一种快速高精度扫描成像装置的制作方法

专利名称：一种快速高精度扫描成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种快速高精度扫描成像装置，它可以在更短的扫描时间内获取分辨 率很高的高精度扫描图像，能广泛应用于各种有数字化要求的实际应用中，属于信息处理、 工业控制、高精度成像技术领域。
背景技术：
快速高精度成像在民用、军事、航空航天、生物医学等领域中有着重要和广泛的应 用。高精度成像产生的单幅图像的数据量较大，而在很多应用中需要快速完成大量数据的 成像任务。如在航空侦察和摄影测量中，一次飞行任务获取的航拍胶片数据可能达到几百 甚至上千幅胶片数据，对这些胶片数据的快速高精度成像不仅可以为胶片数据自动解读提 供精确数据，更能为后续目标区域的分析和处理节约宝贵时间。而现有的一些设备完成一 幅胶片数据的高精度数字化成像常需要数分钟时间，在这种速度下完成一次飞行任务所有 胶片数据的高精度数字化成像可能需要一天甚至几天时间，这对目标区域实时信息的获取 是极为不利的。同样，在生物制药行业，为了验证新研制药物的效果，通常需要进行药物的 细菌实验。而细菌与药物之间的作用常进行的较慢且需要不断获取样本的图像数据。此时， 对实验样本作用过程的快速高精度的成像将会大大提高实验数据的可利用性。而现有扫描 成像设备高精度成像时需要时间较长，使其难以在生物制药行业得以应用。因此，快速的高 精度的扫描成像极其重要，在各类应用中有重要意义。
线阵扫描相机可以在高行频的情况下完成对大幅面成像环境的一次成像，具有成 像分辨率高、实时性好、成像幅面可调、实时数据输出等优点。因此，利用线阵相机进行扫描 成像具有较大优势。不过，为了获取有效的高精度图像数据，线阵相机的行频应与扫描成像 时的扫描速度相匹配且扫描运动应精确接近于勻速运动。这对扫描成像装置中的传动部件 和控制部件的控制精度要求较高。而在高速运动大幅面成像时，系统可能会产生振动。这 种振动会影响线阵相机的成像效果。因此，快速高精度成像需要精确匹配成像单元与扫描 速度并解决各种因素对成像效果的影响。目前，还没有相关产品利用高速线阵相机实现快 速大幅面高精度成像。
为此，本发明设计了一种快速高精度扫描成像装置，采用高速线阵相机进行成像， 利用精密丝杠进行线阵推扫，可以有效解决快速高精度扫描成像的相关问题，实现快速高 精度的大幅面成像。发明内容
本发明的目的在于提供一种快速高精度扫描成像装置，用于解决快速高精度扫描 成像相关的扫描精度与速度之间的矛盾，实现快速高精度成像，为民用、军事和航空航天提 供有效的成像工具。
本发明的技术方案为
本发明一种快速高精度扫描成像装置，它由以下六种部件构成光源部件、支撑部件、成像部件、传动部件、控制部件和信号线。它们之间的位置连接关系是光源部件安装在 支撑部件的上半部分；成像部件安装在支撑部件的下半部分；包括光源部件和成像部件的 整个支撑部件安装在传动部件上，可以由传动部件驱动进行运动；控制部件通过信号线与 成像部件和传动部件进行连接，用于控制各部件的相关操作。
(1)光源部件
本发明使用普通日光灯光源，安装在支撑部件上部并与成像部件相对，可以随支 撑部件一起运动，并为成像部件提供光源。普通日光灯光源成本较低，因此可以不用对光源 进行单独控制，而只需在整个装置上电后开启断电后关闭。
⑵支撑部件
该支撑部件是采用钢板作为主要材料制成的金属结构架，架的两端采用等腰梯形 板料制作，其上各设置有相同个数直径不同的圆孔，架的中部是矩形板料制作并与两端等 腰梯形板料垂直相连。它主要用于支撑成像部件和光源部件并构成整个成像空间，光源部 件和成像部件分别安装于其上、下部。同时，整个支撑部件安装于传动部件的精密丝杠上， 可以带动光源部件和成像部件移动，实现扫描运动。
(3)成像部件
该成像部件是扫描成像装置的重要部件。作为本发明的一个改进，将高速线阵相 机应用于扫描成像，并可将成像数据直接输出给数据存储或采集设备，能够实现大幅面一 次成像，成像时间短、精度高。而且，成像范围可以通过更换相机镜头实现灵活改变。该高速 线阵相机可选用e2v AViiVA UM8 CL 12k Pixels Camera Link线阵扫描相机，市购产品。
⑷传动部件
该传动部件是扫描成像产生运动的部件，为支撑部件的移动提供动力。作为本发 明的一个改进，采用精密丝杠传动作为动力传输装置推动支撑部件勻速运动，并可通过改 变精密丝杠的位移输出调节运动速度，使其与成像部件中的线阵相机的成像频率一致，实 现线阵相机的高精度行扫描成像。该传动部件中的精密丝杠分辨率为0. 39微米。
(5)控制部件
该控制部件以可编程逻辑控制器(PLC)为基础，通过编程实现控制命令程序化， 控制传动部件的运动和成像部件成像。
(6)信号线
该信号线主要用于连接控制部件与成像和传动部件，传递控制信号。
本发明一种快速高精度扫描成像装置的工作流程为首先接通电源，控制部件启 动并通过信号线发出控制信号驱动传动装置使整个支撑部件处于扫描原始位置；第二 成 像部件的相机启动，自动进行相机参数的重置，准备扫描成像；第三控制部件通过信号线 发出控制信号驱动传动装置使整个支撑部件勻速运动，并使其运动速度与线阵相机成像频 率匹配；第四支撑部件勻速运动时，线阵相机以行扫描方式进行成像直至传动部件运动 至行程终点；第五控制部件通过信号线发出控制信号驱动传动装置使整个支撑部件回到 扫描原始位置，完成一次扫描。
本发明的优点及功效是采用高速线阵扫描相机作为成像单元，利用精密丝杠作 为传动部件，通过支撑部件降低快速推扫时抖动对成像的影响，能够进行快速高精度扫描 成像。在设计时，考虑多种应用需求，可通过接口扩展针对不同应用实现不同输出，既可作为通用扫描成像装置又可通过扩展成为专用设备的重要部件。可广泛应用于各种模拟数据 的数字化，具有广阔的市场前景与应用价值。


图1为本发明快速高精度扫描成像装置的整体框架示意图，
图2为支撑部件两侧零件1的外形。
图3为传动部件与支撑部件之间位置关系的侧面示意图。
图4为本发明快速高精度扫描成像装置的工作流程图。
图中标号说明如下
1-为支撑部件的两侧零件；2-为光源部件；3-为成像部件；4-为支撑部件的下部 零件；5-为传动部件；6-为控制部件。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发 明。
本发明一种快速高精度扫描成像装置，其整体框架示意图如图1所示。主要包括 以下几个部分光源部件、支撑部件、成像部件、传动部件、控制部件和信号线。它们之间的 位置连接关系是光源部件安装在支撑部件的上半部分；成像部件安装在支撑部件的下半 部分；包括光源部件和成像部件的整个支撑部件安装在传动部件上，可以由传动部件驱动 进行运动；控制部件通过信号线与成像部件和传动部件进行连接，用于控制各部件的相关 操作。
(1)光源部件
该光源部件用普通日光灯光源为扫描成像部件提供照明，其位置安装在支撑部件 上部并与成像部件相对，日光灯安装在灯管托架上并通过螺钉与支撑部件的两侧零件连 接。日光灯的光源直接与整个装置的光源连接。光源开启，则日光灯开启，否则，日光灯关 闭。
(2)支撑部件
该支撑部件采用12毫米厚的钢板作为主要材料制成的金属结构架，架的两端采 用等腰梯形板料制作，其上各设置有3个直径不同的圆孔，架的中部是矩形板料制作并与 两端等腰梯形板料垂直相连。该钢板构架主要用于支撑光源部件和成像部件，构成成像空 间。光源部件安装在支撑部件上部并通过螺钉连接；成像部件安装在支撑部件下部并通过 螺钉连接。光源部件与成像部件上下正好对应，使得光源部件为成像部件提供成像所需光 源。
12毫米厚的钢板具有足够的强度，可以抵抗较快运动速度产生的抖动对成像的影 响。同时，为了降低支撑部件两侧零件可能在快速运动时产生的抖动，提高两侧零件的强 度，支撑部件两侧零件均采用了挖孔设计，挖孔的示意图如图2所示。通过在钢板上挖圆形 孔，不仅提高了两侧零件的强度，也减轻了整个装置的重量，达到了抑制震动和优化设计的 目的。
(3)成像部件
该成像部件是本发明快速高精度扫描成像装置的重要部件。为了达到快速高精度 的目的，成像部件必须具有较高的成像速度和很高的成像分辨率。同时，因为现有的面阵相 机的成像范围通常较小，因此为了满足大幅面一次成像的目的，成像部件应是线阵扫描相 机。
假设最大的扫描成像范围为sXs，线阵相机的像素分辨率q，则线阵相机需要扫 描的最少行数η应为
η = s/q。
设线阵相机的行频为f，则完成一次扫描所需要的时间t为
t = n/f ο
可根据上述分辨率和扫描时间选定所需要的相机。以最大扫描范围320mmX 320mm 为例，可选用e2v AViiVA UM8 CL 12k Pixels Camera Link线阵扫描相机。该扫描相机 的部分传感器参数为每行像素数可到12288像素，像元大小为5 μ mX 5 μ m，最大行频可达 24. 7kHz，提供近30类可程序控制的相机设置命令。
采用选用的相机，扫描图像的精度可达近1000DPI，扫描一幅成像范围为 320mmX320mm的图像所需时间最少可小于1秒钟。这比现有部分设备扫描成像的时间提高 了 10倍以上。这将大大节省扫描成像的时间。
成像部件通过螺钉安装于支撑部件的下部如图1所示，并与上部光源部件相对 应，随支撑部件运动，实现扫描成像。
(4)传动部件
扫描成像运动的产生部件，带动支撑部件以计算所得的速度带动支撑部件运动， 达到扫描成像的目的。假设整个扫描运动的行程为s，线阵相机的行频为f，待扫描的行数 为n，则传动部件需要提供的支撑部件运动速度ν可按下式计算得到sV=-——。
/
为了保证线阵扫描相机的成像精度，传动部件输出运动速度的精度应高于整个支 撑部件的实际运动速度的精度。由于扫描相机的行频很高，因此需要传动部件输出运动速 度的精度也很高。为此，本发明利用精密丝杠传动作为主要的运动动力传输装置，并且精密 丝杠输出的动速度的精度高于实际运动速度的精度，使其可以通过控制部件改变精密丝杠 的位移输出调节运动速度，达到上式计算得到的速度V，从而与成像部件中的线阵相机的成 像频率一致，实现线阵相机的高精度行扫描成像。该传动部件中的精密丝杠分辨率为0. 39 微米。传动部件与支撑部件之间位置关系的侧面示意图如图3所示。
(5)控制部件
该控制部件以可编程逻辑控制器(PLC)为基本元件，将控制指令程序化，并通过 信号线发出控制信号控制传动部件的运动和成像部件成像。主要的控制指令包括
运动开始指令向传动部件和成像部件发出的指令，启动运动部件运动，成像开 始；
运动速度指令向传动部件发出的指令，控制传动部件带动支撑部件运动的速 度；
运动结束指令向传动部件和成像部件发出的指令，结束运动部件运动，成像结束；
回程指令向传动部件发出的指令，控制传动部件带动支撑部件返回运动起始占.^ \\\
出错处理指令向传动部件和成像部件发出的指令，发现错误后停止运动和扫描 成像。
(6)信号线
该信号线连接控制部件与成像和传动部件，用于传递控制信号，控制整个装置有 序运行，实现快速高精度扫描成像。为了兼顾可靠性和维修性，信号线的连接采用插拔式连 接设计，能够插拔，不仅使得连接更加可靠，而且维修更加方便。
本发明快速高精度扫描成像装置的工作流程示意图如图4所示。首先，启动控制 部件并通过信号线发出控制信号驱动传动装置使整个支撑部件处于扫描原始位置；第二 启动线阵扫描相机，自动进行相机参数的重置，准备扫描成像；第三控制部件通过信号线 发出控制信号驱动传动装置带动整个支撑部件以与线阵相机成像频率匹配的速度勻速运 动；第四在支撑部件勻速运动的同时，线阵相机以行扫描方式成像，整个成像过程持续到 传动部件运动至行程终点为止；第五控制部件通过信号线发出控制信号驱动传动装置使 整个支撑部件回到扫描原始位置，从而完成一次扫描。
本发明快速高精度扫描成像装置在320X320的成像范围下，扫描一张黑白胶片 的时间约为4秒，图像分辨率可达1000DPI，在相近DPI的情况下扫描速度高于国内外同类 产品近10倍，可以广泛应用于工业控制、高精度成像技术领域。
权利要求
1.一种快速高精度扫描成像装置，其特征在于它由以下六种部件构成光源部件、支 撑部件、成像部件、传动部件、控制部件和信号线；光源部件安装在支撑部件的上半部分； 成像部件安装在支撑部件的下半部分；包括光源部件和成像部件的整个支撑部件安装在传 动部件上，由传动部件驱动进行运动；控制部件通过信号线与成像部件和传动部件进行连 接，用于控制各部件的相关操作；所述光源部件是普通日光灯光源，安装在支撑部件上部并与成像部件相对，随支撑部 件一起运动，并为成像部件提供光源；所述支撑部件是采用钢板制成的金属结构架，该金属结构架的两端采用等腰梯形板料 制作，其上各设置有个数相等的直径不同的圆孔，该金属结构架的中部是矩形板料制作并 与两端等腰梯形板料垂直相连；它用于支撑成像部件和光源部件并构成整个成像空间，光 源部件和成像部件分别安装于其上、下部；同时，整个支撑部件安装于传动部件中的精密丝 杠上，可以带动光源部件和成像部件移动，实现扫描运动；所述成像部件是高速线阵相机，它将成像数据直接输出给数据存储或采集设备，能够 实现大幅面一次成像，成像范围通过更换相机镜头实现灵活改变；所述传动部件是扫描成像产生运动的部件，为支撑部件的移动提供动力；它采用精密 丝杠传动作为动力传输装置推动支撑部件勻速运动，并可通过改变精密丝杠的位移输出调 节运动速度，使其与成像部件中的线阵相机的成像频率一致，实现线阵相机的高精度行扫 描成像；所述控制部件以可编程逻辑控制器即PLC为基础并通过编程实现控制命令程序化，控 制传动部件的运动和成像部件成像；所述信号线用于连接控制部件与成像和传动部件，传递控制信号，信号线的连接采用 插拔式连接设计。
2.根据权利要求1所述的一种快速高精度扫描成像装置，其特征在于该高速线阵相 机选用 e2v AViiVA UM8 CL 12k Pixels Camera Link 线阵扫描相机。
全文摘要
一种快速高精度扫描成像装置，是由光源部件、支撑部件、成像部件、传动部件、控制部件和信号线等六部分组成。光源部件安装在支撑部件的上半部分；成像部件安装在支撑部件的下半部分；包括光源部件和成像部件的整个支撑部件安装在传动部件上，可以由传动部件驱动进行运动；控制部件通过信号线与成像部件和传动部件进行连接，用于控制各部件的相关操作。该装置的光源部件采用普通日光灯光源，控制部件采用普通的PLC控制单元，成像部件采用高速的精密线阵相机，传动部件采用精密丝杠传动，兼顾了低成本和快速高精度的特点，与同类产品相比可以在更短的扫描时间内获取分辨率很高的高精度扫描图像，能广泛应用于各种有数字化要求的实际应用中。
文档编号H04N1/028GK102035985SQ20101054387
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者吴金中, 周付根, 孟偲, 张晓振, 白相志, 龚幼平 申请人:北京航空航天大学