基于平板玻璃的微器设计3

1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。21．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10μm。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A／D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10μm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。3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。44）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(LEDInDirectExposure)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5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。3．CCD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、