第 30卷 第 5期 2009年 5月 仪 器 仪 表 学 报 Chinese Journal of Scientific I nstru ment Vol 130No 15M ay 2009 收稿日期 :2008203 Receiced Date:2008203 3基金项目 :北京市自然科学基金 (4062029 资助项目
高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现 3 高美静 1, 2 , 金伟其 1, 王 霞 1, 徐 超 1, 陈翼男 1 (1 北京理工大学光电工程系 (2 燕山大学光电子系 摘 要 :, 研究提出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 。 , 给出了微扫描器相关的参数设计 、 加工容差 , 并与 , 。利用该系统实际采 , 系统空间分辨力得到提高 , 可应用于高分辨力显微热分析 。 关键词 :; 高分辨力 ; 过采样重构 中图分类号 :T N211 :A 国家标准学科分类代码 :510. 1060
D esi gn and im ple m en t a ti on of opti ca l m i cro 2scann i n g therma l m i croscope imag i n g syste m w ith h i gh resoluti on Gao Meijing 1, 2 , J in W eiqi 1 , W ang Xia 1 , Xu Chao 1 , Chen Yinan 1 (1D epart m ent of O ptical Engineering, B eijing Institute of Technology, B eijing 100081, China;
2D epart m ent of Photoelectron, Yanshan U niversity, Q inhuangdao 066004, China Abstract:T o i m p r ove the s patial res oluti on of the devel oped ther mal m icr oscope based on the uncooled focal p lane arrays, a novel high res oluti on ther mal m icr oscope i m aging system with op tical p late r otating m icr o 2scanner is de 2signed . The working p rinci p le of the op tical p late r otating m icr o 2scanner is analyzed . Moreover, the para meter de 2sign, the err or analysis, the p r ocess t olerance, the technical para meters and the co mpositi on of the whole syste m are all given . The results of standard oversa mp le reconstructi on f or real ther mal m icr oscope i m ages show that the design of syste m is successful and achieves higher res oluti on . The syste m can be app lied int o many syste m swhich need high s patial res oluti on . Key words:
ther mal m icr oscope i m aging syste m; op tical p late r otating m icr o 2scanner; high res oluti on; oversa mp le reconstructi on 1 引 言 为了满足大规模集成电路 、 生物医学和科学研究等 领域对细微热分析的需求 , 国外上世纪 90年代开始推出 显微热成像系统
[1] , 但由于采用制冷型红外探测器作为 成像组件 , 不仅系统体积重量较大 , 而且价格昂贵 , 限制 了系统的普及和使用 [2] 。 由于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 [3] , 近年来 , 随着非制冷焦平面探测器的发展和普及 , 非制冷焦平面热成像系统也被用于电路板测试评价中 , 但其光学放大倍率大都小于 1, 即仍然为缩小成像 , 对于 大规模集成芯片等的检测存在分辨力不足的问题 。作者 已研制了一种基于 320×240长波非制冷焦平面探测器 的显微热像仪
[425] 。 但对于更精细的观察 , 需要更高的系统空间分辨力 。
1038 仪 器 仪 表 学 报 第 30卷 由于显微红外物镜数值孔径 (NA 为 0. 44, 即红外光学 系统的衍射限截止频率约为 44cyc /mm,对于单元尺寸 45μm 的探测器 , 其采样率约为 22. 2cyc /mm,采样奈奎 斯特频率为 11. 11cyc /mm,因此 , 显微热成像系统属于 欠采样系统 , 可通过提高采样率或减小探测器单元尺寸 来提高该显微热像仪的空间分辨力 。采用大面阵小探测 器单元的焦平面探测器受到工艺、 价格及多种市场因素
限制 。 采用光学微扫描技术 [527] 是解决这一问题的有效 技术之一 , 它可在现有成像器件基础上提高空间采样率 , 并通过图像处理方法 , 提高系统的空间分辨力。本文介 像系统及其设计 。
2 图 1热像仪及采集的显微热图像 。 图 1 基于非制冷焦平面探测器的显微热成像系统及其应用 Fig . 1Ther mal i m aging system based on uncooled focal p lane detector m icroscope and its app lication 光学平板旋转微扫描原理如图 2所示 , 单块红外光 学平板位于红外显微物镜与非制冷焦平面探测器之间 , 而且与光轴保持一定倾角 θ。 如果平板的折射率 n 、 厚度 d 和倾角 θ确定 , 则当红外辐射穿过平板时由于折射作 用 , 出射光线会在入射面内沿平板倾斜的方向移动距离 Δ, 沿轴向位移距离 Z
。
图 2 单块平板平移光路分析图 Fig . 2Analysis of single p lane translati on op tics Δ=d sin θ1-n 2 -sin 2 (1 Z =d cos θ1- n 2 -sin 2 (2 式中 :Δ和 Z 主要取决于光学平板的倾角 θ、 折射率 n 和 厚度 d, 与入射光线的方向无关 。
, 会集光束 , 以 Δ为半径 45°、 135°、 225°和 (如图 3 , : P =L /2 (3 式中 :L 为像素间距 ; 微扫描位移量为 : Δ4 (4 当已知非制冷焦平面探测器像素间距 L , 由式 (4 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 (1 确定光学平板相对光轴的倾角 θ。
图 3 标准 2×2微扫描模式示意图 Fig . 3Sche matic diagra m of 2×2m icr oscanning mode 3 光学平板旋转微扫描器的设计 光学平板旋转微扫描器由红外光学平板 、 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等组 成。光学平板支座放置光学平板的倾斜面倾角为 θ, 以 保证光学平板与光轴保持一定倾角 θ, 从而由微扫描控 制器控制光学平板在如图 3所示的 4个相隔 90°的位置 处进行欠采样成像 , 然后利用亚像元图像处理及超分辨 力图像算法得到高分辨力的图像 。
光学平板旋转微扫描器结构简单 、 控制方便、 容易与 不同成像传感器配合使用 , 可以设计成为通用部件 , 但需 要较高的加工和装调精度 。
3. 1 光学平板旋转微扫描器的参数设计 1 光学平板倾角 θ 本系统非制冷焦平面探测器像素中心距 L =45μm , 红外光学平板选用锗 n =4. 0028, 选择光学平板厚度 d =1mm 。 则由式 (4 和式 (1 计算得到 :θ=1°12′ 54′ ′ , Z =0. 7500589mm 。 其中 Z 通过调节红外显微物镜的
第 5期 高美静 等 :高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现 1039 安装尺寸来补偿 。 2 光学平板直径 光学平板直径需要通过分析整个显微热成像系统的 光路来确定 , 在不损失成像红外辐射的前提下 , 结合系统 的机械结构 , 确定光学平板透光直径为 26mm 。
平板参数将直接用来设计和加工光学平板、 精密光学平 板支座及与已有的显微热成像系统进行一体化的连接部件。 为了满足系统要求 , 实际加工需要一些加工容差等。
3. 2 光学平板旋转微扫描器的容差
由式 (1 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 θ方向位移 Δ的精度。由式 (3 及式 (4 Δ将影响欠采样图像的微位移 , P 将破坏标准 2×2, 影响最后的 由于光学微扫描属于小角度扫描 , θ值一般较小 , 式
(1 可简化为 Δ≈ d n