高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现.docx

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高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现

第30卷　第5期2009年5月

仪器仪表学报

ChineseJournalofScientificInstrument

Vol130No15May2009

　收稿日期:

2008203　　ReceicedDate:

2008203　3基金项目:

北京市自然科学基金（4062029资助项目

高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现

3

高美静

1,2

金伟其1,王　霞1,徐　超1,陈翼男

1

（1　北京理工大学光电工程系　　（2　燕山大学光电子系摘　要:

研究提出了一种基于光学平板旋转微扫描器的高分辨力显微热成像系统。

给出了微扫描器相关的参数设计、加工容差,并与,。

利用该系统实际采,系统空间分辨力得到提高,可应用于高分辨力显微热分析。

关键词:

;高分辨力;过采样重构中图分类号:

TN211　　:

A　　国家标准学科分类代码:

510.1060

Designandimplementationofopticalmicro2scanningthermal

microscopeimagingsystemwithhighresolution

GaoMeijing1,2

JinWeiqi1

WangXia1

XuChao1

ChenYinan

1

（1DepartmentofOpticalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;

2DepartmentofPhotoelectron,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China

Abstract:

Toimprovethespatialresolutionofthedevelopedthermalmicroscopebasedontheuncooledfocalplanearrays,anovelhighresolutionthermalmicroscopeimagingsystemwithopticalplaterotatingmicro2scannerisde2signed.Theworkingprincipleoftheopticalplaterotatingmicro2scannerisanalyzed.Moreover,theparameterde2sign,theerroranalysis,theprocesstolerance,thetechnicalparametersandthecompositionofthewholesystemareallgiven.Theresultsofstandardoversamplereconstructionforrealthermalmicroscopeimagesshowthatthedesignofsystemissuccessfulandachieveshigherresolution.Thesystemcanbeappliedintomanysystemswhichneedhighspatialresolution.Keywords:

thermalmicroscopeimagingsystem;

opticalplaterotatingmicro2scanner;

highresolution;

oversamplereconstruction

1　引　　言

为了满足大规模集成电路、生物医学和科学研究等领域对细微热分析的需求,国外上世纪90年代开始推出显微热成像系统

[1]

但由于采用制冷型红外探测器作为

成像组件,不仅系统体积重量较大,而且价格昂贵,限制了系统的普及和使用

[2]

。

由于非制冷焦平面探测器具有

较高性价比、无需制冷、功耗低、体积小、重量轻等特

性

[3]

近年来,随着非制冷焦平面探测器的发展和普及,

非制冷焦平面热成像系统也被用于电路板测试评价中,但其光学放大倍率大都小于1,即仍然为缩小成像,对于大规模集成芯片等的检测存在分辨力不足的问题。

作者已研制了一种基于320×240长波非制冷焦平面探测器的显微热像仪

[425]

。

但对于更精细的观察,需要更高的系统空间分辨力。

1038　仪　器　仪　表　学　报第30卷

由于显微红外物镜数值孔径（NA为0.44,即红外光学系统的衍射限截止频率约为44cyc/mm,对于单元尺寸45μm的探测器,其采样率约为22.2cyc/mm,采样奈奎斯特频率为11.11cyc/mm,因此,显微热成像系统属于欠采样系统,可通过提高采样率或减小探测器单元尺寸来提高该显微热像仪的空间分辨力。

采用大面阵小探测器单元的焦平面探测器受到工艺、价格及多种市场因素

限制。

采用光学微扫描技术[527]

是解决这一问题的有效技术之一,它可在现有成像器件基础上提高空间采样率,并通过图像处理方法,提高系统的空间分辨力。

本文介像系统及其设计。

2　图1热像仪及采集的显微热图像

。

图1　基于非制冷焦平面探测器的显微热成像系统及其应用

Fig.1Thermalimagingsystembasedonuncooledfocal

planedetectormicroscopeanditsapplication

光学平板旋转微扫描原理如图2所示,单块红外光

学平板位于红外显微物镜与非制冷焦平面探测器之间,而且与光轴保持一定倾角θ。

如果平板的折射率n、厚度d和倾角θ确定,则当红外辐射穿过平板时由于折射作用,出射光线会在入射面内沿平板倾斜的方向移动距离Δ,沿轴向位移距离Z

。

图2　单块平板平移光路分析图

Fig.2Analysisofsingleplanetranslationoptics

Δ=dsinθ1-n2

-sin2

（1Z=dcosθ1-

n2

-sin2

（2

式中:

Δ和Z主要取决于光学平板的倾角θ、折射率n和厚度d,与入射光线的方向无关。

会集光束,以Δ为半径45°、135°、225°和（如图3,:

P=L/2

（3

式中:

L为像素间距;微扫描位移量为

:

Δ4

（4

当已知非制冷焦平面探测器像素间距L,由式（4确定Δ值,然后根据光学平板材料的折射率n和选择的平板厚度d,由式（1确定光学平板相对光轴的倾角θ。

图3　标准2×2微扫描模式示意图

Fig.3Schematicdiagramof2×2microscanningmode

3　光学平板旋转微扫描器的设计

光学平板旋转微扫描器由红外光学平板、精密光学平板支座、高精度自动旋转平台以及可编程控制器等组成。

光学平板支座放置光学平板的倾斜面倾角为θ,以保证光学平板与光轴保持一定倾角θ,从而由微扫描控制器控制光学平板在如图3所示的4个相隔90°的位置处进行欠采样成像,然后利用亚像元图像处理及超分辨力图像算法得到高分辨力的图像。

光学平板旋转微扫描器结构简单、控制方便、容易与不同成像传感器配合使用,可以设计成为通用部件,但需要较高的加工和装调精度。

3.1　光学平板旋转微扫描器的参数设计

1光学平板倾角θ

本系统非制冷焦平面探测器像素中心距L=45μm,

红外光学平板选用锗n=4.0028,选择光学平板厚度

d=1mm。

则由式（4和式（1计算得到:

θ=1°12′54′′,Z=0.7500589mm。

其中Z通过调节红外显微物镜的

　第5期高美静等:

高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现1039

　安装尺寸来补偿。

2光学平板直径

光学平板直径需要通过分析整个显微热成像系统的光路来确定,在不损失成像红外辐射的前提下,结合系统的机械结构,确定光学平板透光直径为26mm。

平板参数将直接用来设计和加工光学平板、精密光学平板支座及与已有的显微热成像系统进行一体化的连接部件。

为了满足系统要求,实际加工需要一些加工容差等。

3.2　光学平板旋转微扫描器的容差

由式（1可知光学平板玻璃材料的折射率n、平板厚度d和光学平板相对光轴的倾角θ方向位移Δ的精度。

由式（3及式（4Δ将影响欠采样图像的微位移,P将破坏标准2×2,影响最后的由于光学微扫描属于小角度扫描,θ值一般较小,式

（1可简化为

Δ≈dn

（5

设平板厚度d的容差为δd;平板倾角θ的容差为δθ,则

δd=δΔθn-1,δ

θ=δΔdn-1

（6当光学平板的材料确定后,平板厚度d的容差δd和倾角θ的容差δ

θ都将带来微位移Δ的误差。

假定Δ的容许误差为δΔ,则由式（6可确定容差δd和容差δθ。

当光学平板的平行度发生偏差时,两次折射后的光路偏

移Δ′值将和设计值Δ发生偏差。

设D是光学平板距离成像

传感器的距离,平板平行度的容差δ

α可表示为:

δα=

δΔ

D・（

n2

-sin2

θ-1

（7

由于D越大,同样δ

α所产生的δΔ越大,对系统的影响就越大,所以,除减小平板的不平行度的同时,应尽量使光学平板靠近传感器。

在本设计中光学平板距探测器的距离为16mm。

本设计设定位移Δ的容差9Δ=1μm,则加工容差:

平板厚度d容差9d=0.0628mm;θ角度容差9θ=4.5822′;平板加工平行度容差9α=

0.1431′。

最终完成整

图4　微扫描机械系统结构图

Fig.4Micro2scanningmechanicalsystem

个光学平板旋转微扫描器的相关机械零部件的设计及装

配仿真（见图4。

4　高分辨力光学平板微扫描显微热成像系统

针对已研制的显微热像仪[4]

设计光学平板支座及精密机械连接零部件,,完成高分辨

（见图5。

1红外显微物镜2高精度自动旋转平台3精密光学平板支座4红外光

学平板5非制冷焦平面探测器组件6便携式彩色/黑白图像采集卡

7笔记本电脑图像采集与处理及旋转台控制系统8系统供电电源9旋

转台精密控制器10视频监视器11热像仪及旋转台支撑机械结构

图5　高分辨力光学微扫描显微热成像系统结构简图

Fig.5Structureofhighresolutionopticalmicro2scanning

thermalmicroscopeimagingsystem

在系统中由旋转台精密控制器控制高精度自动旋转

平台使显微热图像通过光学平板后,在四个依次相差

90°的倾角条件下采集4幅欠采样图像,形成标准2×2

微扫描模式;非制冷焦平面探测器组件用于将红外显微物镜成的辐射图像转换为电子图像,并按标准视频输出;图像采集卡依次将四帧低分辨力标准视频热图像转化为数字图像,并存于计算机中;显微热图像处理系统主要通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合4幅低分辨力的欠采样图像为1幅高分辨力的过采样热图像,同时完成热图像的显示、分析、存储和其它处理;手动升降台及电源用于集成显微热成像装置,并提供工作电源。

图6给出带有光学平板旋转微扫描器的显微热成像系统照片。

表1是光学微扫描显微热成像系统的技术指标。

图6　带有光学平板旋转微扫描器的显微热像仪

Fig.6Thermalimagingsystemwithopticalplate

rotatingmicro2scanner

1040　仪　器　仪　表　学　报第30卷

　　图7为利用光学微扫描显微热成像系统采集的4幅欠采样低分辨力显微热图像。

图8是利用图7的4幅欠采样图像按标准2×2过采样进行直接插值重构的图像。

表1　光学微扫描显微热成像系统技术指标

Table1Technicalparametersofopticalmicroscanning

thermalmicroscopeimagingsystem参

　数

规　格像素640×480波长范围8~14μm

模拟视频输出PAL（50Hz/NTSC（60Hz

显微物方线视场<9mm

显微镜头焦距热灵敏度<℃空间分辨率m帧频

50Hz

　　由于实验中理想高分辨力图像无法得到,根据目视效果和图像信息熵（SNT

[9]

来比较实验结果。

利用图7

中的第一幅图像采用双线性放大法得到的图像信息熵

SNT=6.0487。

由实验结果和评价参数知,过采样重构

图像可以分辨的细节比双线性放大法更多更清晰,而且

较原始低分辨力图像的空间分辨力明显提高,证明了整

个系统设计的有效性。

5　结　　论

为解决已研制的显微热像仪空间分辨力较低的问题,的显微热成像系统,,系统结,价格低,分辨力高,可促进显微。

实际系统所采集热图像,系统的空间分辨力得到提高。

通过进一步完善系统超分辨力图像处理技术及其软件系统,可望得到超分辨力、高性能、实时的红外显微热像仪。

　　参考文献

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41258.

作者简介

　　,年获得,2008年获,现为燕山大学讲师,研究方向为多传感器信息融合、红外成像、图像处理等。

E2mail:

matlabgirl@sina.com.cn

　GaoMeijingreceivedBScandMScfromYanshanuniversity

in2000and2002respectively.ShereceivedherPhDdegreefromBeijingInstituteofTechnologyin2008.Sheiscurrentlyastruc2torinYanshanuniversity.Hermainresearchfocusesonthemul2tisensorinformationfusion,infraredimaginganddigitalimageprocessing.

E2mail:

matlabgirl@sina.com.

cn

　　金伟其,1981年获北京工业学院学士学位,1990年获北京理工大学博士学位。

现为北京理工大学教授、博士生导师。

目前编写出版教材3部,发表论文200余篇。

研究方向为夜视与红外技术、光电图像处理等。

E2mail:

jinwq@bit.edu.cn

　JinWeiqi,male,borninreceivedBScandPhDboth

fromIin1981and1990,respec2.theDept.ofOpticalEngi2ofInformationScience&Technology,BeijingTechnology.Hehadpublishedthreebooks,andmorethan200scientificpapersinrefereedjournalsandconferencepro2

ceedings.Hismajorresearchinterestsincludelowlevellightima2ging,thermalimaging,andimageprocessing.E2mail:

jinwq@bit.edu.cn