CN104614078A - 压电摆镜微扫描显微热成像*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电摆镜微扫描显微热成像***，以带有压电摆镜微扫描器的显微热成像装置为核心部件，由压电陶瓷驱动元件控制压电摆镜沿着四个角度摆动，从而改变光学平面反射镜的反射角度以改变反射光束的位置，得到不同位置的子图像。具体过程是先使光学平面反射镜运动到某幅子图像位置，然后保持这个位置采集图像，然后再转向下一个子图像位置采集图像，继续直到采集完第四幅图像，即可完成2×2微扫描模式的***微扫描图像采集。其优点是：具有较高的性价比，且具有无需制冷、功耗低、体积小、重量轻等特性，使显微热成像***成本大大降低，并且能够得到高分辨率、高性能的显微热图像。

Description

压电摆镜微扫描显微热成像***

技术领域

本发明涉及一种带有压电摆镜光学微扫描器的非制冷高分辨率显微热成像***，可用于微电子芯片及其电路设计和故障检测、生物医学显微热成像分析、科学研究等领域，为它们提供高分辨率微细热分析的手段，属于红外热成像领域。

背景技术

热成像技术目前在工业检测、医学诊断和科学研究等领域已获得广泛的应用，并成为有效的热诊断工具。但目前大多数热成像***为望远工作模式，不适宜应用在需要显微分析和检测的场合，影响了对事物的微观认识以及电子电路故障的分析。而科学研究和工业生产中却有许多需要显微热分析和检测的场合。例如，在微电子集成芯片及其电路的设计、可靠性分析以及缺陷检测中，需要利用显微热成像技术进行非接触测量诊断；在生物医学诊断中，需要利用显微热成像技术对癌细胞的诊断与生长分析提供技术手段等。

为了满足上述领域的需要，国外90年代开始推出显微热成像***。由于显微热成像属于放大成像，所以要求探测器具有较高的热灵敏度，国外的显微热成像***价格昂贵、功耗大、体积大、重量重。由于以上原因，显微热成像产品在国内的推广应用受到极大的限制。目前只有几篇关于进口制冷型显微热成像***的使用报道。例如，电子5所1996年引进美国的EDO/BARNES公司的显微红外热像仪InfraScope，它采用液氮制冷的InSb焦平面探测器，配置10^×(10倍)，5^×，1^×，1/5^×的红外物镜，最高空间分辨率可达5μm。清华大学引进TVS-5000型显微热像仪进行热分析和热设计。

而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，特别是近年来随着热成像技术的发展和红外焦平面探测器材料及工艺水平的突破，非制冷焦平面探测器成本大大降低，促进了其在各种领域的应用。为此，申请人基于非制冷红外焦平面探测器研制了一种新型的显微热成像***(显微热成像方法及其装置，专利申请号：2007101001656，申请日期2007年9月)。

理论分析表明：该显微热成像***的衍射限截止频率f_c＝58.14cycles/mm，探测器采样率为22.22cycles/mm，奈奎斯特采样频率为11.11cycles/mm，所以***属于欠采样***。而欠采样是导致频谱混淆的直接因素，所以红外显微物镜的热图像信号中超过11.11cycles/mm以上的频率成分将发生混淆，从而会降低图像质量，导致图像分辨率较低。因此上述显微热成像***尚难满足需要高分辨率图像质量的显微热分析领域的需求。

虽然减少频谱混淆模糊效应来提高图像分辨率最直接的办法是减小红外焦平面探测器单元之间的间距，但高度密集的探测器受到工艺水平的限制，且成本较高。所以如何在现有器件基础上提高显微热成像***的空间分辨率是一个关键的问题。

解决混淆效应的有效方法之一是微扫描技术。微扫描技术是一种提高热成像***空间分辨率的实用技术，通过微扫描技术可提高红外焦平面探测器的空间采样频率，可减小或消除欠采样对成像的影响，在不增加探测器规模和减小探测器尺寸的情况下减小混频效应，提高***空间分辨率。我们已研制成功带有光学平板微扫描器的高分辨率显微热成像***，采用光学平板旋转实现微扫描。但其光学微扫描***体积大，转速偏慢，震动偏大，最终导致微扫描位移与标准位移偏差较大，***性能有待提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，特别是为了提高申请人已研制的显微热成像***的空间分辨率，提出一种结合亚像元图像处理和超分辨率图像处理技术，能够得到高分辨率、高性能的显微热图像的压电摆镜微扫描显微热成像***。

本发明的技术方案如下：

本发明的压电摆镜微扫描显微热成像***，核心部件为带有压电摆镜微扫描器的显微热成像装置，该装置由红外显微物镜、压电摆镜微扫描器、非制冷焦平面探测器组件、图像采集卡、显微热图像处理***、手动升降台及电源组成。红外显微物镜用于将物体红外辐射图像放大成像在非制冷焦平面探测器上；压电摆镜微扫描器主要由光学平面反射镜、精密光学平板支座、压电摆镜以及控制器组成。精密光学平板支座使光学平面反射镜固定在压电摆镜上，并且与光轴保持有一定倾角。通过压电摆镜的电致伸缩特性驱动光学平面反射镜运动而改变光学元件的空间位置来改变由它们生成的图像的空间位置。由压电陶瓷驱动元件来控制压电摆镜上下左右倾斜，使其得到四幅不同位置的图像，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率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***主要通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合4幅低分辨率欠采样图像为1幅高分辨率的过采样热图像，同时完成显微热图像的显示、存储、预处理、识别和分析功能；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。

本发明提供的带有微扫描装置的显微热成像***的成像步骤如下：

(1)通过红外显微物镜将物体的红外辐射图像成像到非制冷红外焦平面探测器阵列上，并将接收到的光信号转换为电信号进行积分放大、采样保持，再由读出电路将微弱的电信号进行电子放大和逻辑处理，最终形成显微热图像；

(2)在红外显微物镜与非制冷红外焦平面探测器之间加入压电摆镜微扫描器，光学平面反射镜与光轴保持一定倾角，并由压电摆镜带动光学平面反射镜进行偏转，使红外显微物镜在非制冷焦平面探测器像面形成含有沿倾角方向的微位移(注：是指视场保持不变的前提下，对同一场景进行亚像素级微位移量的序列图像采样。是图像超分辨率处理研究中的固有名词)显微热图像；

(3)由红外显微物镜所成场景的显微热图像通过压电摆镜微扫描器后，形成2×2微扫描模式，得到四帧低分辨率显微热图像；

(4)非制冷焦平面探测器组件输出标准模拟视频；

(5)通过图像采集卡依次将四帧低分辨率标准视频热图像转化为数字图像，并存于计算机中；

(6)通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合四帧低分辨率图像，获得一幅高分辨率的过采样显微热图像；

(7)对高分辨率显微热图像进行图像显示、存储、预处理、识别和分析处理；

所述手动升降台承载显微热成像***(带测温功能非制冷热成像组件+显微红外物镜+压电陶摆镜微扫描器+***供电电源)，手动控制升降台进行显微热成像***调焦；手动升降台下部有被测器件放置平台，平台有被测器件固定装置，固定装置可做平面纵向、横向移动。

本发明的有益效果

本发明与国外显微热成像***相比，采用了非制冷焦平面探测器组件作为热成像装置，而非制冷焦平面探测器具有较高的性价比，且具有无需制冷、功耗低、体积小、重量轻等特性，这就使显微热成像***成本大大降低，有利于热显微镜的推广应用。同时针对所采用非制冷焦平面探测器的低分辨率的问题，采用压电摆镜微扫描器法提高采样率，从而提高整个***的空间分辨率，可促进压电摆镜微扫描显微热成像技术在各种领域的应用，提高设计、实验分析和研究的技术水平，提高诊断的效率与可靠性，使其应用于更多的场合。

附图说明

图1是压电摆镜微扫描器成像示意图；

图中：1、Y垂直正交轴；2、压电陶瓷驱动元件；3、光学平面反射镜

图2是压电摆镜微扫描器的工作原理图；

图中：3、光学平面反射镜；4、5采集图像的成像位置；

图3是压电摆镜微扫描器的成像位置示意图；

图中：4、5、6、7分别为采集图像的四个不同成像位置；

图4是压电摆镜微扫描显微热成像***相对布局示意图；

图中：8、显微物镜；9、精密光学平板支座；10、PI S-316压电摆镜；11、非制冷焦平面探测器；12、***供电电源；13、视频监视器；14、便携式彩色/黑白图像采集卡；15、笔记本电脑图像采集与处理***；16、压电陶瓷驱动电源；17、压电陶瓷驱动控制器；

图5是压电摆镜微扫描显微热成像***工作流程图；

图6是标准的2×2微扫描模式下得到的四帧图像位置示意图。

具体实施方式

本发明的核心是针对已设计的显微热成像***分辨率低，不能完全满足一些实际场合应用的问题，研究了一种带有压电摆镜微扫描器的高分辨率显微热成像***。

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。

本发明给出了一种带有压电摆镜微扫描器的显微热成像***，***的成像方法采用压电陶瓷驱动控制器来控制压电摆镜上下左右倾斜，使其得到标准2×2微扫描模式所需的四幅具有半个像素微位移的图像，最终通过四幅图像的过采样及超分辨率图像处理减小频率混淆从而提高***的分辨率。该方法还可以应用于其它成像***(如可见光成像、超声成像等)。

本发明所解决的技术问题是：采用非制冷焦平面探测器组件完成目标场景红外辐射的显微放大成像并且应用压电摆镜微扫描器提高***空间采样率，进而提高***的空间分辨率。

为此，本发明设计基于非制冷焦平面探测器的带有压电摆镜微扫描器的显微热成像***。该***可得到目标场景的高分辨率显微热图像，满足微电子集成电路芯片及其电路设计、医学诊断和科学研究领域对显微热分析的应用需求。

本发明的带有压电摆镜微扫描器的显微热成像***(如图4)，包括红外显微物镜、压电摆镜微扫描器、非制冷焦平面探测器组件、图像采集卡、显微热图像处理***、手动升降台及***供电电源。红外显微物镜用于将物体红外辐射图像放大成像在非制冷焦平面探测器上；压电摆镜微扫描器主要由光学平面反射镜、精密光学平板支座、压电摆镜以及控制器组成。光学平板支座使光学平面反射镜固定在压电摆镜上，并且反射镜保证与光轴保持一定倾角。反射镜可以进行任意角度的摆动，在***中由控制器控制固定有光学平面反射镜的压电摆镜使显微热图像通过光学平面反射镜后形成2×2微扫描模式,得到四帧低分辨率图像(图6)；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率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***主要通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合4幅低分辨率的欠采样图像为1幅高分辨率的过采样热图像，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***供电电源用于集成显微热成像装置，并提供工作电源。

压电摆镜微扫描器工作原理

压电摆镜微扫描原理如图2、3所示，由压电陶瓷驱动元件控制压电摆镜沿着四个角度摆动，从而改变光学平面反射镜的反射角度以改变反射光束的位置，得到不同位置的子图像。具体过程是先使光学平面反射镜运动到某幅子图像位置，然后保持这个位置采集图像，然后再转向下一个子图像位置采集图像，继续直到采集完第四幅图像，即可完成2×2微扫描模式的***微扫描图像采集。

压电摆镜法微扫描原理简单，光路图如图2所示，光学平面反射镜通过机械零件固定于PI公司的S-316压电摆镜上，并令S-316与水平轴成45°角，如图3压电摆镜微扫描器的成像位置示意图所示，最初的反射图像在位置4，当平面反射镜向上沿竖直方向倾斜一角度b°时，根据光学成像原理，平面反射镜成像的位置沿垂直轴方向移动y。同理，再让压电摆镜向左沿水平方向倾斜一角度b₁，使反射图像相对于位置5时再移动距离z，到达位置6，继续使压电摆镜向下沿竖直方向倾斜一角度b₂，使反射图像相对于位置6时移动了e，到达位置7，使其成像到正方形的四个顶点位置，来实现标准的2×2微扫描模式，相邻采样点在非制冷焦平面探测器阵列的微位移量为L’，即

y＝z＝e＝L'   (1)

L′＝L/2   (2)

L为非制冷焦平面探测器像素间距，所成像位置图如图3所示。

压电摆镜微扫描器的实际组成与加工参数确定

实际组成

通过综合分析和比较，结合现有的显微热成像***，最终确定采用高精度高性能的PI-S316压电摆镜带动光学平面反射镜完成特定摆动来实现微扫描。同时配备相应的高精度控制器，完成符合本***正常工作所需的摆动。该控制器具有二次开发功能，从而通过编程可以完成2×2微扫描模式，使压电摆镜微扫描器具有升级功能。

而要使光学平面反射镜与光轴有45°夹角，则必须专门设计光学平面反射镜与压电摆镜的机械连接结构，称之为光学平板支座，而且还要设计压电摆镜与红外显微物镜的机械连接机构。由此，显微热成像***的压电摆镜微扫描器主要由光学平面反射镜、光学平板支座、压电摆镜和压电摆镜控制器组成。

加工参数设计

压电摆镜与红外焦平面探测器之间的距离

为了提高***精度，减小误差，综合考虑，将光学压电摆镜放在距离探测器为10毫米的位置。通过计算知此时光路直径，使其不会遮挡红外辐射。

压电摆镜倾斜的角度

已知L为焦平面探测器的像素中心矩，大小为45μm，即L’＝22.5μm，压电摆镜到焦平面探测器之间的距离已知，由几何光学计算即可得出倾斜的角度。即

${\tan b}_2=\frac{0.0225}{\sqrt{{0.0225}^2+{10.00025}^2}}---\left(5\right)$

光学平面反射镜直径

由于光学平面反射镜放置于压电陶瓷驱动元件上，其直径大小不能超出压电陶瓷孔径大小(20mm)，通过分析整个显微热成像***的光路图，同时为了降低***成本、减小***体积，光学平面反射镜的直径要尽可能小，但不能遮挡红外成像光路，同时结合***的机械结构，通过计算最终确定光学平面反射镜直径为12mm。

光学平面反射镜与显微物镜之间的距离

已知在总的光路中物面到最大光路直径处为113.985mm，光路最大直径为28.35mm，由几何关系计算

$\frac{28.35}{113.985}=\frac{12}{\mathrm{\χ}},\mathrm{\χ}=48.25---\left(7\right)$

即光学平面反射镜到显微物镜最前端之间的距离约48.25mm。

采用Solidworks三维机械设计软件完成了设计及最终一体化装配，最终的总体三维装配图如图5所示。为了保证微位移的精度，所有零部件的上下端面应保持足够的平行度及定位精度，以此保证整个光学平板支座的平行度和倾角，为后续高质量图像的获得提供必要的条件。

压电摆镜微扫描器的工作过程：

由压电陶瓷驱动元件来控制压电摆镜上下左右倾斜，使其得到四幅不同位置的图像，即得到探测器在四个位置对测试样品的四次采样图像，压电摆镜第一次与水平轴成45°角，此时焦平面探测器所采集的图像在位置4处，再由压电陶瓷控制压电摆镜向上倾斜0.1289°，采集图像成像在探测器的位置5处，再控制压电摆镜向左倾斜0.1286°，采集图像成像在探测器的位置6处，再控制压电摆镜向下倾斜0.1289°，采集图像成像在位置7处，使四个位置构成一正立正方形，边长为22.5μm，这样所采集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4帧低分辨率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***通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合4幅低分辨率的欠采样图像为1幅高分辨率的过采样热图像，同时完成热图像的显示、分析、存储和其它处理；***工作流程图如图5所示。

综上所述，本发明提供了带有压电摆镜微扫描器的高分辨率显微热成像***。***应用于微电子和光电子器件等领域，可提高集成电路芯片及其可靠性设计水平，保证微电子和光电子器件及其产品的性能和质量；应用于医学领域，可为医学诊断、癌症检测等提供新的技术手段；应用于科学研究领域，可为科技人员提供新的分析工具；应用于公安刑侦领域，可为可疑物证、痕迹的侦别提供新的技术手段，具有很好的应用前景和推广价值。该显微热成像***进一步结合超分辨率图像处理算法将会大幅度提高***的空间分辨率，从而应用于更多的需要高分辨率细微热分析的领域。

Claims (4)

1.一种压电摆镜微扫描显微热成像***，其特征是：核心部件为带有压电摆镜微扫描器的显微热成像装置，该装置由红外显微物镜、压电摆镜微扫描器、非制冷焦平面探测器组件、图像采集卡、显微热图像处理***、手动升降台及***供电电源组成，红外显微物镜用于将物体红外辐射图像放大成像在非制冷焦平面探测器上；压电摆镜微扫描器主要由光学平面反射镜、精密光学平板支座、压电摆镜以及控制器组成。精密光学平板支座使光学平面反射镜固定在压电摆镜上，并且与光轴保持一定倾角，通过压电摆镜的电致伸缩特性驱动光学平面反射镜运动而改变光学元件的空间位置来改变由它们生成的图像的空间位置，由压电陶瓷驱动元件来控制摆镜上下左右倾斜，使其得到四幅不同位置的图像，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率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***主要通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合4幅低分辨率欠采样图像为1幅高分辨率的过采样热图像，同时完成显微热图像的显示、存储、预处理、识别和分析功能；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；

所述带有微扫描装置的显微热成像***的成像步骤如下：

(1)通过红外显微物镜将物体的红外辐射图像成像到非制冷红外焦平面探测器阵列上，并将接收到的光信号转换为电信号进行积分放大、采样保持，再由读出电路将微弱的电信号进行电子放大和逻辑处理，最终形成显微热图像；

(2)在红外显微物镜与非制冷红外焦平面探测器之间加入压电摆镜微扫描器，光学平面反射镜与光轴保持有倾角，并由压电摆镜带动光学平面反射镜进行偏转，使红外显微物镜在非制冷焦平面探测器像面形成含有沿倾角方向的微位移显微热图像；

(3)由红外显微物镜所成场景的显微热图像通过压电摆镜微扫描器后，形成2×2微扫描模式，得到四帧低分辨率显微热图像；

(4)非制冷焦平面探测器组件输出标准模拟视频；

(5)通过图像采集卡依次将四帧低分辨率标准视频热图像转化为数字图像，并存于计算机中；

(6)通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合四帧低分辨率图像，获得一幅高分辨率的过采样显微热图像；

(7)对高分辨率显微热图像进行图像显示、存储、预处理、识别和分析处理。

2.根据权利要求1所述的压电摆镜微扫描显微热成像***，其特征是：压电摆镜与红外焦平面探测器之间的距离为10毫米；压电摆镜倾斜的角度为0.1289°；光学平面反射镜直径为12mm；光学平面反射镜到显微物镜最前端之间的距离约48.25mm。

3.根据权利要求1所述的压电摆镜微扫描显微热成像***，其特征是：所述成像步骤(3)具体包括通过压电摆镜微扫描器实现四个方向的微位移成像，得到四帧低分辨率显微热图像。

4.根据权利要求1所述的压电摆镜微扫描显微热成像***，其特征是：所述成像步骤(3)中，压电摆镜第一次与水平轴成45°角，此时焦平面探测器所采集的图像在位置4处，再由压电陶瓷控制压电摆镜向上倾斜0.1289°，采集图像成像在探测器的位置5处，再控制压电摆镜向左倾斜0.1286°，采集图像成像在探测器的位置6处，再控制压电摆镜向下倾斜0.1289°，采集图像成像在位置7处，使四个位置构成一正立正方形，边长为22.5μm，这样所采集4幅欠采样图像形成标准2×2微扫描模式；图像采集卡依次将4帧低分辨率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***通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合4幅低分辨率的欠采样图像为1幅高分辨率的过采样热图像。