CN202255633U - 旋转调制型多模式高效微扫描器 - Google Patents

Abstract

一种用于提高图像分辨率的旋转调制型多模式高效微扫描器，包括强旋转圆盘、固定板、伺服电机、伺服电机驱动电路、联轴器和光电耦合器；通过伺服电机驱动位于光学镜头和面阵探测器之间的旋转圆盘及其上的平板元件旋转，各个平板元件依次切入光路，使图像位置发生微小变化，得到微扫描图像，同时产生同步信号，微扫描得到的所有光学图像变成电子图像；在同步信号处理过程中以帧为单位按空间位置进行排列，最后合成一幅高分辨率图像，完成微扫描成像。

Description

旋转调制型多模式高效微扫描器

技术领域

本实用新型涉及微扫描成像技术领域，特别是一种使光学图像按预定模式微小运动的旋转调制型多模式高效微扫描器。

背景技术

凝视成像***的图像分辨率受探测器探测元列阵规模限制难以提高，微扫描成像技术可以在不改变探测器列阵规模和光学***结构情况下提高图像分辨，因而具有十分重要的应用价值。微扫描成像主要有电子微扫描成像和光学微扫描成像两类。电子微扫描成像依靠图像处理算法在原始图像像素之间***像素，使图像更加平滑细腻，但传函没有实质提高。光学微扫描成像通过微扫描器使光学图像位置发生微小变化，然后转化为电子图像，并在信号处理过程中按实际位置组合，图像分辨率和传函值明显提高。除利用随机振动产生子图像和图像配准技术的无微扫描器微扫描成像技术外，光学微扫描成像又分为提高分辨率的微扫描成像和扩大视场角的微扫描成像两大类，其中前者应用居多。

对于提高分辨率的光学微扫描成像技术，其微扫描原理或者说光学元件的工作方式分为平板透射式和镜面反射式两种。平板透射式可以集成到旋转调制器上，扩展出多种功能，制造成本更低，因而很受欢迎；相对来说，镜面反射式要差一些。所以这里重点介绍平板透射式微扫描器。

北京理工大学金伟其等人申请的“显微热成像方法及其装置2010100165.6”、“光学微扫描显微热成像***的微扫描定标方法201010617933.7”、“零点定标方法及在光学微扫描显微热成像***中的应用200810183262.0”、“帧间差分过采样重构方法及在微扫描显微热成像中的应用200810183261.6”专利，采用的是单块平行平板结构形式的微扫描器，工作原理类似，都是基于平板光学元件的微扫描技术，而本发明采用多块平板光学元件且法向矢量不同的平板元件，结构完全不同。

发明内容

本实用新型提出一种旋转调制型多模式高效微扫描器，置于光学***与面阵探测器之间，通过伺服电机驱动旋转圆盘上多块法向矢量不同的平板元件旋转，使图像位置发生微小变化，得到微扫描图像。本实用新型通过如下技术方案实现：

一种用于提高图像分辨率的旋转调制型多模式高效微扫描器，包括强旋转圆盘、固定板、伺服电机、伺服电机驱动电路、联轴器和光电耦合器，其特征在于：位于旋转圆盘中央的内区有一与伺服电机相连的法兰，围绕法兰外圆周的旋转圆盘中区顺序安装有若干个平板元件，每个平板元件与分布在旋转圆盘边缘上的一个同步信号发生小孔对应；通过伺服电机驱动位于光学镜头和面阵探测器之间的旋转圆盘及其上的平板元件旋转，各个平板元件依次切入光路，使图像位置发生微小变化，得到微扫描图像，同时产生同步信号，微扫描得到的所有光学图像变成电子图像；在同步信号处理过程中以帧为单位按空间位置进行排列，最后合成一幅高分辨率图像，完成微扫描成像。

所述的伺服电机的轴伸端与联轴器的中间孔配合连接，联轴器上的三爪法兰***旋转圆盘上法兰的矩形通孔内并与其匹配相连。

所述的伺服电机和光电耦合器均与固定板相连。

所述的光电耦合器上有插针，电源和同步信号通过插针与外电路相连；光电耦合器上的凹部与旋转圆盘外区上的同步信号发生小孔对应，该凹部的两相对面设置有发光管与接收管，发光管的光轴与同步信号发生小孔的轴线重合，当同步信号发生小孔与发光管发出的光束重合时，接收管收到光信号，随即产生同步信号。

所述的旋转圆盘上的平板元件采用能透过不同波段光谱的滤光片进行多波段成像。

所述的旋转圆盘上的平板元件采用具有校正功能的校正平板进行图像信号的非均匀性校正。

依据以上技术方案获得的本实用新型与现有技术比较具有如下优点或有益效果：

一、微扫描模式较多。微扫描模式是指微扫描器微扫描后生成的子图像数量及排列方式。现有的旋转式微扫描器只能进行2×2或1×1微扫描，本实用新型可以进行1×1、1×2、2×1、2×2、2×3、3×2、3×3、4×3、4×2、3×4、2×4、4×1、1×4、4×4等多种微扫描，微扫描模式远远多于现有技术。

二、扫描效率较高。扫描效率是指微扫描器用于成像的曝光时间与运动周期之比。面阵探测器帧频有限，微扫描效率越高越有利于提高成像***光电的转换效率和微扫描成像后的帧频。旋转调制型多模式微扫描器各窗口间的间隙很小(约1.2mm)，即遮光面积很小，曝光时间较长，扫描效率较高。

三、推扫。推扫是指微扫描器或扫描器扫过面阵探测器时扫描边近似平行扫过探测器列阵上每一行。推扫有利于均匀信号，降低信号处理过程中非均匀性校正的难度。旋转调制型多模式微扫描器的微扫描窗口采用专门设计与面阵探测器几何尺寸相匹配的阿基米德螺旋线形状，旋转扫过面阵探测器时可以做到基本同步扫过每一行探测元。

四、滤波。旋转调制型多模式微扫描器的窗口可以根据滤波需要改变大小，高通时将窗口做小，低通时将窗口做大，且这种窗口大小的改变不影响微扫描器其它诸多功能。

五、多波段成像。旋转调制型多模式微扫描器的窗口可以做成只能透过几个选定波段的滤光片，只让选定谱段的光束通过，通过面阵探测器的光电转换先后得到不同波段的电子图像，经图像融合处理后可得到普通成像方式发现不了的目标信息，实用价值较高。如果选用多片窄带滤光片，还可实现多色成像。

六、非均匀性校正。旋转调制型多模式微扫描器的窗口个数可以根据应用要求增加，增加的窗口可以用来进行非均匀性校正。

附图说明

图1是旋转圆盘平面示意图。

图2是旋转圆盘窗口中的平板元件平面示意图。

图3是联轴器三维设计图。

图4是同步信号产生装置示意图。

图5是固定板平面示意图。

图6是旋转调制型多模式高效微扫描器结构示意图。

具体实施方式

旋转调制型多模式高效微扫描器主要由包含平板光学元件的旋转圆盘17、固定板15、联轴器16、产生同步信号的光电耦合器12、伺服电机19及其驱动电路18等组成。如图1所示，旋转圆盘大致分为内区、中区和外区三个部分。内区有一与伺服电机19相连的法兰1，法兰上布置有三条互成120°的矩形通孔2，供联轴器16装配时使用；中区为安装平板元件的区域，该区域分成若干个与平板元件形状一致的窗口3，窗口与窗口之间有窄支承条；外区即边缘区域，厚度小于中区，其上设有同步信号发生小孔4，中区上的每个窗口对应一个小孔4，所有小孔中心共圆，每个小孔4表征了一帧图像的起始位置。平板元件的平面结构如图2所示，它主要由左右两条阿基米德螺旋线6、上下两条圆弧5和一条法兰外圆的切线7组成，阿基米德螺旋线计算公式如下：

$\mathrm{\χ}=\frac{z\sqrt{{\left(p_{x}m\right)}^2+{\left(p_{y}n\right)}^2}}{2000\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

式(1)中：x为阿基米德螺旋线比例系数(mm/rad)，z为微扫描窗口数，p_x、p_v分别为探测器探测元列和行的间距(mm)，m为探测器列数，n为探测器行数。

联轴器结构如图3所示，它的三爪法兰8与旋转圆盘内区的法兰1匹配固连，三爪法兰8的外形尺寸略小于旋转圆盘内区法兰上的矩形通孔，以利于装入连接。联轴器的中间孔9与伺服电机的轴伸端配合连接，通过固定螺钉孔10将联轴器固定在电机轴上。

如图4所示的光电耦合器12上有插针11，电源和同步信号通过插针11与外电路相连。光电耦合器12上的凹部与旋转圆盘外区上的同步信号发生小孔4对应，凹部两相对面设置有发光管与接收管13，发光管的光轴与小孔4的轴线重合，当同步信号发生小孔与发光管发出的光束重合时，接收管收到光信号，随即产生脉冲信号。

固定板如图5所示，在一块厚度约4mm的固定板15上开有用于安装伺服电机的星形通孔14，伺服电机及其驱动电路为标准产品，通过市场购买。

具体连接方式上，伺服电机先与固定板15固定相连，然后通过三爪联轴器16与旋转圆盘内区的圆形法兰1相连。平板元件通过光学胶粘接固定在旋转圆盘中区的窗口3中，每个平板元件的法向矢量指向子图像中心。

旋转调制型多模式高效微扫描器工作过程是：位于光学镜头和面阵探测器之间的微扫描器，在伺服电机驱动下驱动圆盘及其窗口中的平板元件旋转，各个平板元件依次切入光路，进行微扫描或调制，同时产生同步信号。微扫描得到的所有光学图像变成电子图像后，在信号处理过程中以帧为单位按空间位置进行排列，最后合成一幅高分辨率的图像，完成微扫描成像。

本实用新型具体制作步骤如下：

第一步，按成像***要求选择微扫描模式，如2×2，3×3等；

第二步，按微扫描模式、调制和校正等要求确定旋转圆盘上窗口的个数；

第三步，在满足强度条件下确定平板元件的厚度，同时确定旋转圆盘相应区域的厚度；

第四步，根据面阵探测器参数，用公式(1)计算出平板元件两条阿基米德螺旋线的参数，再根据光学***与面阵探测器的相对位置确定旋转圆盘外径，根据旋转圆盘以最高速度旋转时的扭矩估算旋转圆盘内区的法兰直径，画出旋转圆盘中区上窗口的四条曲线；

第五步，在旋转圆盘中区上分别平移阿基米德螺旋线，得到若干形状相同的窗口，在每个窗口中做法兰圆的切线，再将大圆、法兰圆切线与阿基米德螺旋线分别构成的尖角部分简化成可以加工出来的圆弧，最后形成如图2所示的平面形状，将得到的图形做成数控设备可识别的电子文件；

第六步，根据旋转圆盘质量选择伺服电机参数，注意电机轴运动精度；

第七步，根据法兰面直径、伺服电机输出轴直径和扭矩大小选择或设计联轴器，并将联轴器与旋转圆盘相连的部分设计成三个相同的爪形，以便安装；

第八步，根据旋转圆盘厚度选择用于产生同步信号的光电耦合器；

第九步，根据伺服电机、联轴器、面阵探测器、光电耦合器的安装要求设计固定板；第十步，分别按照上述方法得到的设计图纸，进行窗口中的各种平板元件、旋转圆盘、联轴器和固定板的加工制作；

第十一步，将平板元件等分别装入窗口中并用光学胶粘接固定，微扫描用的平板元件法向矢量指向子图像；将伺服电机和光电耦合器分别安装到固定板上，再将旋转圆盘与伺服电机通过联轴器相连；

第十二步，连接伺服电机与驱动电路。

Claims (6)

1.一种用于提高图像分辨率的旋转调制型多模式高效微扫描器，包括强旋转圆盘（17）、固定板（15）、伺服电机（19）、伺服电机驱动电路（18）、联轴器（16）和光电耦合器（12），其特征在于：位于旋转圆盘中央的内区有一与伺服电机（19）相连的法兰（1），围绕法兰外圆周的旋转圆盘中区顺序安装有若干个平板元件，每个平板元件与分布在旋转圆盘边缘上的一个同步信号发生小孔（4）对应；通过伺服电机驱动位于光学镜头和面阵探测器之间的旋转圆盘及其上的平板元件旋转，各个平板元件依次切入光路，使图像位置发生微小变化，得到微扫描图像，同时产生同步信号，微扫描得到的所有光学图像变成电子图像；在同步信号处理过程中以帧为单位按空间位置进行排列，最后合成一幅高分辨率图像，完成微扫描成像。

2.如权利要求1所述的旋转调制型多模式高效微扫描器，其特征在于：伺服电机（19）的轴伸端与联轴器（16）的中间孔（9）配合连接，联轴器上的三爪法兰（8）***旋转圆盘上法兰（1）的矩形通孔内并与其匹配相连。

3.如权利要求1所述的旋转调制型多模式高效微扫描器，其特征在于：伺服电机（19）和光电耦合器（12）均与固定板（15）相连。

4.如权利要求1所述的旋转调制型多模式高效微扫描器，其特征在于：光电耦合器（12）上有插针（11），电源和同步信号通过插针（11）与外电路相连；光电耦合器上的凹部与旋转圆盘外区上的同步信号发生小孔（4）对应，该凹部的两相对面设置有发光管与接收管（13），发光管的光轴与同步信号发生小孔（4）的轴线重合，当同步信号发生小孔与发光管发出的光束重合时，接收管收到光信号，随即产生同步信号。

5.如权利要求1所述的旋转调制型多模式高效微扫描器，其特征在于：旋转圆盘（17）上的平板元件采用能透过不同波段光谱的滤光片进行多波段成像。

6.如权利要求1所述的旋转调制型多模式高效微扫描器，其特征在于：旋转圆盘（17）上的平板元件采用具有校正功能的校正平板进行图像信号的非均匀性校正。

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