基于平板玻璃的微扫描器设计3.doc

基于平板玻璃的微扫描器设计摘要: 在超分辨率成像技术中，微扫描器是实现超分辨率成像的关键部件；光学微扫描技术是微扫描亚像元成像系统中的核心技术之一。研究了平板调制式微扫描器的原理和方法，分析了微扫描平板的误差对亚像元成像的影响,设计了一种基于凝视型面阵CCD探测器的光学平板调制式微扫描器,并实现了与亚像元成像实验系统的联调成像。设计方法不仅适于可见光成像,也适于基于凝视焦平面探测器的亚像元热成像。关键词：微扫描；凝视成像探测器；亚像元成像；平板玻璃引言光电成像技术在军事、医疗、工业、安全等众多领域具有重要的应用价值。随着成像传感器技术的发展，不仅各种CCD及CMOS固体成像器件层出不穷，而且各种波段的成像传感器也得到迅速发展。然而，成像传感器的发展速度依然难以满足人们日益增长的应用需求，特别是更高分辨力、更远作用距离的应用对成像分辨力提出了更高要求。提高成像分辨力可采用3种技术途径：1）增加成像系统物镜的焦距：可获得更高的物空间分辨力，但光学焦距的增加往往伴随光学口径的增加，从而受到系统体积和重量的限制；2）增加探测器列阵的规模：虽然可增加采样点，但在物镜焦距不变的条件下，同时伴随增大采样空间，因此，但实际物空间分辨力的提高仍然需要伴随光学系统焦距的增加：3）减小探测器单元尺寸并提高探测器的占空比；虽然在物镜焦距不变的条件下，可有效提高成像系统的分辨力，但受到探测器工艺、灵敏度、光学系统衍射限以及器件成本等因素的限制。 光电成像探测器单元的几何尺寸以及探测器阵列占空比小于1的空间布局,将引起成像模糊及空间离散欠采样, 限制了光电成像系统质量的进一步提高。特别是在红外成像领域,由于探测器单元尺寸比可见光探测器大许多,因此减小或消除探测器空间欠采样、探测器单元空间积分以及光学系统的衍射限的影响已成为许多光电成像系统急需解决的重要问题。 今年来，利用光学微扫描和数字图像处理的亚像元成像技术发展迅速,在不减小探测器单元尺寸且不增加器件规模的条件下, 增加成像系统的空间采样频率,减少图像的频率混叠效应,实现亚像元成像,明显提高了成像系统的空间分辨率。亚像元成像技术适合在较低档次的探测器上,以低成本实现高分辨率的成像。实现亚像元成像有多种学微扫描方式,文中将针对调制式光学微扫描器,研究基于凝视成像探测器的平板调制式微扫描器的工作原理及设计方法。微扫描超分辨率成像原理一般来讲，扫描仪扫描图像的方式大至有三种，即：以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描、以接触式图像传感器CIS(或LIDE) 为光电转换元件的的扫描和以光电倍增管 (PMT)为光电转换元件的扫描。 1以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描仪工作原理 多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中最具代表性。其形状像小型化的复印机，在上盖板的下面是放置原稿的稿台玻璃。扫描时，将扫描原稿朝下放置到稿台玻璃上，然后将上盖盖好，接收到计算机的扫描指令后，即对图像原稿进行扫描，实施对图像信息的输入。 与数字相机类似，在图像扫描仪中，也使用CCD作图像传感器。但不同的是，数字相机使用的是二维平面传感器，成像时将光图像转换成电信号，而图像扫描仪的CCD是一种线性CCD，即一维图像传感器。 扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约为10 m。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光(反射稿所产生的)或透射光(透射稿所产生的)，然后经反光镜组反射到线性CCD中。CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电流，经AD转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。如图6所示。 通常，用线性CCD对原稿进行的“一条线”扫描被称为“主扫描”，而将线性CCD平行移动的扫描输入称为“副扫描”。 （1）线性CCD的结构 图7所示为线性CCD。CCD图像传感器是平板式扫描仪的核心，其主要作用就是将照射到其上的光图像转换成电信号。将CCD图像传感器放大，可以发现在10m的间隔上并行排列着数千个CCD图像单元，这些图像单元规则地排成一线，当光线照射到图像传感器的感光面上时，每个CCD图像单元都接受照射其上的光线，并根据感应到的光线强弱，产生相应的电荷。然后，若干电荷以并行的顺序进行传输。 （2）光学成像系统 一般扫描仪使用的光学成像系统有两种：缩小扫描型光学成像系统和等倍扫描型光学成像系统。 缩小型光学系统成像采用2-5cm长度的线性CCD作为光学系统中的图像传感器，由于CCD的尺寸远不及扫描原稿的宽度，因此，这种成像系统中，在CCD的前面有一个镜头，像数字相机一样，用于在扫描时将原稿图像通过镜头缩小后投射到线性CCD上。 等倍扫描型光学成像系统则采用与扫描原稿宽度相等的线性CCD作为图像传感器。这种光学成像系统中采用了一种特殊的镜头特殊镜头组系列，它由上下排列整齐的两排棒状镜头组成。这种棒状镜头的直径为1mm，长约6mm，每一列都有100个以上这样的镜头阵列构成，这种成像系统在手持式扫描仪中较为常见。 （3） 色分离技术 目前，彩色扫描仪已成为市场的主流，它能够很真实地还原原稿图像的品质。通过彩色扫描仪扫描得到的数字图像，可以看到不论是形状还是色彩，扫描得到的图像都很好地保持了原稿的品质。 真实色彩的还原主要应归功于扫描仪独特的色分离技术。由于CCD只是将所感应的光的强弱转换成相应大小的电流，它不可能对所扫描图像的颜色进行识别。因此，扫描仪需要将这些颜色进行分离。我们都知道，红、绿、蓝是光的三基色，即用这3种颜色叠加可以组合出其他任意颜色。就是根据这个特点，扫描仪在扫描图像时，先生成分别对应于红(R)、绿(G)、蓝(B)的三基色的3幅图像，也就是说每幅图像中只包含相应的单色信息，红基色图像中只包含红色的信息、绿基色图像中只包含绿色信息，蓝基色图像中自然只包含蓝色信息。最后，将这3幅图像合成即得到了彩色的图像。其原理如图8所示。 目前，应用于扫描仪的色分离技术常见的有4种：滤光片色分离技术、光源交替色分离技术、三CCD色分离技术和单CCD色分离扫描技术。 1）滤光片色分离技术 其基本原理是：在线性CCD图像传感器的前面加装一滤光片，滤光片从上向下分为3等份，第1部分为红色滤光片，第2部分为绿色滤光片，第3部分为蓝色滤光片，扫描时通过滤光片的移动使得CCD传感器分别记录相应基色下的图像信息，从而得到三基色的3幅图像信息。 2）光源交替色分离技术 与滤光片色分离技术的原理类似，这种技术是在镜头与扫描原稿之间加设3根发光灯管，其颜色分别为红(R)、绿(G)和蓝(B)，扫描图像时，3根不同颜色的灯管交替发光，从而使CCD得到3幅三基色图像信息。 3）三CCD色分离技术 与前两种色分离技术不同，三CCD色分离技术中使用了3个CCD完成扫描成像：光线通过镜头，经过一个特殊设计的分光棱镜将相应颜色的光线反射到相应的CCD图像传感器中，每一个CCD产生一种颜色的图像数据，经过一次扫描即可得到彩色的图像。因此，可以看出这种分色技术成像速度最快，但其造价最高。 4）单CCD色分离技术 单CCD色分离技术仍然是采用单个线性CCD，不过，在CCD的感光面上加入了滤色镜，在感光的同时直接进行分色。 (4)VAROS技术 普通的CCD扫描仪在扫描时，须在被扫描物体表面形成一条细长的白色光带，光线通过一系列镜面和一组透镜，最后由CCD元件接收光学信号。但是，在这种条件下，光学分辨率被CCD像素数量所限制。在VAROS技术中，CCD元件与透镜之间放置一片平板玻璃，首先，扫描仪进行正常的扫描工作。这一步得到的图像与其他扫描仪基本相同。然后，平板玻璃倾斜，使扫描图像移动1/2个像素，扫描过程重复一次。这样可以使扫描仪读取被移动后的像素的数据。最后，运用软件合成第一次与第二次的扫描数据，得到两倍数量的图像信息。换言之，运用VAROS技术，我们可以将普通600dpi的扫描仪变成1200dpi高分辨率的扫描仪。 2接触式图像传感器CIS(或LIDE) 接触式图像传感器CIS(或LIDE)是近些年才出现的名词，其实这种技术与CCD技术几乎是同时诞生的。绝大多数手持式扫描仪采用CIS技术。CIS感光器件一般使用制造光敏电阻的硫化镉作感光材料，硫化镉光敏电阻本身漏电大，各感光单元之间干扰大，严重影响清晰度，这是该类产品扫描精度不高的主要原因。它不能使用冷阴极灯管而只能使用LED发光二极管阵列作为光源，这种光源无论在光色还是在光线的均匀度上都比较差，导致扫描仪的色彩还原能力较低。LED阵列由数百个发光二极管组成，一旦有一个损坏就意味着整个阵列报废，因此这种类型产品的寿命比较短。无法使用镜头成像，只能依靠贴近目标来识别，没有景深，不能扫描实物，只适用于扫描文稿。CIS对周围环境温度的变化比较敏感，环境温度的变化对扫描结果有明显的影响，因此对工作环境的温度有一定的要求。LIDE(LED In Direct Exposure)二极管直接曝光技术是佳能公司独创的技术，是一种基于CIS技术的革新技术，它使用三色二极管作为光源。与使用冷阴极灯源的扫描仪相比，二极管具有体积小巧且持久长效等特点，不过它所产生的光线比较弱，很难保证扫描影像所需的亮度。针对这一原因，LIDE技术对二极管装置及引导光线的光导材料进行了改造，使二极管光源可以产生均匀并且亮度足够的光线用于扫描。 LIDE型扫描仪由3部分组成，即光导、柱状透镜和线性光学传感器。光导的主要作用是增强红、绿、兰三个色彩通道的光照强度，柱状透镜则可以确保反射光更好地向传感器聚焦(这是提高扫描精度的关键措施)，线性传感器则最大程度地避免了边缘变形问题。由于省略了一系列反射镜，LIDE型扫描仪就能避免因此带来的各种像差和色差，可以较好地重现原稿的细节和色彩。 LIDE通过接触式图像传感器CIS从近距离接触以1：1的比例对原稿进行扫描，不需要复杂的光学系统，这就使扫描仪的尺寸可以做的较小，同时也使扫描仪变得非常轻巧。此外，由于二极管光源及扫描头移动所需要的功耗极小，这类产品能够通过PC机的USB端口提供所需的电力。 3CCD与CIS的区别 通常人们提起扫描仪，会比较注重它的扫描分辨率，而对它所采用的感光元件未必会在意。究竟是选择CCD型扫描仪，还是选择CIS型扫描仪，不少用户都会感到迷惑，哪种扫描仪更适合呢? 简单说这两种扫描仪的区别就在于感光器件上，CCD型扫描仪使用的是电子耦合器件，而CIS型扫描仪使用的是接触式影像感光器件。这两种感光器件的工作原理大相径庭： CCD元件本身是整个扫描仪成像的核心，但光源发出的光必须经过镜片的反射和透镜的聚焦，这些光学器件的加入使整个扫描仪成本提高；而 CIS扫描仪是利用微小光源发出的光经扫描原稿反射后由感光器件直接接收而成像，CIS感光元件本身足以完成成像任务，不需要镜片和透镜的参与，因此产品的组装非常容易，成本较低。由于CIS扫描仪依靠直接接收反射光成像，技术含量相对较低，在扫描景深等方面表现较差。除了感光部分的差别外，两种扫描仪其它部分的工作原理基本一致，都是将光信号转变成数字信息。 对比两种扫描仪产品，CCD型扫描仪占有明显的优势，但CIS型扫描仪也并非一无是处。 CCD型扫描仪的缺点是：需要一整套光学系统，包括照明冷光源和多个反光镜和光学镜头，通过复杂的光路在CCD传感器件表面成像。它的组成部件较为复杂，成本相对较高，扫描后对图像数据的处理也相对复杂。一般使用冷阴极管做光源，需要预热1分钟左右才能稳定发光。CCD扫描仪需要通过一系列透镜、反射镜成像，所以会产生色彩偏差和光学像差，一般需要通过扫描软件进行色彩校正。 CIS型扫描仪的优点是：具有模块化设计，扫描光源、传感器、放大器集成为一体，结构、原理和光路都极为简单。由传感器直接从稿件表面获取图像，理论上不会产生色偏和像差，能获得最接近原稿的图像效果。能够降低设计制造成本，而且产品的体积可以设计得更薄、更小，CIS型扫描仪没有明显的等待时间。 CIS型扫描仪的缺点是：不能使用镜头，只能压近原稿扫描，扫描精度较低。另外，它的光源只能用LED发光二极管，这种光源无论在光色以及均匀度上都比较差，色域较CCD窄，获得的色彩不如CCD的丰富，而且光源的寿命比较短。 此外，传统的CCD扫描仪因为采用光学镜头成像于CCD表面，所以它具有一定的景深，对隆起的书脊，甚至实物都可以得到清晰的扫描效果。CIS扫描头利用传感器从扫描物体表面得到图像，景深较短，扫描的层次有些不足，对扫描摆放不平的文稿和图片显得有些力不从心，待扫描物体必须平整地放在扫描仪上。CCD的景深至少是CIS的10倍，这意味着CCD扫描仪在一定范围内对3D物体的扫描是清楚而生动的，而CIS扫描仪扫描略微凹凸不平的物体时，输出的图像常会出现模糊和散焦的情况。 高质量的CCD感光元件能保证在质量不变的情况下使用10000小时，而目前的CIS扫描仪的发光元件在使用500小时后，其亮度平均降低30，也就是说CIS扫描仪的发光元件寿命较短。虽然CIS发光元件寿命较短，但CIS扫描头价格便宜，更换很方便。 4 光电倍增管(Photo Multiplier Tube) 工作原理 与采用线性CCD为图像传感器的平板式扫描仪不同，光电倍增管(PMT)为滚筒式扫描仪采用的光电转换元件。 在各种感光器件中，光电倍增管是性能最好的一种，无论在灵敏度、噪声系数还是动态范围上都遥遥领先于其他感光器件，而且它的输出信号在相当大范围内保持着高度的线性输出，使输出信号几乎不用做任何修正就可以获得准确的色彩还原。 光电倍增管实际是一种电子管，其感光材料主要是由金属铯的氧化物及其他一些活性金属(一般是镧系金属)的氧化物共同构成。这些感光材料在光线的照射下能够发射电子，经栅极加速后冲击阳电极，最后形成电流，再经过扫描仪的控制芯片进行转换，就生成了物体的图像。在所有的扫描技术中，光电倍增管是性能最为优秀的一种，其灵敏度、噪声系数、动态密度范围等关键性指标远远超过了CCD及CIS等感光器件。同样，这种感光材料几乎不受温度的影响，可以在任何环境中工作。但是这种扫描仪的成本极高，一般只用在最专业的滚筒式扫描仪上。 采用光电倍增管的滚筒式扫描仪较采用CCD的平板式扫描仪复杂许多，它的主要组成部件有旋转电机、透明滚筒、机械传动机构、控制电路和成像装置等。 滚筒式扫描仪扫描图像时，将要扫描的原稿贴附在透明滚筒上，滚筒在步进电机的驱动下，高速旋转形成高速旋转柱面，同时，高强度的点光源光线从透明滚筒内部照射出来，投射到原稿上逐点对原稿进行扫描，并将透射和反射光线经由透镜、反射镜、半透明反射镜、红绿蓝滤色片所构成的光路将光线引导到光电倍增管进行放大，然后进行模数转换进而获得每个扫描像素点的红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色的分色颜色值。这时，光信息被转换为数字信息传送，并存储在计算机上，完成扫描任务。它的扫描特点是一个像素一个像素地输入光信号，信号采集精度很高，且扫描图像的信息还原性很好。 直流电机的工作原理与性能直流电动机的工作原理固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。将直流电动机的工作原理归结如下：将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。电机内部有磁场存在。载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用，f=Bli.所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转|分)旋转，以便拖动机械负载平板玻璃的微扫描器设计1.光学平板调制式微扫描原理在凝视型成像模式中, 水平和垂直方向均是空间离散采样成像过程。微扫描技术通过对同一场景进行多次相互之间有微小位移的空间采样, 获得相应的时间序列低分辨率图像, 然后按照微扫描顺序重构序列图像, 获得过采样图像, 再进行亚像元成像处理, 获得高分辨率的亚像元图像。一般地, 基于微扫描的亚像元成像系统主要包含成像光学系统、微扫描器组件、成像探测器组件、亚像元成像处理模块等四个部分, 实现凝视型亚像元成像的关键是微扫描技术和亚像元成像处理方法。根据光学原理, 当入射光路中加入一块倾斜的平行光学平板(图1), 将使光线在保持与原光路平行的图1 平板平移光路原理条件下产生子午方向位移, 轴向位移Z: (1) (2)由于、Z 只与平板的折射率n、厚度d 以及平板倾角有关, 与入射光线的方向无关, 因此出射光线将保持原有传输方向和会聚特性, 即不论在会聚光路或平行光路中是否加入倾斜平板均不影响原有光束的会聚特性, 只能使会聚点沿光束的子午方向平移、轴向平移Z。2 平板调制式微扫描器设计2.1 结构设计如果平板的n、d 和都不变, 将平板绕光轴进行方位角旋转, 则会聚光束的聚焦点将在轴向位移Z 的平面上形成以原像点为中心, 以为半径的圆周。因此, 如果在离散探测器的成像过程中, 在光学系统与探测器之间顺序切入若干不同方位角的倾斜光学平板,将使成像向相应的方向产生微小位移, 实现平板调制式的光学微扫描。图2 给出一种实现22 扫描模式的平板调制式光学微扫描器。在旋转盘上留有四个透射窗口, 在每个窗口中安装一个与光轴夹角、相邻平板方位倾角相差90的光学平板; 在视频成像的帧消隐期间, 转盘依次将平板透射窗切入光路, 在像面上形成p 位移的光学微扫描(图中LL 为探测单元的几何尺寸), 成像器件周期性地依次完成四种微位移下的成像; 通过这种光学微扫描模式, 利用相邻最新的四帧图像进行亚像元成像处理, 理论上可获得图2 中(L/2)(L/2)尺度的场景分辨, 即实现亚像元的成像。图2 微扫描工作过程(22 模式)平板使光学聚焦点的位移量为, 在探测器面上的偏移方向分别是45、135、225和315, 而22 扫描模式要求帧间像面位移p=L/2, 因此: (3)公式(1)可展开为: (4)可以看出: 位移量与d 呈线性关系, 与呈奇次幂的关系, 当d 恒定时, n 越大, 则值越大; 当n1 时,0。由于光学微扫描属于小角度扫描, 值一般均较小, 因此, 公式(4)还可简化为: (5)已知像素间距L, 可确定值, 再依据选择的平板玻璃材料(折射率n)和平板厚度d, 由公式(1)或公式(5)计算光学平板相对光轴的倾角。四个光学平板安装在旋转盘上的倾角方向需要根据旋转盘轴心与探测器阵列中心的相对位置确定。对于探测器阵列垂直中心线过旋转盘圆心的情况(图3), 四个窗口光学平板的倾斜方向恰好均为45方向。这种设计模式为平板调制式微扫描器的加工提供了有利条件, 即窗口倾角可由角规控制在精度范围之内, 而四个窗口孔可在加工中心上一次性完成, 保证了四个窗口光学平板安装倾角及其加工精度。图3 透射窗口在圆盘上的倾角方向平板调制式微扫描器结构简单、控制方便、易于实现, 与成像系统的焦距以及平板的位置无关, 可按照通用组件设计, 适应不同光学系统的配置, 是一种较实用的微扫描方式(5)。当然, 这种微扫描方要求有较高的加工和光机装调精度。2.2 光学平板误差分析实际系统设计中需要特别考虑: (1) 平板厚度d的容差; (2) 平板倾角的容差; (3) 平板的平行度容差。由公式(4)可知: （6） (7)当光学平板的平行度发生偏差(图4)时, 两次折射后的光路偏移值将和设计值发生偏差。平板平行度的容差可表示为: （8）式中: D 是光学平板距离成像传感器的距离; 是平板平行度偏差角。图4 平行度偏差引起的偏移由于D 越大,产生的 越大, 对系统的影响就越大, 故在设计中除减小平板的不平行度外, 还应尽量使光学平板靠近传感器。对于安装的角度容差, 通过优化结构设计和在线光学检测等方法控制精度。3 实验系统设计以上22 微扫描工作模式的平板调制式微扫描器设计方法适合于凝视探测器可见光成像系统, 也适合于基于凝视型焦平面探测器的热成像系统。为了验证以上设计原理, 设计了一种基于凝视型面阵CCD探测器的光学平板调制式微扫描器, 并将其应用于可见光亚像元成像实验系统。3.1 成像探测器组件该组件采用美国PULNiX 公司TM6760 CL 数字视频摄像头。TM6760CL 是一种像元数648(H)484(V)的1.27 cm(1/2)黑白逐行扫描行间转移CCD 摄像机,探测器单元尺寸9.0 (m 9.0 (m, 采用CameraLINK 数字视频模式输出VGA 的数字视频, 最高全帧帧速60 帧/s。3.2 成像光学系统光学系统需要根据传感器和整个系统的结构来选择。由于工业摄像机镜头大多是标准C/CS 接口, 镜头机械接口外缘到CCD 传感器的距离仅有17.526/12.5 mm, 无法容纳光学微扫描器机构。考虑到标准单反照相机镜头具有较长的后截距, 因此, 选定Nikon公司F 卡口镜头作为系统的光学镜头部件, 其具有46.5 mm 的机身像场定位距离, 后截距较C 接口镜头增加了将近19 mm, 可保证光学微扫描器的安装。3.3 光学平板调制式微扫描器根据成像探测器像元资料, 像素中心距L=9.0 !m,选用K9 玻璃作为光学平板材质, 由公式(1)、(3)以及(6)(8), 可得光学平板参数: 折射率n=1.516 3(K9 玻璃) ; 厚度d=1 mm; 倾角=0.009 345=0.535 4=327; 平板厚度d 的容差=0.003 0 mm; 角度容差=0.168 3; 平板的加工平行度容差=0.002 2。光学平板调制式微扫描器采用具有空心杯结构的高性能直流伺服电机, 微扫描器控制器采用电机运动控制器配合结构紧凑的内置式电磁编码器来实现,最高可以获得2 048 L/R 的分辨率。采用外同步信号来控制电机运动。控制系统有两个输入信号、一个输出信号, 其中绝对零点信号从一个输入端输入, 同步信号从另一输入端输入, 外部触发信号从数字输出端输出。绝对零点信号由一个外部位置传感器提供, 作为内置式编码器信号的补充, 确定微扫描器的起始工作位置。当绝对零点信号为真时, 微扫描器开始进入正常工作状态。外同步信号由视频处理模块从采集的视频信号中分离出来, 作为电机旋转到下一工作位置的中断信号。外部触发信号作为触发CCD 采集的VINIT 外部脉宽信号, 起电子快门信号的作用。3.4 亚像元成像处理组件为了避免平板移动过程对成像造成的图像模糊,采用在帧消隐时间切换平板的方式。此外, 还可设置摄像机电子快门扩大非成像的时间宽度。图6 为成像探测器在外部脉宽控制异步电子快门工作状态下的时序。利用VINIT 外部脉宽信号可以控制成像的时间间隔。图6 外部脉宽信号异步电子快门工作时序电机驱动控制电路的数字输出端口输出外部触发信号作为成像探测器的VINIT 外部脉宽信号。视频处理模块在成像采集完成后给出外同步信号, 送至电机驱动控制电路同步输入端, 用于电机驱动旋转盘到下一工作位置的中断信号。图7 给出22 微扫描工作模式下亚像元成像处图7 22 微扫描亚像元成像处理的输入输出框图理的输入输出框图。通过图像采集处理系统进行视频流数据分配, 采用流水方式存储最新的四帧序列图像, 并由此进行亚像元成像处理8, 输出模拟/数字视频的亚像成像图像。光学平板调制式微扫描器的面阵CCD 亚像元成像实验系统的视频采集和处理采用了Matrox Oddssey 处理平台, 通过可编程实时处理程序, 实现文中的亚像元成像处理以及图像显示。计计算数据和结构图计算数据光学平板参数: 折射率n=1.516 3(K9 玻璃) ; 厚度d=1 mm;倾角=0.009 345=0.535 4=327; 平板厚度d 的容差=0.003 0 mm; 角度容差=0.168 3; 平板的加工平行度容差=0.002 2。光学平板调制式微扫描器采用具有空心杯结构的高性能直流伺服电机,成像探测器组件该组件采用美国PULNiX 公司TM6760 CL 数字视频摄像头。TM6760CL 是一种像元数648(H)484(V)的1.27 cm(1/2)黑白逐行扫描行间转移CCD 摄像机,探测器单元尺寸9.0 (m 9.0 (m, 采用CameraLINK 数字视频模式输出VGA 的数字视频, 最高全帧帧速60 帧/s。结构图被测物体探测器亚像元成像处理平板玻璃结束语 研究了基于平板玻璃的微扫描器设计的原理和设计方法, 分析了设计误差, 设计了一种基于凝视CCD 探测器的22 平板调制式微扫描器, 并在此基础上设计了一个采用平板调制式微扫描的亚像元成像实验系统。光学平板调制式微扫描器可实现实时的亚像元成像, 虽然文中仅给出了对可见光面阵CCD 探测器的设计, 但有关设计理论和方法也适合凝视焦平面红外探测器成像系统。由于平板调制