压电摆镜微扫描显微热成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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系统， 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、科学研宄等领域， 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】
[0002] 热成像技术目前在工业检测、医学诊断和科学研宄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，影响了对事物的微观认识以及电子电路故障的分析。而科学研宄和 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。
[0003] 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系统。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，国外的显微热成像系统价格昂贵、 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系统的使用报道。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l〇x (10倍），5X，lx，1/5X的红外物镜，最高空间分辨率可达5ym。清华大学 引进TVS-5000型显微热像仪进行热分析和热设计。
[0004] 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系统（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）。
[0005] 理论分析表明：该显微热成像系统的衍射限截止频率fe= 58. 14cycles/mm，探 测器采样率为22. 22cycles/mm，奈奎斯特采样频率为11.llcycles/mm，所以系统属于欠采 样系统。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.llcycles/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系统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。
[0006] 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系统的空间分辨率是一个关键的问题。
[0007] 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系统 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，提高系统空间分辨率。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 像系统，采用光学平板旋转实现微扫描。但其光学微扫描系统体积大，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，系统性能有待提高。
【发明内容】
[0008] 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 显微热成像系统的空间分辨率，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系统。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] 本发明的压电摆镜微扫描显微热成像系统，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、显微热图像处理系统、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2X2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。
[0011] 本发明提供的带有微扫描装置的显微热成像系统的成像步骤如下：
[0012] (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；
[0013] (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 宄中的固有名词）显微热图像；
[0014] (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2X2 微扫描模式，得到四帧低分辨率显微热图像；
[0015] (4)非制冷焦平面探测器组件输出标准模拟视频；
[0016] (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；
[0017] (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；
[0018] (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；
[0019] 所述手动升降台承载显微热成像系统（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+系统供电电源），手动控制升降台进行显微热成像系统调焦； 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。
[0020] 本发明的有益效果
[0021] 本发明与国外显微热成像系统相比，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，这就使显微热成像系统成本大大降低，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 高整个系统的空间分辨率，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、实验分析和研宄的技术水平，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】
[0022] 图1是压电摆镜微扫描器成像示意图；
[0023] 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
[0024] 图2是压电摆镜微扫描器的工作原理图；
[0025] 图中：3、光学平面反射镜；4、5采集图像的成像位置；
[0026] 图3是压电摆镜微扫描器的成像位置示意图；
[0027] 图中：4、5、6、7分别为采集图像的四个不同成像位置；
[0028] 图4是压电摆镜微扫描显微热成像系统相对布局示意图；
[0029] 图中：8、显微物镜；9、精密光学平板支座；10、PIS-316压电摆镜；11、非制冷焦平 面探测器；12、系统供电电源；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系统；16、压电陶瓷驱动电源；17、压电陶瓷驱动控制器；
[0030] 图5是压电摆镜微扫描显微热成像系统工作流程图；
[0031] 图6是标准的2X2微扫描模式下得到的四帧图像位置示意图。
【具体实施方式】
[0032] 本发明的核心是针对已设计的显微热成像系统分辨率低，不能完全满足一些实际 场合应用的问题，研宄了一种带有压电摆镜微扫描器的高分辨率显微热成像系统。
[0033] 下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。
[0034] 本发明给出了一种带有压电摆镜微扫描器的显微热成像系统，系统的成像方法采 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2X2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系统的分辨率。该方法