高精度光学微扫描显微热成像系统的制作方法

本发明属于红外热成像领域，涉及基于光学平板微扫描器的非制冷高分辨力的一种高精度光学微扫描显微热成像系统。

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，成为有效的热诊断工具。但目前大多数热成像系统为望远工作模式，不适宜应用在需要显微分析和检测的场合，影响了对事物的认识和故障的分析。而实际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，国外在二十世纪90年代出现了不同类型的显微热成像产品。但国外的显微热成像系统多采用制冷型探测器，不仅系统体积重量大，而且价格昂贵(每套系统售价在20～40万美元)，使显微热成像技术在国内的应用和发展受到极大的限制。目前只有几篇关于进口制冷型热成像显微镜的使用报道。例如，国内电子5所1996年引进美国显微热像仪infrascope进行研究。清华大学朱德忠等利用进口的tvs-5000热像仪进行实验研究。张奕轩和孔学东对显微热像仪infrascopeii存在的测温准确性不够和空间分辨力不高的问题进行了探讨。2009年中国台湾清华大学mems实验室利用显微热成像系统对热驱动的可调谐镜头进行了热分析检测。2011年梁法国用显微红外热成像技术分析功率器件可靠性，在实际的器件设计过程中起到了良好的效果。2015年刘霞美等人阐述了显微红外热成像技术在失效分析故障定位中的应用，对元器件的故障失效分析和有效性检测提供了指导作用。2011年，王国栋等人基于红外显微镜热成像系统的工作原理，运用人机工程学，成功研制了放大倍率为3倍的红外显微热成像系统。

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，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。但当时尚未见到基于非制冷焦平面探测器显微热成像系统的专门报道或产品。

为此，申请人基于非制冷红外焦平面探测器研制了一种显微热像仪，已申请中国专利，其名称为《显微热成像方法及其装置》，中国专利申请号为200710100165.6。图1所示是该显微热成像装置的实物照片。由于探测器阵列规模较小(320×240或384×288)以及探测器单元尺寸较大(45μm×45μm或38μm×38μm)，为了获得更高的空间分辨力，申请人进一步研究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如图2所示，并申请了中国专利，其名称为《带有光学平板微扫描器的高分辨力显微成像方法》，中国专利申请号为200710160758.1。但此系统存在较大的微扫描误差，而且对机械、光学加工精度要求严格，不利于系统的产品化。为此，本发明研究一种更高精度的光学平板旋转微扫描器，并与原有显微热成像系统完成了一体化设计得到高分辨力显微热成像系统。

技术实现要素：

针对中国专利申请号为200710160758.1的专利申请“带有光学平板微扫描器的高分辨力显微成像方法”中存在较大的微扫描误差，空间分辨力低，而且对机械、光学加工精度要求严格，不利用系统的产品化问题，本发明的核心目的是提供一种更高精度的光学平板旋转微扫描系统，与原有显微热成像系统完成了一体化设计得到的高精度光学微扫描显微热成像系统。

在中国专利申请号为200710160758.1的《带有光学平板微扫描器的高分辨力显微成像方法》专利申请中，所述带有光学平板微扫描器的显微热成像系统，包括红外显微物镜、光学平板微扫描器、flir红外热成像组件tau2-324、显微热图像处理系统、手动升降台及电源；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；

所述光学平板微扫描器主要由红外光学平板、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组成；精密光学平板支座使红外光学平板固定在高精度自动旋转平台上，并且红外光学平板保证与光轴保持最佳倾角；红外光学平板可以绕光轴旋转任意指定角度，在系统中由可编程控制器控制固定红外光学平板的高精度自动旋转平台使显微热图像通过红外光学平板后,在四个依次相差90°的倾角条件下，形成标准2×2微扫描模式,得到四帧低分辨力图像；

所述flir红外热成像组件tau2-324用于将红外显微物镜形成的辐射图像转换为电子图像，按标准视频输出，并将四帧低分辨力标准视频热图像转化为数字图像，存于计算机中；所述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四幅低分辨力的欠采样图像为一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。

当已知非制冷焦平面探测器像素间距l，要获得标准2×2扫描模式，可由确定微位移δ值；然后依据采用的光学平板玻璃材料的折射率n和平板厚度d，

由δ＝dsinα·(1-1/n)确定平板光学元件法向方向和焦平面探测器法线方向的夹角α(认为入射到焦平面上的光线均为近轴光线)；

由z＝dcosα·(1-1/n)确定轴向位移z；

根据系统总体设计给定的微位移容差δδ，由确定平板厚度d的容差δd；

本发明采用光学平板旋转法，综合考虑微扫描总误差，包括入射到平板光学元件上的光线非近轴带来的误差及加工和安装的误差，确定平板倾斜的最佳角度，来减小频率混淆从而提高系统的分辨力。

根据系统总体设计给定的微位移容差δδ，由确定平板倾角α的容差δα；由确定平板平行度偏差角δφ。

本发明通过建立考虑多因素的误差数学模型，进一步优化了系统设计，减小了已研制光学微扫描显微热成像系统的微扫描误差，提高了系统的空间分辨力，使得系统性能得到进一步提升，更加利于系统的实例化和产品化。

附图说明

图1是不带有光学微扫描器的显微热像仪；

图2是带有光学平板旋转微扫描的显微热成像系统照片；

图3是光学平板实现微扫描的光路分析；

图4是标准2×2微扫描模式成像位置；

图5是原始像元与标准2×2微扫描后像元位置关系；

图6是光学平板厚度d与其倾角α关系图；

图7是红外光学系统出射光线光路图；

图8是微扫描器安装误差示意图；

图9是微扫描机械系统结构图。

具体实施方式

本发明的核心是针对中国专利申请号为200710160758.1的专利申请“带有光学平板微扫描器的高分辨力显微成像方法”中存在较大的微扫描误差，空间分辨力低，而且对机械、光学加工精度要求严格，不利用系统的产品化的问题，研究了一种更高精度的光学平板微扫描系统，并与原显微热成像系统完成了一体化设计得到高分辨力光学微扫描显微热成像系统。

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。

本发明更高精度的基于光学平板微扫描器的显微热成像系统，如图2所示，包括红外显微物镜、光学平板微扫描器、flir红外热成像组件tau2-324、显微热图像处理系统、手动升降台及电源。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；光学平板微扫描器主要由红外光学平板、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组成。光学平板支座使光学平板固定在旋转平台上，并且光学平板保证与光轴保持最佳倾角。光学平板可以绕光轴旋转任意指定角度，在系统中由控制器控制固定光学平板的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，形成2×2微扫描模式,得到四帧低分辨力图像如图4所示；红外热成像组件用于将红外显微物镜成的辐射图像转换为电子图像，并将四帧低分辨力标准视频热图像转化为数字图像，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四幅低分辨力的欠采样图像为一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。

关于光学平板确定的方法如下：根据光学原理，当入射光路中加入一块倾斜的平行光学平板，将使光线在保持与原光路平行的条件下产生子午方向位移δ，轴向位移z，如图3所示；由几何光学原理，得到：

光学平板元件中折射光线的折射长度lre为：

l4的长度dl4、δl分别表示为：

不难导得：

如果光线l1为近轴光线，由于入射角θ很小，则式(5)近似表示为：

δl＝d(1-1/n)(6)

假设平板光学元件法向方向和焦平面探测器法线方向的夹角为α，并认为入射到焦平面上的光线均为近轴光线，则红外场景的像沿焦平面平行方向和焦平面法线方向的位移δ和z分别为：

δ＝δl×sinα＝d(1-1/n)sinα(7)

z＝δl×cosα＝d(1-1/n)cosα(8)

即δ、z只与平板的折射率n、平板的厚度d以及平板倾角α有关。如果平板的折射率n、平板的厚度d和光线入射角θ不变，而平板倾斜方向绕光轴进行方位角旋转时，则会集光束的聚焦点将在非制冷焦平面上形成以原像点为中心，以δ为半径的圆周。如果旋转光学平板使其分别停留在45°、135°、225°和315°这四个相隔90°的位置进行欠采样成像，如图4所示，即完成标准2×2微扫描模式的系统微扫描图像。

相邻采样点在探测器面的微位移量p为

p＝l/2(9)

其中，l为焦平面探测器的像素中心矩，则微扫描微位移量δ为

当已知非制冷焦平面探测器像素中心矩l，由式(10)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(7)即可确定光学平板相对光轴的倾角α。但上述方法忽略了入射到平板光学元件上的光线非近轴带来的误差及系统加工、安装的误差，所以微扫描系统带来的综合误差比较大，导致显微热成像系统的空间分辨力相对较低。

本发明依旧采用光学平板旋转法，综合考虑微扫描总误差(入射到平板光学元件上的光线非近轴带来的误差及加工、安装的误差)，确定平板倾斜的最佳角度，来减小频率混淆从而提高系统的分辨力，具体改进部分如下：

图5所示为原始像元和经过微扫描之后的像元位置关系图。图中粗线框代表原始像元位置，细线框代表微扫描后的像元位置。已知微扫描后微位移量为δ，为了满足微扫描的像元位置关系，原始像元o1经过平板光学原件折射后形成的扫描后像元可以在m1位置，也可以在m2位置，甚至可以在图3中箭头所指方向上的任一微扫描后像元位置。所以微位移量δ需要满足式(11)即可：

因此，平板光学元件微扫描的倾斜角度模型为：

图6是光学平板厚度d与其倾角α关系图；由图6可知，当α一定时，k的取值越小，光学平板厚度d越小，成品率及加工难度越大。因此k的取值不能太小，具体取值情况将在下面进行分析。

本发明通过建立入射到光学平板上非近轴光线带来的误差、微扫描组件加工及安装误差的数学模型，确定光学平板的最佳倾斜角度。

图7为红外光学系统出射光线光路图，点a为物空间光轴上一点，o1oo2为红外光学系统的出瞳，p1p2为光学系统焦平面，点a'为点a经光学系统在焦平面成的像。设出瞳面与点a'形成的最大夹角为θomax。

平板光学元件微扫描的锗片倾斜角度模型的推导都以假设θ足够小，以式(6)的成立为基础，选择的光学系统必须满足式(6)，根据图7，当光学平板元件插入到光学系统与焦平面探测器之间时有：

θmax＝θomax+α(13)

式中θmax为光学系统出射光线中与平板光学元件法线夹角中的最大值；α为光学系统光轴与平板光学元件法线的夹角。

本发明系统采用锗作为光学平板的材料，其折射率为4.00319，密度为5.32g/cm³。由于已经确定光学平板的直径为22mm，综合分析直径22mm锗片加工的成品率、质量及红外光的透过率，确定锗片的最终厚度d为1.5mm。因为焦平面探测器像元间距l为25μm，那么由式(12)得：

已知本发明系统中2倍红外物镜的视场角θomax＝27.6997°。当锗片厚度为1.5mm时，倾斜角度α与参数k的对应关系如表1所示。

表1

由表1可见，随着k的增加，光学平板的倾角α、θomax及θmax跟着增加。而倾斜角度的确定首先需要计算k取不同值时入射到光学平板上非近轴光线所带来的误差。红外光学系统θmax值与微扫描误差(单位；μm)具体如表2所示，其中为理论值，δ'＝d(1-1/n)sinα为实际值，则对应的误差为(δ-δ')/δ，即

表2

由表2可知，当k取值不同时，α值也在变化，导致θmax也变化。理论上α值越小，入射到光学平板上非近轴光线所带来的误差也越小，显然k值取0时误差最小为3.7323％。

然而微扫描器在实际安装过程中不可避免地存在着一定的安装误差，因此还需要考虑微扫描组件加工及安装所带来的误差。

图8为微扫描器安装误差示意图，α为红外光学系统光轴与平板光学元件法线夹角的理论值，α'为安装后的实际夹角，m为光学平板直径22mm。通过查阅资料目前加工精度能够达到±5μm，因此误差δh最大可达5μm。则有：

te为微扫描总误差，即忽略因入射到平板光学元件上的光线非近轴带来的误差和加工、安装的误差实际参数值与理想情况参数值的比值，也就是入射到平板光学元件上的光线非近轴带来的误差和加工、安装的误差的乘积。

表3为k分别取0、1、2、3时的理想α值以及实际α'值以及微扫描系统总误差系数。当k取不同值时对应的α、α'以及微扫描系统总误差系数te如表3所示。

表3

最终k值的选取要依赖于表3中的数据。从该表中可以看出，当k为2时，te最小。因此，最终选定k＝2，此时α＝2.2508°；相应的轴向位移z＝1.124430643mm，其对成像位置的影响由红外镜头的调焦校正；

由(7)式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α的精度都会影响子午方向位移δ的精度。由(9)及(11)式可知位移δ的精度最终影响在四个相隔90°的位置的欠采样图像的微位移p的精度，从而影响最后的高分辨力图像融合结果。如果不考虑这些影响因素，最后使四幅欠采样图像的微位移超出了高分辨力图像融合算法容许的精度，将不会得到很好的融合结果，甚至得到比四幅欠采样图像质量更差的图像。整个系统设计将功亏一篑，因此，需要给出光学平板误差分析，以指导系统加工及装调。

光学平板误差及其分析

式(4)可展开为：

由于光学微扫描属于小角度扫描，α值一般较小，式(8)还可简化为

设平板厚度d的容差为δd；平板倾角α的容差为δα，由(9)式不难得出：

由上面推导可见当光学平板的材料确定后，平行平板厚度d的容差δd和平板倾角α的容差δα都会给微位移δ带来误差。假定利用四幅欠采样图像融合高分辨力图像时δ的容许误差为δδ，则由(19)和(20)式可以确定平板厚度d的容差δd和平板倾角α的容差δα。从而对光学和机械加工精度提出要求。

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δφ可表示为：

由于d越大，同样δφ所产生的δδ越大，对系统的影响就越大，所以，在设计中除应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。

根据图像配准精度及本系统的相关参数确定移动距离δ的容差δδ为0.315μm，则平板厚度d容差δd＝10.68857189μm；α角度容差δα＝0.016038558°；平板加工平行度容差δφ＝0.025698077’。最终完成整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如图9所示。

光学平板微扫描器的工作过程

如图4所示，首先旋转光学平板到与水平方向成45°的左上方第一位置1，完成第一次成像；然后顺时针旋转光学平板90°，使成像位置在探测器阵列上向右移动l/2,即与水平方向成45°的右上方第二位置2，完成第二次图像；在第二位置2的基础上，再顺时针旋转光学平板90°，使成像位置在探测器阵列向下位移l/2,得到右下方第三位置3的第三幅图像；最后再继续顺时针旋转90°到达第四位置4，获得第四次成像。以上过程周期循环进行，采用最新的4幅低分辨力图像经过融合可获得1幅高分辨力的过采样图像。

本发明的有益效果

本发明针对申请号为200710160758.1的专利“带有光学平板微扫描器的高分辨力显微成像方法”，存在较大微扫描误差，成品率低，加工难度大等问题，研究建立考虑多因素的误差数学模型，进一步优化了系统设计，减小已研制光学微扫描显微热成像系统的微扫描误差，提高系统的空间分辨力，使得系统性能得到进一步提升，更加利于系统的实例化和产品化。

综上所述，本发明提供了更高精度的基于光学平板微扫描器的高分辨力显微热成像系统。本发明系统应用于微电子和光电子器件及其应用领域，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。本发明的显微热成像系统进一步结合超分辨力图像处理算法将会大幅度提高系统的空间分辨力，从而应用于更多的需要高分辨力细微热分析的领域。