專利名稱：旋轉調制型多模式高效微掃描器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微掃描成像技術領域，特別是一種使光學圖像按預定模式微小運動的旋轉調制型多模式高效微掃描器。
背景技術：
凝視成像系統(tǒng)的圖像分辨率受探測器探測元列陣規(guī)模限制難以提高，微掃描成像技術可以在不改變探測器列陣規(guī)模和光學系統(tǒng)結構情況下提高圖像分辨，因而具有十分重要的應用價值。微掃描成像主要有電子微掃描成像和光學微掃描成像兩類。電子微掃描成像依靠圖像處理算法在原始圖像像素之間插入像素，使圖像更加平滑細膩，但傳函沒有實質提高。光學微掃描成像通過微掃描器使光學圖像位置發(fā)生微小變化，然后轉化為電子圖像，并在信號處理過程中按實際位置組合，圖像分辨率和傳函值明顯提高。除利用隨機振動產(chǎn)生子圖像和圖像配準技術的無微掃描器微掃描成像技術外，光學微掃描成像又分為提高分辨率的微掃描成像和擴大視場角的微掃描成像兩大類，其中前者應用居多。對于提高分辨率的光學微掃描成像技術，其微掃描原理或者說光學元件的工作方式分為平板透射式和鏡面反射式兩種。平板透射式可以集成到旋轉調制器上，擴展出多種功能，制造成本更低，因而很受歡迎；相對來說，鏡面反射式要差一些。所以這里重點介紹平板透射式微掃描器。北京理工大學金偉其等人申請的“顯微熱成像方法及其裝置2010100165. 6”、“光學微掃描顯微熱成像系統(tǒng)的微掃描定標方法201010617933. 7”、“零點定標方法及在光學微掃描顯微熱成像系統(tǒng)中的應用200810183^2. 0”、“幀間差分過采樣重構方法及在微掃描顯微熱成像中的應用200810183^1. 6”專利，采用的是單塊平行平板結構形式的微掃描器，工作原理類似，都是基于平板光學元件的微掃描技術，而本發(fā)明采用多塊平板光學元件且法向矢量不同的平板元件，結構完全不同。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種旋轉調制型多模式高效微掃描器，置于光學系統(tǒng)與面陣探測器之間，通過伺服電機驅動旋轉圓盤上多塊法向矢量不同的平板元件旋轉，使圖像位置發(fā)生微小變化，得到微掃描圖像。本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn)一種用于提高圖像分辨率的旋轉調制型多模式高效微掃描器，包括強旋轉圓盤、 固定板、伺服電機、伺服電機驅動電路、聯(lián)軸器和光電耦合器，其特征在于位于旋轉圓盤中央的內區(qū)有一與伺服電機相連的法蘭，圍繞法蘭外圓周的旋轉圓盤中區(qū)順序安裝有若干個平板元件，每個平板元件與分布在旋轉圓盤邊緣上的一個同步信號發(fā)生小孔對應；通過伺服電機驅動位于光學鏡頭和面陣探測器之間的旋轉圓盤及其上的平板元件旋轉，各個平板元件依次切入光路，使圖像位置發(fā)生微小變化，得到微掃描圖像，同時產(chǎn)生同步信號，微掃描得到的所有光學圖像變成電子圖像；在同步信號處理過程中以幀為單位按空間位置進行排列，最后合成一幅高分辨率圖像，完成微掃描成像。
所述的伺服電機的軸伸端與聯(lián)軸器的中間孔配合連接，聯(lián)軸器上的三爪法蘭插入旋轉圓盤上法蘭的矩形通孔內并與其匹配相連。所述的伺服電機和光電耦合器均與固定板相連。所述的光電耦合器上有插針，電源和同步信號通過插針與外電路相連；光電耦合器上的凹部與旋轉圓盤外區(qū)上的同步信號發(fā)生小孔對應，該凹部的兩相對面設置有發(fā)光管與接收管，發(fā)光管的光軸與同步信號發(fā)生小孔的軸線重合，當同步信號發(fā)生小孔與發(fā)光管發(fā)出的光束重合時，接收管收到光信號，隨即產(chǎn)生同步信號。所述的旋轉圓盤上的平板元件采用能透過不同波段光譜的濾光片進行多波段成像。所述的旋轉圓盤上的平板元件采用具有校正功能的校正平板進行圖像信號的非均勻性校正。依據(jù)以上技術方案獲得的本發(fā)明與現(xiàn)有技術比較具有如下優(yōu)點或有益效果一、微掃描模式較多。微掃描模式是指微掃描器微掃描后生成的子圖像數(shù)量及排列方式?，F(xiàn)有的旋轉式微掃描器只能進行2 X 2或1 X 1微掃描，本發(fā)明可以進行1 X 1、1 X 2、 2X1、2X2、2X3、3X2、3X3、4X3、4X2、3X4、2X4、4X1、1X4、4X4 等多種微掃描，微掃描模式遠遠多于現(xiàn)有技術。二、掃描效率較高。掃描效率是指微掃描器用于成像的曝光時間與運動周期之比。 面陣探測器幀頻有限，微掃描效率越高越有利于提高成像系統(tǒng)光電的轉換效率和微掃描成像后的幀頻。旋轉調制型多模式微掃描器各窗口間的間隙很小(約1. 2mm)，即遮光面積很小，曝光時間較長，掃描效率較高。三、推掃。推掃是指微掃描器或掃描器掃過面陣探測器時掃描邊近似平行掃過探測器列陣上每一行。推掃有利于均勻信號，降低信號處理過程中非均勻性校正的難度。旋轉調制型多模式微掃描器的微掃描窗口采用專門設計與面陣探測器幾何尺寸相匹配的阿基米德螺旋線形狀，旋轉掃過面陣探測器時可以做到基本同步掃過每一行探測元。四、濾波。旋轉調制型多模式微掃描器的窗口可以根據(jù)濾波需要改變大小，高通時將窗口做小，低通時將窗口做大，且這種窗口大小的改變不影響微掃描器其它諸多功能。五、多波段成像。旋轉調制型多模式微掃描器的窗口可以做成只能透過幾個選定波段的濾光片，只讓選定譜段的光束通過，通過面陣探測器的光電轉換先后得到不同波段的電子圖像，經(jīng)圖像融合處理后可得到普通成像方式發(fā)現(xiàn)不了的目標信息，實用價值較高。 如果選用多片窄帶濾光片，還可實現(xiàn)多色成像。六、非均勻性校正。旋轉調制型多模式微掃描器的窗口個數(shù)可以根據(jù)應用要求增加，增加的窗口可以用來進行非均勻性校正。


圖1是旋轉圓盤平面示意圖。圖2是旋轉圓盤窗口中的平板元件平面示意圖。
圖3是聯(lián)軸器三維設計圖。圖4是同步信號產(chǎn)生裝置示意圖。圖5是固定板平面示意圖。
圖6是旋轉調制型多模式高效微掃描器結構示意圖。
具體實施例方式旋轉調制型多模式高效微掃描器主要由包含平板光學元件的旋轉圓盤17、固定板 15、聯(lián)軸器16、產(chǎn)生同步信號的光電耦合器12、伺服電機19及其驅動電路18等組成。如圖 1所示，旋轉圓盤大致分為內區(qū)、中區(qū)和外區(qū)三個部分。內區(qū)有一與伺服電機19相連的法蘭 1，法蘭上布置有三條互成120°的矩形通孔2，供聯(lián)軸器16裝配時使用；中區(qū)為安裝平板元件的區(qū)域，該區(qū)域分成若干個與平板元件形狀一致的窗口 3，窗口與窗口之間有窄支承條； 外區(qū)即邊緣區(qū)域，厚度小于中區(qū)，其上設有同步信號發(fā)生小孔4，中區(qū)上的每個窗口對應一個小孔4，所有小孔中心共圓，每個小孔4表征了一幀圖像的起始位置。平板元件的平面結構如圖2所示，它主要由左右兩條阿基米德螺旋線6、上下兩條圓弧5和一條法蘭外圓的切線7組成，阿基米德螺旋線計算公式如下φ^ΥΗΡγηΥ⑴
2000π式⑴中Χ為阿基米德螺旋線比例系數(shù)(mm/rad)，z為微掃描窗口數(shù)，px、py分別為探測器探測元列和行的間距(mm)，m為探測器列數(shù)，η為探測器行數(shù)。聯(lián)軸器結構如圖3所示，它的三爪法蘭8與旋轉圓盤內區(qū)的法蘭1匹配固連，三爪法蘭8的外形尺寸略小于旋轉圓盤內區(qū)法蘭上的矩形通孔，以利于裝入連接。聯(lián)軸器的中間孔9與伺服電機的軸伸端配合連接，通過固定螺釘孔10將聯(lián)軸器固定在電機軸上。如圖4所示的光電耦合器12上有插針11，電源和同步信號通過插針11與外電路相連。光電耦合器12上的凹部與旋轉圓盤外區(qū)上的同步信號發(fā)生小孔4對應，凹部兩相對面設置有發(fā)光管與接收管13，發(fā)光管的光軸與小孔4的軸線重合，當同步信號發(fā)生小孔與發(fā)光管發(fā)出的光束重合時，接收管收到光信號，隨即產(chǎn)生脈沖信號。固定板如圖5所示，在一塊厚度約4mm的固定板15上開有用于安裝伺服電機的星形通孔14，伺服電機及其驅動電路為標準產(chǎn)品，通過市場購買。具體連接方式上，伺服電機先與固定板15固定相連，然后通過三爪聯(lián)軸器16與旋轉圓盤內區(qū)的圓形法蘭1相連。平板元件通過光學膠粘接固定在旋轉圓盤中區(qū)的窗口 3中， 每個平板元件的法向矢量指向子圖像中心。旋轉調制型多模式高效微掃描器工作過程是位于光學鏡頭和面陣探測器之間的微掃描器，在伺服電機驅動下驅動圓盤及其窗口中的平板元件旋轉，各個平板元件依次切入光路，進行微掃描或調制，同時產(chǎn)生同步信號。微掃描得到的所有光學圖像變成電子圖像后，在信號處理過程中以幀為單位按空間位置進行排列，最后合成一幅高分辨率的圖像，完成微掃描成像。本發(fā)明具體制作步驟如下第一步，按成像系統(tǒng)要求選擇微掃描模式，如2 X 2，3 X 3等；第二步，按微掃描模式、調制和校正等要求確定旋轉圓盤上窗口的個數(shù)；第三步，在滿足強度條件下確定平板元件的厚度，同時確定旋轉圓盤相應區(qū)域的
厚度；第四步，根據(jù)面陣探測器參數(shù)，用公式(1)計算出平板元件兩條阿基米德螺旋線
5的參數(shù)，再根據(jù)光學系統(tǒng)與面陣探測器的相對位置確定旋轉圓盤外徑，根據(jù)旋轉圓盤以最高速度旋轉時的扭矩估算旋轉圓盤內區(qū)的法蘭直徑，畫出旋轉圓盤中區(qū)上窗口的四條曲線.
一入 ，第五步，在旋轉圓盤中區(qū)上分別平移阿基米德螺旋線，得到若干形狀相同的窗口， 在每個窗口中做法蘭圓的切線，再將大圓、法蘭圓切線與阿基米德螺旋線分別構成的尖角部分簡化成可以加工出來的圓弧，最后形成如圖2所示的平面形狀，將得到的圖形做成數(shù)控設備可識別的電子文件；第六步，根據(jù)旋轉圓盤質量選擇伺服電機參數(shù)，注意電機軸運動精度；第七步，根據(jù)法蘭面直徑、伺服電機輸出軸直徑和扭矩大小選擇或設計聯(lián)軸器，并將聯(lián)軸器與旋轉圓盤相連的部分設計成三個相同的爪形，以便安裝；第八步，根據(jù)旋轉圓盤厚度選擇用于產(chǎn)生同步信號的光電耦合器；第九步，根據(jù)伺服電機、聯(lián)軸器、面陣探測器、光電耦合器的安裝要求設計固定板； 第十步，分別按照上述方法得到的設計圖紙，進行窗口中的各種平板元件、旋轉圓盤、聯(lián)軸器和固定板的加工制作；第十一步，將平板元件等分別裝入窗口中并用光學膠粘接固定，微掃描用的平板元件法向矢量指向子圖像；將伺服電機和光電耦合器分別安裝到固定板上，再將旋轉圓盤與伺服電機通過聯(lián)軸器相連；第十二步，連接伺服電機與驅動電路。
權利要求
1.一種用于提高圖像分辨率的旋轉調制型多模式高效微掃描器，包括強旋轉圓盤 (17)、固定板(15)、伺服電機(19)、伺服電機驅動電路(18)、聯(lián)軸器(16)和光電耦合器 (12)，其特征在于位于旋轉圓盤中央的內區(qū)有一與伺服電機(19)相連的法蘭(1)，圍繞法蘭外圓周的旋轉圓盤中區(qū)順序安裝有若干個平板元件，每個平板元件與分布在旋轉圓盤邊緣上的一個同步信號發(fā)生小孔(4)對應；通過伺服電機驅動位于光學鏡頭和面陣探測器之間的旋轉圓盤及其上的平板元件旋轉，各個平板元件依次切入光路，使圖像位置發(fā)生微小變化，得到微掃描圖像，同時產(chǎn)生同步信號，微掃描得到的所有光學圖像變成電子圖像；在同步信號處理過程中以幀為單位按空間位置進行排列，最后合成一幅高分辨率圖像，完成微掃描成像。
2.如權利要求1所述的旋轉調制型多模式高效微掃描器，其特征在于伺服電機(19) 的軸伸端與聯(lián)軸器(16)的中間孔(9)配合連接，聯(lián)軸器上的三爪法蘭(8)插入旋轉圓盤上法蘭(1)的矩形通孔內并與其匹配相連。
3.如權利要求1所述的旋轉調制型多模式高效微掃描器，其特征在于伺服電機(19) 和光電耦合器(12)均與固定板(15)相連。
4.如權利要求1所述的旋轉調制型多模式高效微掃描器，其特征在于光電耦合器(12)上有插針(11)，電源和同步信號通過插針(11)與外電路相連；光電耦合器上的凹部與旋轉圓盤外區(qū)上的同步信號發(fā)生小孔(4)對應，該凹部的兩相對面設置有發(fā)光管與接收管(13)，發(fā)光管的光軸與同步信號發(fā)生小孔(4)的軸線重合，當同步信號發(fā)生小孔與發(fā)光管發(fā)出的光束重合時，接收管收到光信號，隨即產(chǎn)生同步信號。
5.如權利要求1所述的旋轉調制型多模式高效微掃描器，其特征在于旋轉圓盤(17) 上的平板元件采用能透過不同波段光譜的濾光片進行多波段成像。
6.如權利要求1所述的旋轉調制型多模式高效微掃描器，其特征在于旋轉圓盤(17) 上的平板元件采用具有校正功能的校正平板進行圖像信號的非均勻性校正。
全文摘要
一種用于提高圖像分辨率的旋轉調制型多模式高效微掃描器，包括強旋轉圓盤、固定板、伺服電機、伺服電機驅動電路、聯(lián)軸器和光電耦合器；通過伺服電機驅動位于光學鏡頭和面陣探測器之間的旋轉圓盤及其上的平板元件旋轉，各個平板元件依次切入光路，使圖像位置發(fā)生微小變化，得到微掃描圖像，同時產(chǎn)生同步信號，微掃描得到的所有光學圖像變成電子圖像；在同步信號處理過程中以幀為單位按空間位置進行排列，最后合成一幅高分辨率圖像，完成微掃描成像。
文檔編號G01J5/00GK102507010SQ20111031737
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權日2011年10月18日
發(fā)明者吳新社, 徐志榮, 徐昕明, 李龍, 王振洲, 范乃華, 蔡毅, 鄧芳軼 申請人:成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院