標 題：基于DMD的分辨率可調小型光譜成像系統研制及應用研究
英文標題：Miniaturized DMD-based spectral imaging system with tunable resolution
作 者：董雪
指導教師：虞益挺
培養院系：機電學院
學 科：微機電系統及納米技術
讀博寄語：每一個不曾起舞的日子，都是對生命的辜負。
主要研究內容
人類一直致力于探索微觀世界，挖掘生命醫學、材料科學等領域隱藏的奧秘，而強有力的探測技術才是打開未知世界大門的基礎與工具，其中光學顯微成像技術與光譜檢測技術作為科學檢測技術中杰出的代表，廣受整個科研領域的重視。光學顯微成像技術僅能獲取觀測目標單通道或RGB三通道的空間信息，這些信息是貧乏的，無法通過外觀變化區分物質的異同;雖然光譜檢測技術可通過采集物質對光的吸收、反射和散射等光譜信息分析出其成分組成和化學特性，但這種單點的局域測量方法具有片面性，無法描述整個觀測目標在二維空間上的變化。因此，單一的光學顯微成像技術和光譜檢測技術已經無法滿足當代精準探索微觀世界的要求，為了同時表征空間特征和生化特性，亟需開發一項全新的微觀探測技術。
光譜顯微成像技術綜合了兩門重要的學科：成像學和光譜學，可以提供觀測目標的二維空間特征信息和與生化特征相對應的一維光譜信息，具有“圖譜合一”、非接觸和無損傷等特點，可實現定位、定性甚至定量的分析功能。光譜顯微成像技術的發展與多學科的交叉碰撞將為微觀世界的探索打開新的局面，有望為醫療診斷、新藥研發、以及納米復合材料、生物材料和光電器件的化學和結構分析帶來革命性影響與突破。目前，光譜顯微成像硬件系統的研發是當前科學研究的國際性前沿課題，如何提高系統的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率等探測性能，實現多種生物、材料樣品的高效和無損傷探測，一直是國內外的研究熱點和科研角逐點。
本研究針對現有光譜顯微成像系統的研發過度受制于傳統顯微鏡平臺、空間分辨率和光譜分辨率難以調節等問題，從硬件底層進行創新，結合新興的微機電系統技術，開發出全新的基于數字微鏡器件（Digital Micromirorr Device, DMD）的光譜成像方法及系統，填補我國光譜顯微成像系統自主研發的空白。具體研究內容如下：
1. 基于DMD的光譜成像關鍵方法研究
基于線掃式光譜成像原理，提出一種基于DMD片上掃描的光譜成像方法，代替傳統的機械掃描方法，從而實現系統的緊湊與小型輕量化。通過控制DMD微鏡的按列偏轉，將每列樣品像從左到右依次反射到后續分光子系統中進行分光處理，把每次偏轉的所有列微鏡看成是一個掃描單元，當所有掃描單元全部掃描結束后，探測器也同步記錄了每列樣品像的色散光譜圖，即完成了整個三維數據立方體的采集。通過改變微鏡的掃描列數，可實現分辨率靈活可調。同時，將獲取的色散光譜圖按具體要求劃分成若干個光譜通道，再利用光譜標定確定每個光譜通道在探測器上的空間位置，從每幅色散光譜圖中提取感興趣的光譜通道并進行拼接處理便可重構出任意光譜通道的光譜圖像。
圖1 基于DMD片上掃描的光譜成像方法
2. 基于DMD的光譜成像系統的硬件實現
為滿足系統小型輕量化以及便攜式要求，并兼顧成像質量，在對光路架構進行仿真優化時，要將像差最小、光路總長最小和光學元件數目最少設置為優化目標，并通過調整優化目標的權重進行多次優化，直至滿足指標要求。根據仿真結果，確定所有光學元器件的選型、位置和角度等，并進行相關夾具的設計與加工。此外，為實現樣品反射、透射與熒光三種模式的成像，又開發出了系統的三種功能模塊，并在硬件系統設計時預留出即插即用式接口，方便不同成像模式的快速切換。最終對所有元器件進行裝配與調試，完成系統樣機的試制。
圖2 基于DMD的光譜成像系統三維圖與成像模式示意圖
3. 基于DMD的光譜成像系統的性能測試
以分辨率板作為成像目標，以532nm激光器作為光源，采取透射成像模式，對系統的空間分辨率進行測試。根據獲得的光譜圖像可以得出水平方向（X方向）分辨率與豎直方向（Y方向）的空間分辨率分別為2.76 μm和3.1 μm。
圖3 空間分辨率測量方案與結果
進一步地，為驗證系統對于光譜分析的準確性，以手機屏幕作為測試目標，使用商用海洋光譜儀和基于DMD的光譜成像系統測試手機屏幕分別呈現出紅色、綠色和藍色時的光譜。由于商用海洋光譜儀只具備測量光譜的能力，因此只能獲取光譜曲線。而基于DMD的光譜成像系統不僅可以分析光譜特性，還具備成像能力，可獲得LCD手機屏幕中的像素實際排布。測量結果表明商用海洋光譜儀和基于DMD的光譜成像系統測得的光譜曲線具有很好的一致性，驗證了基于DMD的光譜成像系統對于光譜測量的準確性。
圖4 LCD手機屏幕光譜圖像與光譜曲線
4. 基于DMD的光譜成像系統應用初探
為驗證系統樣機在整個可見光工作波段內的光譜成像能力，以五種顏色和尺寸規格的彩色微球作為測試目標，采用反射式成像模式，并結合k均值聚類算法，最終可成功定位五種類型的彩色微球。
圖5 彩色微球分類結果
為進一步驗證系統的熒光成像功能，利用紅色熒光染料對海拉細胞的蛋白質進行染色，以中心波長為532nm的窄帶激光器作為光源，并搭配532nm陷波濾波片，分別使用基于DMD的光譜成像系統的透射成像模式和熒光式成像模式，可獲取細胞的明場圖像、光譜圖像以及融合圖像。
圖6 HeLa細胞透射與熒光成像
主要創新點
1.提出一種全新的光譜成像方法，利用DMD的片上掃描取代傳統顯微鏡位移平臺的機械式運動，實現系統的緊湊與小型輕量化；
2.提出一種通過改變DMD掃描帶寬實現系統空間分辨率與光譜分辨率可調的方法，解決現有光譜顯微成像系統反復對焦的空間分辨率可調方式，以及光譜分辨率單一的問題，提高系統檢測的靈活性；
3.開發出DMD粗掃、細掃、局部掃和并行掃的多樣化片上掃描模式，提高系統檢測效率，降低光譜數據存儲量與計算量等。
代表性創新成果
一、論文
1. X. Dong, G. Tong, X. K. Song, X. C. Xiao, and Y. T. Yu*. DMD-based hyperspectral microscopy with flexible multiline parallel scanning. Microsyst. Nanoeng., 2021, 7: 68. (IF: 8.006, 1區Top期刊)
2. X. Dong, X. Xiao, Y. Pan, G. Wang, and Y. T. Yu*. DMD-based hyperspectral imaging system with tunable spatial and spectral resolution. Opt. Express, 2019, 27(12): 16995–17006. (IF: 3.833, 2區Top期刊)
3. X. C. Xiao, X. Dong, and Y. T. Yu*. MEMS-based linear micromirror array with a high filling factor for spatial light modulation. Opt. Express, 2021, 29(21): 33785-33794. (IF: 3.833, 2區Top期刊)
4. X. Dong, G. Tong, Y. C. Shi, X. C. Xiao, Q. Zhang, X. Sun, and Y. T. Yu*. Non-paraxial diffraction analysis for developing DMD-based optical systems. Opt. Lett., 2022, major revisions.
二、專利
1. 虞益挺, 董雪, 肖星辰,王光耀, 潘一寧, 基于數字微鏡器件的雙波段光譜成像系統及實現方法, 發明專利, 授權號: ZL201910328550.9, 授權日期: 2021年12月10日.
2. 虞益挺, 董雪, 仝賡, 基于DMD的光譜成像目標檢測方法及系統, 發明專利, 授權號: ZL202011031304.6, 授權日期: 2022年4月19日.
3. 虞益挺, 董雪, 一種基于DMD的光譜成像系統及方法, 發明專利, 公開號: CN112484857A, 申請日期: 2020年11月4日.
4. 虞益挺, 董雪, 仝賡, 肖星辰,宋旋坤, 一種基于DMD的光譜成像目標獲取系統及方法, 發明專利, 公開號: CN112179289A, 申請日期: 2020年9月16日.
5. 虞益挺, 董雪, 蘇揚,一種基于DMD和線型微鏡陣列的光譜成像系統及方法, 發明專利, 公開號: CN114112039A, 申請日期: 2021年10月27日.
6. 虞益挺, 蘇揚, 董雪, 石穎超, 一種基于MEMS的光譜成像系統及方法, 發明專利, 公開號: CN114485935A, 申請日期: 2021年12月25日.
7. 虞益挺, 蘇揚, 董雪, 石穎超, 一種基于MEMS光柵反射鏡的光譜成像系統及方法, 發明專利, 公開號: CN114485935A, 申請日期: 2021年12月31日.
8. 虞益挺, 肖星辰, 董雪,一種二維微機械雙向扭轉鏡陣列及其制作方法, 發明專利, 公開號: CN114408854A, 申請日期: 2021年12月16日.
9. Yiting Yu, Xue Dong, Guangyao Wang, and Yining Pan. 2020 Dual-band spectral imaging system based on digital micromirror device and implementation method thereof,美國發明專利, 申請號: US16/851356. 申請日期: 2020年4月17日.
