度依赖漂移的现象。这种负面的现象将会削弱光谱相机可使用的视场范围，同时也会带来检测上的误差。
发明内容
针对上述问题，本发明第一方面提出了一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***，光谱成像***结构包括光学成像镜头、MEMS法布里珀罗干涉腔和图像传感器CMOS，将MEMS法布里珀罗干涉腔安装于图像传感器CMOS与光学成像镜头之间，所述光学成像镜头内设置有纠正镜头***，所述纠正镜头***用于对光束校准，使得通过腔体的光束的主光线以平行于法布里珀罗干涉腔玻璃平片的法线方向进入，使得每个视场经过法布里珀罗干涉腔的主光线的光程之间的差异小于2％。
优选的，所述纠正镜头***为以下成像镜头***中的任意一种，包括：全球面镜组成的成像镜头***，球面镜与非球面镜组成的复合成像镜头***，球面镜与自由曲面镜组成的复合成像镜头***，反射式自由曲面组成的成像镜头***，球面镜、自由曲面和光纤组成的复合成像镜头***，球面镜、自由曲面和复眼透镜阵列组成的复合成像镜头***。
优选的，所述全球面镜组成的成像镜头***结构包括前组透镜、光阑和后组透镜；所述光阑位于前组透镜和后组透镜的中间；所述MEMS法布里珀罗干涉腔位于后组透镜和图像传感器中间。
优选的，所述全球面镜组成的成像镜头***，其中所述前组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为-1.2476；所述后组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为0.7576；成像镜头***焦长之比为0.2353；成像镜头***的后焦距与焦距之比为0.5733。
优选的，所述MEMS法布里珀罗干涉腔距离图像传感器CMOS间隙与法布里珀罗腔距离光学成像镜头的间隙之比设置为0.35～0.5之间。
本发明第二方面提供了一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像方法，将MEMS法布里珀罗干涉腔安装于图像传感器CMOS与光学成像镜头之间，在光学成像镜头内对光束进行校准，使得通过腔体的光束的主光线以平行于法布里珀罗干涉腔玻璃平片的法线方向进入，使得每个视场经过法布里珀罗干涉腔的主光线的光程之间的差异小于2％。
优选的，所述在光学成像镜头内对光束进行校准是采用纠正镜头***来实现，所述纠正镜头***采用以下成像镜头***中的任意一种，包括：全球面镜组成的成像镜头***，球面镜与非球面镜组成的复合成像镜头***，球面镜与自由曲面镜组成的复合成像镜头***，反射式自由曲面组成的成像镜头***，球面镜、自由曲面和光纤组成的复合成像镜头***，球面镜、自由曲面和复眼透镜阵列组成的复合成像镜头***。
优选的，所述全球面镜组成的成像镜头***结构包括前组透镜、光阑和后组透镜；所述光阑设置于前组透镜和后组透镜的中间；所述MEMS法布里珀罗干涉腔设置于后组透镜和图像传感器中间。
优选的，所述全球面镜组成的成像镜头***，其中所述前组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为-1.2476；所述后组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为0.7576；成像镜头***焦长之比为0.2353；成像镜头***的后焦距与焦距之比为0.5733。
优选的，所述MEMS法布里珀罗干涉腔距离图像传感器CMOS间隙与法布里珀罗腔距离光学成像镜头的间隙之比设置为0.35～0.5之间。
本发明的有益效果说明：
本发明在面曝光的场景下，提出了一种可以从根本上实现基于MEMS光谱成像的中心波长漂移抑制的***与方法，光谱漂移的程度降低了20倍；极大的提升了基于MEMS实现面曝光的光谱成像相机的实用性、经济性、准确性和可靠性。其中，MEMS法布里珀罗干涉腔距离图像传感器CMOS间隙与法布里珀罗腔距离光学成像镜头的间隙之比设置为0.35～0.5之间，在实现本发明目的的基础上，可以获取最好的成像质量。
附图说明
图1为中心波长漂移原理示意图。
图2为中心波长偏移度示例图。
图3为中心波长偏移现象示意图。
图4为本发明抑制中心波长漂移的原理示意图。
图5为实施例中可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***示例图。
图6为归一化视场下每个视场主光线与F-P腔平行平片法线方向的夹角的分布情况示意图。
图7为通过孔径光阑的光束与主光轴呈一定的夹角并沿着主光轴呈对称的效果图。
图8为本实施例中每个视场下，归一化孔径与各视场的主光线的夹角分布。
图9为中心波长漂移曲线归一化再进行叠加后再次归一化的结果示意图。
图10为镜头纠偏后的角度偏移依赖分布示意图。
图11为镜头纠偏后的角度偏移现象示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明进行进一步说明。
F-P腔(法布里珀罗干涉腔)：是由两个平行且部分透明的反射镜构成的光学腔，由于干涉效应，只有特定波长的光能在腔内形成共振，导致一系列通过和抑制的光谱峰。
CRA：主光线角度。
归一化视场(normalized field of view)是指对光学***的视场进行标准化或归一化处理。
归一化孔径(normalized field of Aperture)是一种对光学***参数进行标准化的方法。归一化孔径是指将光学***的孔径大小除以***的某个参考值，以得到一个相对的度量。
主光轴：主光轴是光学***中的一个重要概念，它是指通过光学元件(例如透镜或反射镜)中心的一条虚拟直线，沿这条直线传播的光线不经过光学元件的中心点时也不发生偏折。主光轴通常是光学***的对称轴，沿这个轴对称的物体或场景会在图像中得到对称的表现。
中心波长角度依赖漂移：不同的角度的光束通过法布里珀罗干涉腔体，受到光程差的影响造成所选择的中心波长出现漂移。
光谱成像：一种通过获取不同波长或频率的光谱信息来生成图像的技术。
光谱立方体：指在光谱成像中获得的数据结构，它由三个维度组成，分别对应于两个空间坐标和一个波长(光谱)坐标。光谱立方体是光谱成像产生的数据的一种表示方式，其中每个体素(三维像素)包含了在不同波长下的光谱信息。光谱立方体的形式可以用数学表示为：I(x,y,λ)，其中I是强度，x和y是空间坐标，λ是波长坐标。这个表示方式允许在一个数据集中同时包含空间和光谱信息，使得对于不同波长下的光学特性进行分析成为可能。
BFL(Back Focal Length后焦距)：BFL可以表示透镜或光学***的后焦距，即从透镜表面到其后焦点的距离。后焦距是光学***设计和分析中的重要参数，影响成像性能。
主光线：每一个视场中，通过光阑中心的光线，称之为主光线。
在光谱立方体中，可以通过对特定波长的截面或投影来查看图像的光谱信息，也可以通过对特定空间位置的截面或投影来查看光谱的空间分布。
对于中心波长漂移的根本原因实际上是如图1所示，沿着主光轴的光束经过基于MEMS的法布里珀罗干涉腔，光程为d1；与主光轴呈θ夹角的光线在F-P腔中的光程为d2；则实际上在像面上F-P腔选通的主波长在主光轴上为CWL1，而在轴外视场的主波长为CWL2；CWL1与CWL2的差异源于d2相比d1的光程差的差异为cosθ。
如图2所示，为图1的一个例程；其中，轴外视场的最大夹角约为20°，归一化视场角后，按照[0,0.2,0.4,0.6,0.8,1]，进行视场的分割。
随着视角的变化，在F-P腔中的光程差同步发生变化，当F-P腔在主光轴上，选择的波长通道为800nm，越往轴外，选通的波长发生偏移，最终在夹角为20°时，边缘视场选通的中心波长CWL2为752nm。
中心位置的中心波长相比边缘视角的中心波长漂移可达48nm。
图3为基于图2的计算模型，适配像面为1280×1024像素的CMOS对中心波长角度依赖漂移的理想情况下中心波长的分布情况。
针对这样的漂移现象，本发明提出了一种基于MEMS实现光谱成像的中心波长漂移的抑制***与方法。
图4为抑制中心波长漂移的设计原理。具体为：基于现有的法布里珀罗干涉腔的光谱相机***进行改进，将MEMS法布里珀罗干涉腔安装于图像传感器CMOS与光学成像镜头之间，在光学成像镜头内对光束进行校准，使得通过腔体的光束的主光线以平行于法布里珀罗干涉腔玻璃平片的法线方向进入，使得每个视场经过法布里珀罗干涉腔的主光线的光程之间的差异小于2％。
在光学成像镜头内对光束进行校准可以采用设置纠正镜头***来实现，纠正镜头***采用以下成像镜头***中的任意一种，包括：全球面镜组成的成像镜头***，球面镜与非球面镜组成的复合成像镜头***，球面镜与自由曲面镜组成的复合成像镜头***，反射式自由曲面组成的成像镜头***，球面镜、自由曲面和光纤组成的复合成像镜头***，球面镜、自由曲面和复眼透镜阵列组成的复合成像镜头***。
需要特别说明的是，在本发明中，找到发明问题所在以及提供解决问题的构思，为本发明的关键点所在，而具体地如何使通过腔体的光束的主光线以平行于法布里珀罗干涉腔玻璃平片的法线方向进入，现有技术中存在多种实现方式，本领域技术人员根据需要可以选择任意一种实现方式，本发明采用在光学成像镜头内设置纠正镜头***的方式为目前现有技术中的最优方式。
下面对上所述的全球面镜组成的成像镜头***进行展开说明：
全球面镜组成的成像镜头***结构包括前组透镜、光阑和后组透镜；光阑位于前组透镜和后组透镜的中间；MEMS法布里珀罗干涉腔位于后组透镜和图像传感器中间。其中所述前组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为-1.2476；所述后组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为0.7576；成像镜头***焦长之比为0.2353；成像镜头***的后焦距与焦距之比为0.5733。
上述参数为发明人经过反复实验所得出的最优参数。其中，MEMS法布里珀罗干涉腔距离图像传感器CMOS间隙与法布里珀罗腔距离光学成像镜头的间隙之比设置为0.35～0.5之间，在实现本发明目的的基础上，可以获取最好的成像质量。
本实施例中如图5所示，为光学***的设计实例，此处的光学***参数如下：Fnumber＝4.5；焦距为4.985mm；工作的波长范围是690nm～920nm；光学***采用标准球面镜进行设计。
***的最大视场角约为20°，通过球面镜***控制光束经过最后一片透镜后的CRA与F-P腔平行平片的法线方向平行。
计算归一化视场下的每个主光线与F-P腔平行平片法线方向的夹角，此处的表征为CRA。
本实施例中图6为归一化视场下，每个视场主光线与F-P腔平行平片法线方向的夹角的分布情况。
实际上根据每个视场主光线的夹角可以知道，约束了CRA后，主光线的夹角最大约为1.6°；在满足了相机视场角为40°的同时，约束了落在MEMS上的主光线与F-P腔平行平片法线方向的夹角最大为1.6°，大大的降低了角度依赖偏移的源头。
由于MEMS放置于光学***和像面之间，每一个像素在成像的过程中，本质上都是光束汇聚的结果。位于主光轴上的像素点，除了受到主光轴上光束的影响之外，还受到了通过孔径光阑的光束的影响；而通过孔径光阑的光束将与主光轴呈一定的夹角，并且沿着主光轴呈对称的效果，如图7所示，假设夹角为α。
归一化孔径与各视场的主光线夹角分布主要受到两种变量的影响：***的Fnumber，***的像差。
本实例的***像差处于衍射极限，因此仅考虑***的Fnumber的主光线上下孔径的夹角影响。
本实施案例中，每个视场下，归一化孔径与各视场的主光线的夹角分布，如图8所示。
在0视场条件下***的夹角最大。而实际上此时，经过F-P腔的0视场最终的中心波长是由充满整个光阑口径的光束的合成作用下集合而成的，对于单个视场而言，所实现的波长选择本质上是多个波长叠加的结果，如图9所示。
图9所示，为不考虑F-P腔耗损的理想情况下，将每个孔径造成的中心波长漂移曲线归一化，再进行叠加后再次归一化的结果。
相比0视场0孔径而言，此时的中心波长出现了细微的偏移，同时半高宽也出现了一定的展宽。
依次计算所有的视场此类情况下的中心波长后，得到图10和图11。
经过此方法纠正后的中心波长的偏移相比没有做任何处理的时候(图2)，要小接近20倍。这极大的提升了***的可用性和准确性。
经过本发明提出的这种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***及方法，抑制了中心波长漂移的现象。这种设计方法高效并且有显著的效果。
以上所述结合附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本发明中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***，光谱成像***结构包括光学成像镜头、MEMS法布里珀罗干涉腔和图像传感器CMOS，其特征在于：将MEMS法布里珀罗干涉腔安装于图像传感器CMOS与光学成像镜头之间，所述光学成像镜头内设置有纠正镜头***，所述纠正镜头***用于对光束校准，使得通过腔体的光束的主光线以平行于法布里珀罗干涉腔玻璃平片的法线方向进入，使得每个视场经过法布里珀罗干涉腔的主光线的光程之间的差异小于2％。
2.如权利要求1所述的一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***，其特征在于：所述纠正镜头***为以下成像镜头***中的任意一种，包括：全球面镜组成的成像镜头***，球面镜与非球面镜组成的复合成像镜头***，球面镜与自由曲面镜组成的复合成像镜头***，反射式自由曲面组成的成像镜头***，球面镜、自由曲面和光纤组成的复合成像镜头***，球面镜、自由曲面和复眼透镜阵列组成的复合成像镜头***。
3.如权利要求2所述的一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***，其特征在于：所述全球面镜组成的成像镜头***结构包括前组透镜、光阑和后组透镜；所述光阑位于前组透镜和后组透镜的中间；所述MEMS法布里珀罗干涉腔位于后组透镜和图像传感器中间。
4.如权利要求3所述的一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***，其特征在于：所述全球面镜组成的成像镜头***，其中所述前组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为-1.2476；所述后组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为0.7576；成像镜头***焦长之比为0.2353；成像镜头***的后焦距与焦距之比为0.5733。
5.如权利要求1至4任意一项所述的一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像***，其特征在于：所述MEMS法布里珀罗干涉腔距离图像传感器CMOS间隙与法布里珀罗腔距离光学成像镜头的间隙之比设置为0.35～0.5之间。
6.一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像方法，其特征在于：将MEMS法布里珀罗干涉腔安装于图像传感器CMOS与光学成像镜头之间，在光学成像镜头内对光束进行校准，使得通过腔体的光束的主光线以平行于法布里珀罗干涉腔玻璃平片的法线方向进入，使得每个视场经过法布里珀罗干涉腔的主光线的光程之间的差异小于2％。
7.如权利要求6所述的一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像方法，其特征在于：所述在光学成像镜头内对光束进行校准是采用纠正镜头***来实现，所述纠正镜头***采用以下成像镜头***中的任意一种，包括：全球面镜组成的成像镜头***，球面镜与非球面镜组成的复合成像镜头***，球面镜与自由曲面镜组成的复合成像镜头***，反射式自由曲面组成的成像镜头***，球面镜、自由曲面和光纤组成的复合成像镜头***，球面镜、自由曲面和复眼透镜阵列组成的复合成像镜头***。
8.如权利要求7所述的一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像方法，其特征在于：所述全球面镜组成的成像镜头***结构包括前组透镜、光阑和后组透镜；所述光阑设置于前组透镜和后组透镜的中间；所述MEMS法布里珀罗干涉腔设置于后组透镜和图像传感器中间。
9.如权利要求8所述的一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像方法，其特征在于：所述全球面镜组成的成像镜头***，其中所述前组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为-1.2476；所述后组透镜的焦距与成像镜头***焦距之比为0.7576；成像镜头***焦长之比为0.2353；成像镜头***的后焦距与焦距之比为0.5733。
10.如权利要求6至.8任意一项所述的一种可抑制中心波长漂移的MEMS光谱成像方法，其特征在于：所述MEMS法布里珀罗干涉腔距离图像传感器CMOS间隙与法布里珀罗腔距离光学成像镜头的间隙之比设置为0.35～0.5之间。
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|---|---|---|---|
| CN202410029224.9A Pending CN117824834A (zh) | 2024-01-08 | 2024-01-08 | 一种可抑制中心波长漂移的mems光谱成像***及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117824834A (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120327248A1 (en) * | 2009-11-30 | 2012-12-27 | Imec | Integrated circuit for spectral imaging system |
| EP4123272A1 (en) * | 2021-07-19 | 2023-01-25 | EMPA Eidgenössische Material Prüfungs- und Forschungsanstalt | Frequency shift measurement of frequency combs |
| CN115993187A (zh) * | 2023-02-03 | 2023-04-21 | 优尼科(青岛)微电子有限公司 | 一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法及设备 |
-
2024
- 2024-01-08 CN CN202410029224.9A patent/CN117824834A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120327248A1 (en) * | 2009-11-30 | 2012-12-27 | Imec | Integrated circuit for spectral imaging system |
| EP4123272A1 (en) * | 2021-07-19 | 2023-01-25 | EMPA Eidgenössische Material Prüfungs- und Forschungsanstalt | Frequency shift measurement of frequency combs |
| CN115993187A (zh) * | 2023-02-03 | 2023-04-21 | 优尼科(青岛)微电子有限公司 | 一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法及设备 |
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