光学微扫描显微热成像系统理论与关键技术研究

Thermal microscope imaging systems can not only shape the details of the object, but also observe the details of changes in temperature, so the system have a very important role in nanotechnology, biotechnology, genetic technology, microelectronics, materials science and other fields. There is a lack performance evaluation parameters, micro-displacement error model and other issues yet in the developed system and we will solve these problems to provide theoretical support for system optimization. According to radiometric, thermal radiation law and detector performance, the difference between the micro pattern and the telescopic pattern will be analysed. Then, the mathematical model and instrinsic relationship of noise equivalent temperature difference(NETD), noise equivalent flux density(NEFD)and noise equivalent eradiation difference(NEED) for the system will be established and analysed, which can provide theoretical guidance for system design. We will analysis the model between micro-displacement precision with optical systems, micro-scanning system, detectors, mechanical components and the environment. Then the feasibility of reducing the error will be explored, in the end we will complete to optimize the micro-scanning system and set up a prototype. Based on principle of the Taylor series and micro-scanning, we will proposed a high-resolution reconstruction algorithm and image adaptive acquisition for standard 2×2 micro-scan images. We will explore the similarities and differences of microscopy with the telephoto mode and then the super-resolution image processing theory will be studyed. The research can improve the theory of thermal microscope imaging system and high resolution image processing. In addition it will promote the process of the practical application of high-resolution thermal microscope image system and some theory can be directly applied to the optical imaging system designtion to improve its performance.

显微热成像系统不仅能观测物体的形状细节，还能观测温度变化的细节，因此对需要进行细微热分析的领域具有重要作用。前期研制的微扫描显微热成像系统存在缺乏性能评价参数、微位移误差模型未建立等问题，这些问题的解决可为系统优化设计提供理论支撑。为此，将基于显微热成像机理、辐射度学、建立系统的噪声等效温差（NETD）、噪声等效辐射率差（NEED）的数学模型并分析其内在联系，为系统设计提供理论指导；建立微扫描位移误差与光学系统、微扫描系统、探测器等关系的理论模型，探讨提高位移精度的可行性方法，优化研制样机一套；研究标准2×2 微扫描过采样图像自适应获取与高分辨力重构理论；探索显微热图像与望远模式热图像的异同并研究显微热图像特有的超分辨力图像处理算法。项目的研究能够进一步完善显微热成像及高分辨力图像处理理论，推进高分辨力显微热成像系统的实用化进程，部分研究成果可直接应用于其他光电成像系统的设计以提高其性能。

随着MEMS/MOEMS技术的发展，越来越多的领域需要进行显微热分析，为此红外显微成像技术的应用需求不断增加。本项目首先推导建立了噪声等效辐照度差NEFD的数学模型，给出显微热成像系统的噪声等效温差NETD与NEFD的关系模型；研究望远模式与显微模式NEFD的差异。在此基础上，推导出温度相同，由发射率不同产生的NEED。随后针对理想光子探测器和理想热探测器，研究上述几种模型的关系。最后探讨了带有微扫描装置的系统NETD和NEED性能参数的数学模型，分析给出了提高系统性能的方案，为后续系统优化奠定基础。基于系统特性、微扫描理论、几何光学原理及光路，同时考虑影响因素建立了系统的微位移及其误差的数学模型，通过定量的数学模型的分析出产生误差的影响因素，分析了减小微位移误差的方法，总结出一套微扫描系统优化设计理论，基于以上理论完成了微扫描器相关的参数设计和系统各部分加工容差的计算，完成了各部分的设计。为最大程度抑制光学扫描误差，研究提出五种基于四幅非标准2×2微扫描图像得到标准2×2微扫描图像的自适应获取与重构算法。为进一步提高显微热成像的性能，研究提出一种适合显微热成像系统的超分辨力图像处理算法。基于以上设计方案和参数，完成了微扫描系统设计和加工，搭建得到高分辨力光学微扫描显微热成像系统，完成实际图像采集与处理实验，对系统进行验证，实验结果表明，以上理论和算法正确有效，系统性能得到提高，为后续系统的产品化提供基础。项目以负责人作为第一作者发表论文10篇，其中在国内外期刊上正式发表的期刊文章8篇，发表国际会议论文2 篇。SCI 检索文章3 篇， EI收录6篇，申报国家发明专利2项。培养博士研究生1名，硕士研究生7 名。负责人作为第一完成人获得河北省技术发明二等奖1项。项目的研究推进了显微热成像系统的实用化进程，且研究成果可直接应用于其他光电成像系统以提高其性能。项目研究还将促进多个高科技技术领域的发展，提高其研究和实验分析的技术水平。