压电扫描台之微扫描红外成像超分辨重建

2020-03-02 14:44:50 NanoMotions 1691

微扫描成像原理

微扫描是随着红外焦平面阵列器件的出现而引入的新技术,是一种提高现有器件分辨率的方法,是使焦平面阵列上的每个探测器发挥最佳性能的一种途径。微扫描概念的提出是与现有系统的缺陷和对系统的要求不断提高密不可分的;由于制作工艺及量子效率等问题,目前制作高密度小像素尺寸的红外焦平面器件还有一定困难,且成本较高。红外焦平面阵列像素尺寸不能做到很小而且阵列的填充因子达不到100%,因此,通常红外焦平面阵列空间采样频率不能达到系统尼奎斯特频率的二倍。红外图像因欠采样而引起的信号混淆,因低分辨率传感点扩散而造成的高频部分丢失,使红外图像模糊,不能以探测器的真正极限分辨率再现图像细节,成像系统产生的图像并不是目标场景的完美再现。这些影响主要是信号混淆;混淆是在对光学系统产生的信号进行采样时,有限尺寸的单元探测器与单元探测器之间存在的间距产生的。原则上讲,满足采样定理条件的采样得到的数据能够准确地再现场景图像。但是实际上,采样定理需要的条件并不完全能满足,就会出现混淆。减少混淆的一种方法就是采用填充因子为100%的探测器阵列。然而,探测器阵列的结构组织又决定了填充因子达不到100%。另一种减少混淆的方法就是增加探测器阵列的采样频率,增加探测器阵列中探测器的数目,但是从结构构造的观点来看这种方法不易实现;;人们自然就要寻求不增加探测器的数目而提高采样频率的方法,这就促成了微扫描技术的产生。微扫描技术是以比帧频更快的速度将红外焦平面阵列与图像场景相对移动亚像素的距离分别获取多幅图像,然后从多幅相互之间有微小位移的时间序列图像实时重构一幅包含更多信息内容的图像。机械微扫描方案是基于焦平面阵列前的聚焦透镜的运动来进行微扫描的。图3所示是基于透镜的微扫描原理示意图;来自无穷远的平行光束通过透镜L聚焦于焦平面上点I,当透镜L垂直于光轴向下位移一个很小的距离d时,这时同样的平行光束通过透镜L聚焦于焦平面上点I’;由几何学可算出I与I’之间的距离等于透镜L的移动距离而与其它因素无关。该方案具有前面几种方案的许多优点,也可将透镜安装在一个二维运动的平台实现二维微扫描,而且由于透镜的离轴位移量很小产生的像差很小。该方案的主要问题是扫描透镜和二轴微扫描位移台的重量可能会对系统性能产生影响;为此,光学设计需要优化,设计重量轻的单片透镜作为微扫描透镜,在扫描透镜前是望远镜,由望远镜决定整个光学系统的视场和纠正微扫描透镜的像差;该方案另一个问题是二轴微扫描位移台的设计,不仅是二轴微扫描位移台的机械性能是系统设计的瓶颈,而且驱动微扫描位移台的放大器和微扫描位移台的动作控制部分设计都是十分关键的

微扫描工作模式

微扫描是高分辨率红外成像的关键技术领域,它可以提高系统分辨率并改善成像系统的性能,此技术需要准确性和高响应时间。


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图1a:典型的微扫描成像模式                                                                                              图1b:典型2x2的微扫描成像模式


微扫描技术包括根据不同的模式(图1)拍摄同一场景的多张图像,同时每次将图像在检测器平面上移位等于检测器间距的一小部分的距离(图2)。然后将场景的采样帧用于形成单个高分辨率帧。压电位移台PK2L70-012U-S使焦平面阵列中的聚焦透镜沿X轴和Y轴移动(图3)。

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图2:微扫描模式

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图3:基于平移透镜微扫描原理


产品说明

压电平台PK2L70-012U-S/PK2L60-±040U(图4),具有很高的刚度。位移台可以配备应变片位置传感器,以达到非常好的精度。寄生旋转非常有限。可以定制紧凑的压电平台,以便满足红外摄像机的机械集成和环境要求(图5)。

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     图4:标准XY 压电平台             图4:内置压电平台的红外热像仪


微扫描中压电平台产品特点

•一体化设计  

•低功耗

•超高速响应时间,带载30g时间小于1.5ms        

•发生故障时处于中心点

•使用寿命> 1010个循环

•热补偿

•低色差

•应用环境-40℃~+55℃

•体积紧凑,易于集成



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