微图像阵列（共6篇）
微图像阵列 篇1
引言
集成成像因其具有连续视差、不需要助视设备、无立体观看视疲劳等优势,是最有希望实现3D电视的真3D显示方法之一[1]。到目前为止,研究人员解决了集成成像3D分辨率低[2,3]和景深小[4,5,6]等问题[7,8,9,10,11]。如何让集成成像3D显示被众多家庭用户所接受,成为了亟待解决的问题。在传统集成成像的拍摄和显示过程中,所使用的微透镜阵列参数相同,而在实际的电视系统中,我们无法让所有的家庭用户的集成成像3D显示器都具有相同的参数,同样地,广播电视系统也不可能为每一种参数的集成成像3D显示器都拍摄一组与之对应的3D显示片源。因此,只有让微图像阵列与不同参数的集成成像3D显示系统兼容,才能实现理想的集成成像3D电视播放。本文提出基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法,该方法能实现不同参数的微图像阵列与微透镜阵列间的兼容,且重建的3D图像不会产生图像缩放和图像畸变。
1原理
本文提出的集成成像方法的原理示意图如图1所示,在拍摄过程中,微透镜阵列1包含M1×N1 个透镜元,其节距和焦距分别为p1和f1,三维场景的3D信息被微透镜阵列1记录在其焦平面上,获得微图像阵列1;在显示过程中,微透镜阵列2包含M2×N2 个透镜元,其节距和焦距分别为p2和f2,因此拍摄过程中的微透镜阵列1和微图像阵列1与显示过程中的微透镜阵列2和微图像阵列2具有不同的参数。本文推导出像素映射算法将拍摄获得的微图像阵列1生成显示时所需的微图像阵列2,由微透镜阵列2和微图像阵列2重建的3D图像没有发生图像畸变,且保持原 三维场景 的尺寸大 小和空间位置。
图2所示为推导的像素映射算法,包含虚拟显示和虚拟拍摄两个步骤。在虚拟显示步骤中,微图像阵列1和微透镜阵列1重建出三维场景深度反转的3D图像。在虚拟拍摄过程中,微透镜阵列1和2的间距为L,微透镜阵列2与图1(b)显示过程中的微透镜阵列2参数相同,微图像阵列1和2的图像元分辨率都为r×r。如图2所示,微图像阵列1上第m列n行的图像元中第i列j行的像素记为I1(m,n)i,j,该像素发出的光线被微透镜阵列1和2折射,到达微图像阵列2上第m′列n′行的图像元中第i′列j′行的像素位置上,该像素记为I2(m′,n′)i′,j′。因此像素I1(m,n)i,j与像素I2(m′,n′)i′,j′之间存在如下关系:
式中,round(·)函数代表四舍五入取整数。当计算出的i′和j′值大于图像元分辨率r时,应舍弃该像素以避免相邻图像元间的串扰。这样,将m从1到M1循环取值,n从1到N1循环取值,i从1到r循环取值,j从1到r循环取值,就能将微图像阵列1中的所有像素映射到微透镜阵列2的焦平面上,生成显示过程所需的与微图像阵列1参数不同的微图像阵列2。
图2中,微透镜阵列1和2的间距L决定了再现3D图像的深度。设在拍摄过程中,3D物体到微透镜阵列1的距离为la,在显示过程中,重建的3D图像的深度为
当la=L时,3D图像显示在微透镜阵列2上;当la>L时,3D图像显示在微透镜阵列2之后;当la<L时,3D图像显示在微透镜阵列2之前。
在像素映射过程中,当微图像阵列1中相邻图像元的像素发出的光线被微透镜阵列1和2折射后,到达微图像阵列2中,将产生如图3所示的串扰像素,因此微透镜阵列1和2的焦距和节距应满足式(7)的关系,以避免串扰像素的出现。
当在微图像阵列1中找不到像素与微图像阵列2中的像素I2(m′,n′)i′,j′对应时,微图像阵列2中就产生了无信息像素,如图4所示。因此微图像阵列1、2和微透镜阵列1、2的单元数量M1×N1和M2×N2 应满足式(8)和式(9),以避免无信息像素的出现:
式中ceil(·)函数表示向上取整数。
2实验及验证
实验中,3D场景由三个位于不同深度的平面图像组成,如图5所示,相机阵列模拟微透镜阵列1对3D场景进行拍摄。Z轴表示不同平面图像与相机阵列的距离,分别是60 mm,100 mm和150 mm。我们对本文提出的方法、无参数改变的传统方法、以及文献[11]所述的直接缩放方法进行了实验比较,所用的器件参数如表1所示,其中本文提出的方法中微透镜阵列1和2的参数满足公式(7)~(9),生成的三幅微图像阵列2如图6(a)~(c)所示。
我们采用基于深度平面的计算机重建实验来产生三种方法重建的3D图像在纵向的截面图,该方法可以很容易的获得重建3D图像的纵向放大率。因为微透镜阵列1和2的间距为L=100mm,因此无参数改变的传统方法重建的无畸变3D图像的深度应分别为-50mm,0mm和40mm。图7(a)和(b)分别为本文提出的方法和传统方法重建的3D图像,它们分别在-50mm,0mm和40mm的深度上能清晰成像,说明其纵向放大率为1。图7(c)所示为直接缩放方法重建的3D图像,分别在 -42.8mm,0mm和34.3mm处清晰成像,说明该方法重建的3D图像的纵向放大率约为0.86。
同样,我们进行了集成成像光学3D显示实验来验证重建3D图像的横向放大率。因为三幅微图像阵列2的分辨率较高,我们采用爱普生高分辨率彩色打印机将三幅微图像阵列2打印出来,并与相应参数的微透镜阵列2进行精密耦合,获得的三幅集成成像3D画如图8所示。图中直尺用来测量再现3D图像“II”的横向尺寸,如图8(a)和(b)所示,本文提出的方法和传统方法重建的3D图像“II”的横向尺寸都为67.5mm,因此它们的横向放大率为1,而图8(c)所示的直接缩放法重建的3D图像“II”的横向尺寸变为43.5mm,因此其横向放大率约为0.644。因此上述实验验证了本文提出的方法能生成不同参数的微图像阵列2,且重建的3D图像没有发生图像缩放和图像畸变。
3结论
本文提出了一种基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法,推导了包括虚拟显示和虚拟拍摄两个步骤的像素映射算法,该方法生成了与拍摄时微图像阵列1参数不同的微图像阵列2,同时还推导了微图像阵列1和2之间的函数关系,以及微图像阵列1、2和微透镜阵列1、2应满足的数学关系,当微透镜阵列1和2的参数满足文中的公式(7)~(9)时,微透镜阵列1和2的参数可以任意的设置,生成的微图像阵列2可用于对应参数的集成成像3D显示器显示。实验结果证实了该方法重建的3D图像保持了原三维场景的横向和纵向尺寸,且没有图像畸变产生。
微图像阵列 篇2
本文根据光场成像技术,针对图像清晰度问题提出了由图像序列完成微透镜成像的全聚焦方法。实验采用Lytro相机捕捉图像,在前面学者的研究基础上,考虑了微透镜的渐晕效应以及微透镜呈六边形阵列的排列方式,完成了图像数字内容的提取、编码和颜色校正。在空间域实现重聚焦的方法上完成了本文提出的图像序列全聚焦,实验证明该方法提高了图像的清晰度。
1 光场相机理论基础
1.1 光线传播矩阵
光是分布在空间中的电磁场,而光场则记录了整个光线辐射度。目前是通过基于微透镜型、基于相机阵列型、基于掩膜版型的光场相机来捕获光场信息。光线在相机中的传播路径中会发生一定的转变。设光线的空间坐标为q,方向坐标为p,通过微透镜后光场向量为(q',p')。光线在透镜处产生折射,只改变了光线方向,没有移动光线,光线折射结果如图1(a)所示。光线在主透镜和微透镜之间传播,空间位置随传播方向及传播位置的变化而变化,光线传播路径如图1(b)所示。公式(1)表示了光线在微透镜折射后的变化以及光线在主透镜和微透镜阵列之间传播的变化情况。
式(1)中f为透镜的焦距,T为主透镜与微透镜阵列之间的距离,理想情况下为主透镜的焦距。
由于传统的矩阵光学是基于近轴近似的,并且所有光学元件的光轴都是在主光轴上。因此分析含有透镜阵列的光学系统时,需要对传统的近轴光学理论进行修正。如果定义透镜与主光轴的平移量为s,由公式(2)可知,单一薄透镜的传递矩阵应该有如下的修正。首先通过减去s转换到透镜中心坐标,然后应用单一薄透镜传递矩阵进行修正,最后通过加上s转换到原始坐标系。
化简公式(2)可得光线在透镜上的传播表示:
1.2 光场的双平面参数化
光场是空间光辐射量的集合,光场相机通过在主透镜和感应器之间放置微透镜阵列来捕捉光线的位置信息和方向信息,我们用计算摄影学[7,8]来处理光线的离散采样,根据Levoy的光场渲染理论[9]将光场采样装置进行双平面参数化,来表示光线的位置和方向信息。如图2所示,u-v为微透镜阵列所在平面,表示光线的位置信息,x-y为感应器所在平面,感应器上的每个像素记录光线的方向信息,LF(x,y,u,v)表示空间中的光线辐射函数,F为微透镜和感应器之间的距离。
通过光场的双平面参数化来获得光场的四维信息,因此光线的能量函数可表示为:
1.3 Lytro相机
Lytro[10,11,12]是光场相机在消费市场的第一个实现,相机的主透镜聚焦于328×328的微透镜阵列,微透镜呈六边形排列,感应器位于微透镜的焦距处,且每个微透镜后有10×10个像素,所以从Lytro提取的原始图像为分辨率是3 280×3 280的灰度图,放大原始图像可清晰地观察到微透镜的排列形式,图3是Lytro相机提取的原始图像,右边是原始图像红色方框内放大后所呈现的微透镜阵列图。
2 图像序列全聚焦算法
2.1 空间域积分重聚焦
根据光场成像原理及光线的能量函数,可得图像聚焦在不同的焦点对应于改变微透镜和感应器之间的距离,这样使空间光线轨迹产生不同的切片。我们假设图像聚焦在新的成像平面为F'(F'=αF),根据三角形相似定理,可得光线与探测器平面F的交点坐标为[u+(x-u)/α,v+(y-v)/α],故光线LαF可表示为:
式(5)中,α=F'/F,令Bα为4×4的一个矩阵,则有:
代入式(5)可得:
将式(6)代入式(4)可得光线在重聚焦处的能量函数为:
即:
EαF即为四维光场获得的重聚焦能量值。空间域积分重聚焦即在获得的四维光场数据上,通过成像的不同平面确定相应的α值,由α确定图像像素位置及其对应的微透镜,图4为摄影变换中,不同的α值产生不同的切片,相交于不同的微透镜。
2.2 清晰度评价函数
对于空间域数字重聚焦,场景图片的细节表现在图像边缘的锋利程度,也就是物体轮廓的明显性,越清晰的图像,轮廓就越锋利,同时图像在变化过程中包含的高频信息越丰富。清晰度评价方法用于评价图像的聚焦性,需要与被评价图像的信息独立,能根据聚焦图像的α值呈现单调性的变化,并且在聚焦图像的不同变化中显现不同程度的值变化。
目前已有的评价函数可分为3种类型:对灰度差值指标的评价、对边缘锐利程度的评价、对信息论指标的评价。实验是对图像重聚焦清晰度的测量,我们采用具有调焦范围小、稳定性高、灵敏性强,适用于小范围内精确聚焦的Tenengrad灰度梯度函数作为评价函数。
式(9)中Gx,Gy分别为:
Tenengrad函数是先对图像信息进行加权平均,在计算微分值,并分别对垂直和水平方向采用模板运算,能够在一定程度上抑制噪音。
2.3 图像序列全聚焦算法
通过主透镜的光线经不同(u,v)位置的微透镜散焦在相应的图像传感器上,这样主透镜通过不同的(u,v)位置形成子孔径图像,每个微透镜记录了光线的位置信息,微透镜后的每个像素记录了光线的方向信息,从每个微透镜后相同的位置取出像素可组成不同方向的子孔径图像。子孔径图像分辨率低,且没有呈现出不同的聚焦点。
Lytro相机采用328×328的微透镜阵列,捕获的图像为3 280×3 280,根据图像特性,算法采用8×8的图像序列模型,每个子图像窗口为410×410。按子图像序列模型将原始图像进行分割,得到8×8个子图像序列,对每个子图像计算积分重聚焦,并用Tenengrad灰度梯度函数对每个子图像进行清晰度评价,计算最佳重聚焦α值。得到最佳重聚焦子图像序列,通过图像融合得到最终的全聚焦图像。算法流程如图5所示。
3 实验结果与分析
为验证所提算法的正确性和可行性,实验使用Lytro相机采集图像数据,配置处理器Intel(R)Core(TM)i7-3770 CPU@3.40 GHz,要求内存16.0 GB;64位操作系统,1.8 TB硬盘,根据流程图以Matlab为主要开发工具编写相关程序实现各部分功能,最后将各个功能整合,从而获取全聚焦的光场图像。
3.1 数据处理
Lytro相机提取到的原始图像为3 280×3 280的灰度图,并在配置文件中提供相应的白图像,由于相机制造工艺不能完全精确,会出现微透镜阵列不在焦平面或微透镜阵列倾斜等问题,由此造成图像的渐晕效应。我们首先对配置的白图像降噪处理,提取所需的数据信息、保存相应的图像网格模型。将此信息用于对原始图像的校正,用圆形磁盘‘disk’均值滤波器减少微透镜边缘的噪音,其参数根据微透镜阵列的最小半径值来确定,本实验采用r=5,以此来确定每个微透镜所在范围内的最大值,即微透镜最亮的部分,然后用二维傅里叶变化对白图像进行卷积计算。由于光线进入相应微透镜的权值和方向不同,所以每个微透镜最亮点的位置也不同,实验用Matlab工具箱中的mregionalmax函数确定微透镜中心,再用Delaunay Tri函数在微透镜阵列内构造三角形确定微透镜中心坐标,使每个三角形的外接圆内没有其他微透镜中心点。图6中为Lytro相机提取的白色图像及微透镜中心标定后的图像。
3.2 图像全聚焦
通过标定获得光场数据后,根据重聚焦公式(8)提取不同深度的重聚焦图像。实验中α的取值范围为(0.3,1.8),步长为0.05,并通过图像清晰度评价函数确定图像在聚焦值α处的清晰度,实验表明,对原始图像进行重聚焦测量,当α值不同时,测量值F呈单调性变化,图像聚焦的深度也不同。图7选取了不同α值处的重聚焦图像及相应评价函数的测量值,方框内是不同的聚焦点。
从重聚焦结果的图像我们可以得到,当α的值接近1时,清晰度评价函数的测量值最大,图像聚焦平面接近于原始提取到的图像,当α值从0.3增加到1时,图像重聚焦于景深小的部分,当α值从1~1.8时,图像重聚焦与景深大的部分。由此我们在确定不同深度的焦点时,在此聚焦范围(α-0.5,α+0.5)内,取步长0.05,或者根据微透镜的不同选择更小的步长,通过评价函数确定该深度值处的最清晰图像。
完成图像重聚焦后,根据本文提出的算法,对标定后的图像分割成8×8的图像序列,对每个子图像重聚焦,用清晰度评价函数确定最佳聚焦点,再进行图像融合获取全聚集图像。图8展示了从Lytro相机提取到的散焦图像、不同聚焦点的图像以及经过本文算法实现的全聚焦图像。实验表明本文算法能够提取到全聚焦图像,获得更加清晰的图像,在一定程度上提高了图像的分辨率。
图8 Lyrto相机提取的照片(a),重聚焦在前(b),重聚焦在后(c),全聚焦(d)Fig.8 picture from Lytro camera(a),refocus ahead(b),refocus latter(c),all-focus(d)
4 结语
目前,光场相机已经广泛地应用于三维重建,医学,航空航天等领域。图像重聚焦和深度估计也成为光场领域的重要研究之一。本文首先根据Lytr相机基本原理对提取到的原始图像进行编码、标定和颜色校正,在重聚焦的基础上提出一种基于图像序列的全聚集方法,实验表明,与原始图像相比提高了一定的图像分辨率,证明了所提算法的正确性和实用性。
我们将对光场相机进行更深入的研究,通过光场信息提取物体景深,从遮挡物后面提取所需要的物体信息,实现物体的三维重建。
参考文献
[1] Perez Nava F,Luke J P.Simultaneous estimation of super-resolved depth and all-in-focus images from a plenoptic camera.3DTV Conference:The True Vision-Capture,Transmission and Display of 3D Video,2009.IEEE,2009:1—4
[2] 王宇,张旭,李晨,等.基于光场成像的三维测量方法的研究.仪器仪表学报,2015;36(6):1311—1318Wang Yu,Zhang Xu,Li Chen,et al.Study on the three-dimensional measurement technology based on light field imaging.Chinese Jourual of Scientific Instrument,2015;36(6):1311—1318
[3] Georgiev Tr,Yu Zhan,Lumsdaine A,et al.Lytro camera technology:theory,algorithms,performance analysis.International Society for Optics and Photonics.2013:2273—2276
[4] Dansereau D G,Pizarro O,Williams S B.Decoding,calibration and rectification for lenselet-based plenoptic camera.Computer Vision and Pattern Recognition,2013
[5] 尹晓艮,张晓芳,张伟超,等.基于光场数字重聚焦的三维重建方法研究.光电子·激光,2015;(05):986—991Yin Xiaogen,Zhang Xiaofang,Zhang Weichao,et al.Study on 3D reconstruction based on light field digital refocusing.Journal of Optoelectronics Laser,2015;(05):986—991
[6] 肖相国,王忠厚,孙传东,等.基于光场摄像技术的对焦测距方法的研究.光子学报,2008;37(12):2539—2543Xiao Xiangguo,Wang Zhonghou,Sun Chuandong,et al.A range focusing measurement technology based on light field photography.Acta Photonica Sinica,2008;37(12):2539—2543
[7] Raskar R.Computational photography.computational optical sensing and imaging.Optical Society of America,2009
[8] 徐树奎,涂丹,李国辉,等.计算摄影综述.计算机应用研究,2010;27(11):4032—4039Xu Shukui,Tu Dan,Li Guohui,et al.Review of computational photography.Application Research of Computers,2010;27(11):4032—4039
[9] Bishop T E,Favaro P.The light field camera:Extended depth of field,aliasing,and superresolution.Pattern Analysis and Machine Intelligence,IEEE Transactions on,2012;34(5):972—986
[10] Cho D,Kim M L S,Tai Y W.Modeling the calibration pipeline of the Lytro camera for high quality light field image reconstruction.Computer Vision,2013:3280—3287
[11] 周文晖,林丽莉.Lytro相机的光场图像校正与重对焦方法.中国图象图形学报,2014;19(7):1006—1011Zhou Wenhui,Lin Lili.Light field image rectification and refocus method for Lytro camera.Journal of Image and Graphics,2014;19(7):1006.1011
微透镜及其阵列研究概况 篇3
1 微透镜及其阵列的产生与发展
1.1 微透镜及其阵列的产生
在20世纪70年代, 细微加工技术的应用促使微电子学诞生。微电子学的诞生使电路实现了微型化。但大部分功能器件仍是常规尺寸。于是, 在20世纪80年代初期, 首先出现了微机械和微电器。为了与这些微型元器件匹配, 光学也必须进入微型化时代。因此, 在20世纪80年代中后期便出现了微光学。
1970年, 美国康宁公司3名科研人员采用改进型化学气相沉积工艺和高温拉丝技术, 成功地制作出芯径只有几十微米且传输损耗只有20 Db/km的低损耗石英光纤, 开创了微小光学的新篇章。
科学的进步总是与技术的发展相得益彰, 光学元件的微型化势必会向阵列元器件方向发展。因此, 在20世纪80年代中后期, 一种新型的微光学阵列器件发展起来。它采用当时先进的光刻工艺, 将结构均匀的微透镜整齐地排列起来, 微透镜阵列就此诞生。
1.2 微透镜及其阵列的发展
微透镜阵列的出现促使光学元件进一步向微型化、集成化的方向发展, 因此, 基于微光学技术的光纤通信、光信息处理和光传感等技术也于20世纪末期蓬勃发展并至今方兴未艾。
1992年, 日本Sony公司成功将微透镜阵列与CCD单片集成制作出高灵敏度的CCD器件。通过在CCD上集成微透镜阵列, 使光聚焦在CCD光敏元上, 其灵敏度及信噪比得到了大幅改善。
1994年, 菲利普研发中心成功制作出二维大面积图像传感微透镜阵列, 其各个微透镜直径为190μm, 间隔为200μm。这在保证了图像分辨率的情况下, 大大加快了传感器件的响应速度。
1997年, 美国林肯实验室研究人员运用质量转移法制作出了折射非球形微透镜阵列, 应用于锥形谐振腔激光器的光束准直, 成功使衍射受限光束的发散角控制在0.43°, 并实现了单模光纤的耦合。
2005年, 韩国研究人员报道称成功将微透镜阵列用于超大尺寸的三维成像显示技术中。这大大扩大了显示器的视场范围, 使三维成像技术迈入了新的时代。
2006年, 美国斯坦福大学的研究人员成功将微透镜阵列集成于数码相机中, 替代了传统的单一透镜成像, 大大增加了相机的聚焦深度和视场角, 使远处和近处的像同时成像清晰。
目前, 国际上关于微透镜的研究单位主要有美国麻省理工学院、韩国先进科技研究院、日本Keio大学等。在国内, 研究人员对微透镜及其阵列也进行了深入研究并取得了广泛的应用——成都光电所将其成功地用于激光光束诊断、波前测量、激光光束整形和对光学元件的质量评估等实际场合;浙江大学也对微透镜在密集多载波分复用器中的应用作了深入研究。
2 微透镜及其阵列的制造方法简介
由于微透镜及其阵列的应用日益广泛, 它的制备方法也受到广泛的关注和深入的研究。到目前为止, 已经出现了很多制备微透镜阵列的方法, 比如光刻胶熔融法、二元光学光刻法、飞秒激光光刻和酸刻蚀法、离子束刻蚀、灰度掩模法、热压模成型法等。光刻胶熔融法因其制作过程简单、成本较低, 对仪器精度要求不高, 目前得到了广泛的应用。但用此方法制作出的微透镜的球冠高度普遍较小, 无法实现大的数值孔径, 这限制了其应用价值。灰度掩膜法的应用实现了对加工精度的改善, 但其精度控制对器材要求较高, 成本也相对提高, 因此, 应用范围相对较小。
科学家们一直在寻找新的更加廉价、高效的微透镜制备方法, 比如目前尚在研究中的“压痕腐蚀法”。该方法采用非接触式技术, 无需事先铺设光刻胶或掩膜, 大大降低了工艺复杂度和制作成本, 且制作出的微透镜面型比之前的方法更为可控, 可实现微米及亚微米尺度高质量微透镜及其阵列的精密制造。
3 微透镜及其阵列的应用
在微光学中, 微透镜阵列地位重要、可应用范围广, 可用于光数据传输、光信号处理、光计算、光互连等。具体来说, 可用于复印机、图像扫描仪、传真机、照相机以及医疗卫生器械的相关光学部件中。此外, 微透镜阵列器件微型化和集成化的实现使得其具有很强的适应性。如果将椭圆形折射微透镜阵列用于半导体激光器, 可以实现激光器的聚焦和准直, 还可将其用于光纤集成回路和光学集成回路, 实现光学器件更有效的耦合。在光纤通信中, 来自自由空间的入射光被椭圆形微透镜耦合进光纤, 从光纤出来的光也可以由椭圆形微透镜实现校准。目前, 微透镜阵列在原子光学领域有也所应用, 分束器、马赫一曾德尔干涉仪、原子波导等都可以利用微透镜阵列来实现, 也可使用微透镜阵列对中性原子进行量子信息处理或捕获原子。
4 微透镜及其阵列的发展前景
目前, 微透镜及其阵列正逐渐在各个领域中崭露头角, 尤其是在通信、国防及航空航天等领域。如今, 科技发展迅猛, 各个产业都呈现微型化、智能化和集成化的发展趋势。作为微光学领域的核心元件, 现有微透镜的制备技术在未来将不足以满足社会需求。因此, 对微透镜阵列使用的材料、制作工艺和用途等进行研究是十分必要的。由于现有微透镜制备工艺复杂, 不能同时满足造价与精确度要求, 因此, 微透镜技术还停留在小规模生产阶段。但随着技术的不断创新和改进, 其应用前景十分可观。
5 启示
微光学、微芯片以及微系统的出现将给传统光学、传统工业以及人们的生活带来根本性的改变。目前, 我国现有微透镜的制备技术距离国际水平还有一定的差距, 但随着新方法的不断提出和改进, 在不远的将来, 微透镜产业必将成为一个有着广阔前景的新兴产业。
摘要：介绍了微透镜及其阵列的产生与发展, 分析和比较了微透镜的制备方法。此外, 结合微透镜的光学性质简述了微透镜的应用, 并展望了微透镜的应用前景。
关键词：微透镜,阵列,光学元件,微光学
参考文献
[1]刘浩.基于微透镜阵列的仿生复眼结构研究[D].武汉:华中科技大学, 2008.
[2]许乔, 叶钧, 周光亚, 等.折射型微透镜列阵的光刻热熔法研究[J].光学学报, 1996 (09) .
[3]柯才军.微透镜阵列的设计、制作及与CCD的集成技术[D].武汉:华中科技大学, 2005.
[4]杨国光.微光学与系统[D].浙江:浙江大学, 2008.
微图像阵列 篇4
关键词：物理电子学,非制冷红外焦平面阵列,图像处理,非均匀校正
当今时代, 红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、环境保护、深林防火等等领域, 而其核心部件正是红外焦平面成像阵列。依据其工作原理, 可以分为光子型红外探测器和非制冷红外探测器。由于光子型红外探测器工艺复杂、造价较高, 同时也不便于携带, 使得非制冷红外探测器更多的普及在民用中。非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应, 由红外吸收材料将红外辐射能转换为热能, 引起敏感元件温度上升, 敏感元件的某个物理参数随之发生变化, 再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号[1]。
1 成像系统简介
文中使用的IRFPA为2000年法国Sofradir公司的第一支非制冷焦平面红外探测器, 其探测器阵列规模为320×240, 像元中心距45 μm, 填充因子大于80%, 对于长波段 (8～14 μm) 敏感, 噪声等效温差 (NETD) 达到100 mK (典型值) 。其器件性能指标已达到了世界先进水平。
系统中驱动电路提供红外焦平面阵列探测器的偏置电压;自动温度控制系统使红外焦平面阵列探测器工作在恒温状态, 减小探测器单元响应非线性在时间和空间上的变化;红外焦平面阵列探测器信号输出后经过高速AD采集和数字信号处理后分别送到监视器和计算机上, 由于利用了USB2.0的接口, 使得数据传输的速度快, 能实时地在计算机上做处理, 并将校正过的数据发送回FPGA。
2 图像处理软件设计
2.1 软件设计的意义
红外焦平面阵列成像系统的性能, 受到阵列中探测器单元空间非均匀性的较强影响。这种非均匀性最终使得图像模糊、畸变, 甚至会使传感器失去探测能力, 而更为严重的是空间非均匀性会随着时间缓慢变化。一般而言, 改善非均匀性有两种方法:一种是提高器件的研制生产水平, 降低器件的非均匀性, 但器件的研制水平目前已达到生产工艺极限, 想要改进非常困难;另一个途径是利用现代数字图像的处理技术, 对红外焦平面阵列的非均匀性进行校正, 它是目前非均匀校正技术的研究核心。因此, 针对使用的红外焦平面阵列采用相应的非均匀校正尤为重要[2]。
2.2 图像处理软件的开发
软件处理的过程, 如图2所示。
2.3 红外图像模型与图像滤波
红外图像与二维热辐射强度有关, 用f (x, y) 表示, 在空间坐标 (x, y) 处理的f的振幅值就是该点图像热辐射强度。物体的温度只要不是绝对零度, 就会辐射能量, 因此f (x, y) 必为非零值, 并且是有限值, 也就是
0<f (x, y) <∞ (1)
设 f (x, y) =i (x, y) +i′ (x, y) r (x, y) (2)
f (x, y) 的主要性质堪称是由两个分量表示。一个分量是物体自身发射的热辐射分量i (x, y) , 另一个分量是其它物体发射的热辐射量被反射的发射分量i′ (x, y) r (x, y) 。辐射分量i (x, y) 反应物体的温度, 在空间上通常均具有缓慢变化的性质, 所以i (x, y) 的频谱落在空间低频区域;反射分量i′ (x, y) r (x, y) 是其他物体的辐射能量i′ (x, y) 被物体发射的辐射能量, r (x, y) 为物体各点的反射系数, 反射分量i′ (x, y) r (x, y) 与物体反射出来的亮度成正比, 与物体表面的反射有关, 随着物体表面反射不同在空间作快速变化。所以反射分量的频谱则大部分落在高频区域, 采用滤波的分析方法往往会取得很好的效果[3]。
设g (x, y) 是图像f (x, y) 和位置不变因子h (x, y) 的卷积, 即
g (x, y) =f (x, y) *h (x, y) (3)
从卷积定理可以得到下述频域关系
G (u, v) =H (u, v) F (u, v) (4)
式中, G、H和F分别是g、h和f的傅里叶变换。H (u, v) 为图像处理用的传递函数。在典型图像增强中, f (x, y) 是原图像, 在计算F (u, v) 之后, 目的是要通过选择H (u, v) , 得到所需的图像g (x, y) 。
g (x, y) =J-1{H (u, v) F (u, v) } (5)
2.4 非均匀校正
由于非线性效应, 导致红外图像的非均匀性, 严重影响了红外成像系统的成像质量, 因而工程中使用的IRFPA器件都要做非均匀性校正。非均性校正的方法很多, 但是工程中用的较多的是两点校正和多点校正。
跟均Mooney提出的红外探测器理想响应模型, IRFPA中m个单元对温度T的黑体辐射的完整响应如下
rm (ϕ) =Gmϕ+Qm+Hm (ϕ) (6)
式中ϕ为绝对温度T的黑体在一个有效积分周期内辐射于各单元平均光敏面积上的响应波段内的光子数, 和T一一对应;Qm和Gm分别是探测器的偏置线性增益;Hm (ϕ) 是探测器的非线性响应部分, 表示探测器的实际响应与线性响应之间的偏差, 这种偏差是由于量子效率对光子波长的相关性引起的。
当IRFPA探测器线性度较好或者工作在小温度动态范围的成像系统时, 可以得到红外成像系统线性响应模型
rm (ϕ) =Gmϕ+Qmϕ (7)
对于线性响应可以用两点校正法校正, 两点校正的的校正方程可以写为
yij=Gijxij (ϕ) +Qij (8)
再次, 可以简单地认为xij是IRFPA成像系统校正前的输入, yij是校正后相应的输出, ϕ是辐射通量。
假设所有阵元在温度T1和T2 (定标点) 的黑体辐射下的响应分别为V1和V2, 即
V1=GijGij (ϕ1) +Qij, V2=Gijxij (ϕ2) +Qij (9)
根据上式, 求解方程组得出增益系数Gij和偏执系数Qij
计算出增益系数和校正系数后, 便可以进行两点校正[4,5]。图3为校正之前的效果, 图4为校正之后的效果。
由图像可看出, 经过非均匀校正后, 图像明显变得较为清晰, 但是由于探测器像元在实验过程中略有损坏导致图像噪声变大。
3 结束语
本系统最终完成了设计的要求, 能够较好的采集红外图像, 并且对其进行处理。但是由于本系统的红外焦平面阵列受硬件本身的限制, 图像处理功能也受其制约, 并非开发软件所能解决的。但是经过图像滤波以及非均匀校正后, 明显增强了图像的可读能力, 得到了较好的效果。同时也注意到, 非均匀校正还有较大的改进余地, 在今后的设计中, 必定成为一个新的突破点。
参考文献
[1]李辉, 王子滨.多量子阱红外焦平面阵列研制进展[J].现代防御, 2006, 34 (1) :56-60.
[2]张建奇, 方小平.红外物理[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004.
[3]Rafael C Gonzalez, Richard E Woods.Digital Image Pro-cessing[M].2版.北京:电子工业出版社, 2003.
[4]宿美春, 邵晓鹏, 陈秀红.非制冷红外焦平面信号处理系统设计[J].电子科技, 2009, 22 (3) :72-74.
几种最新加工微阵列方法的比较 篇5
1微阵列的加工技术
1.1LIGA技术
LIGA技术是德文光刻(lithographie),电铸(galvanoformung)和铸塑(abformung)的缩写,它是由德国卡尔斯鲁厄(Arlsrule)原子能研究所在1982年开发成功的。LIGA技术是应用X射线进行曝光并以电铸成型的一种崭新的微机械加工方法。采用LIGA技术可以制作纵深比达1000和亚微米级高精度的三维微细结构,垂直度能达到89.9°以上,且取材广泛,不局限于硅,如高分子材料、金属、陶瓷等都可以作为其加工对象。在微机械、微系统集成等许多领域都显示出良好的应用前景。但是LIGA技术成本高,这主要是由于同步X射线较为昂贵和生产周期较长。LIGA技术以制造高深宽比的二维造型为主,在加工斜面,曲面和高密度微尖阵列方面有一定的欠缺。目前我国研究出用移动LIGA技术加工一些简单的三维形状。
以制作微针阵列为例说明最新研究的移动LIGA技术加工高密度微尖阵列的原理(图1)。第一次曝光时,将掩模板和光刻胶基板对准;第二次曝光时,将载有同一块掩模板的移动平台旋转90°,曝光条件与第一次完全相同,经过显影就可得到微针阵列结构。利用这种新方法可以非常方便地加工出高品质的实心微针、空心微针和带流体沟道的分叉微针模板,然后用镍电镀工艺加工成镍模具,以达到低成本、批量化制造的目的。微针阵列在医疗上有很大的发展空间。
使用这种技术加工出的形状与理想形状也是有误差的,主要有三方面的原因:1) 在曝光过程中,曝光量的大小与刻蚀的深度存在非线性关系;2) 曝光过程中,X射线在光刻胶基板中存在菲涅耳衍射和衬底激发的二次电子散射;3) 扫描台运动的非线性,这是由工艺设备制造带来的误差,这是不可避免的,但是这种误差在制造业中是被允许的。所以要得到理想的模型需要改进原先设计好的掩模板,对其形状进行补偿。这种移动LIGA技术加工微阵列主要依靠掩模板的形状实现,不同的掩模板能够得到不同的阵列形状。所以利用这种移动LIGA技术可以加工其他各种精密三维高深宽比微结构但是成本较高。
1.2微细电火花加工
微细电火花技术的基本工作原理是利用连续移动的细金属丝作电极,对工件进行脉冲电火花放电蚀除金属、切割成型。可以加工金属合金材料,可实现微细孔、槽及复杂三维结构和细小精密结构的微细加工。具有非接触、低应力的优点,已经成为微细加工领域的一个重要发展方向。但目前在我国微细电火花线切割技术可以用于孔的加工,对于槽的加工只停留在通槽和高深宽比微细槽阵列的加工,对于复杂的三维结构的加工更是处于空白阶段。所以利用细微电火花线切割技术加工复杂三维阵列是今后的重要的研究方向。国外发达国家在这个领域投入了大量的资金和人力,取得了很好的成果,针对单晶硅材料利用电火花线切割已可以加工出复杂的三维阵列电极,形状包括直形,锥形,波浪形等,如图2所示。
这些标准的几何形状经过微细电火花线切割加工后在一到两分钟的化学蚀刻作用下去除在铸层和削减横截面,在保持原有形状的条件下达到更小的横截面尺寸、没有龟裂并且得到更光洁的表面,如图3所示。
使用这种技术不仅能得到高深宽比很大的复杂形状电极阵列还可以改变电极的长度(图4)。用细微电火花线切割技术先在阵列电极的一个方向上切出一个V槽,然后再另一个方向上切出两个倒棱。就得到图中所示的形状。微细电火花技术在加工阵列上有很大的优势但我国技术还很欠缺所以亟待发展。且成本相对于LIGA技术也不高。
1.3微磨技术
磨削技术可以比其他的制造和蚀刻技术获取更高精确度,良好的表面品质和高效的生产力。磨削、铣削,车削等技术适合加工模具阵列,小批量生产,不能加工微针阵列和电极阵列。在硬脆性材料的微细机械加工中,金刚石砂轮磨削应该是首选的方法。这是因为它不仅能够利用砂轮表面上的许多微小超硬的金刚石磨粒有效地对硬脆性材料进行塑性域的去除加工,而且与光、化学等微细加工相比具有简单、高效、没有难处理的排放物等优点。但是一般来说微磨技术加工的微结构具有很低的高深宽比,应用范围有限。这主要是由于单晶金刚石的工具角度为较大的钝角且很难修锐。
以微锥塔阵列空间表面的微细加工技术为例,这种技术以60°V型尖端金刚石砂轮来划线开槽完成微细结构的加工并实现砂轮V型尖端与被加工表面的互磨校准(图5)。这种技术形成的微锥塔的顶角和V沟槽角度均为60°,深宽比很小。如果想得到大的高深宽比结构显然用磨削技术很困难。采用金刚石飞刀加工技术可以加工较深的微米级沟槽,但工件通常为硬度较低的易加工材料。
1.4组合加工技术
以最新研究的UV-LIGA与微细电火花加工技术组合加工电极阵列为例,UV-LIGA技术是美国威斯康星大学Henry Guckel教授等人在1990年研究开发提出的。它可以用于刻蚀适中厚度的光刻胶,节省成本。UV-LIGA工艺实际上是用深紫外光的深度曝光来取代LIGA工艺中的同步X射线深度曝光。目前也用SU-8光刻胶取代了X射线的PMMA光刻胶。
其工艺过程主要分成二部分:1) 通过UV-LIGA技术制作微细群孔工具电极,2)通过电火花套料加工制作大长径比微细阵列电极(图7)。其中图7(a)～(f)是LIGA技术的工艺流程,(g)是电火花套料加工的工艺流程。这种组合式的加工制作方法解决了UV-LIGA技术制作凸起金属结构时去胶困难的同时,也克服了目前我国微细电火花加工中使用的微电极制作困难的缺点。这就又为微阵列的加工提供了一种低成本的可行办法。
2总结
针对最新的微细阵列电极的加工工艺方法进行了论述,对LIGA技术、电火花技术、微磨技术以及组合加工技术的原理进行了分析。并对比了几种方法的优缺点,LIGA技术与电火花线切割技术适合加工大的高深宽比的复杂三维微阵列,LIGA技术比电火花技术更为成熟,但是成本很高,电火花线切割技术亟待发展。磨削加工适合加工少量的模具阵列,实现小的高深宽比,这种方法较为简单。如果需要加工大量的阵列结构可以考虑多个刀具一起加工,但需考虑成本问题。组合加工方法结合了各种加工技术的优点,达到高效益,低成本的目的。
对于微阵列的加工更深入的研究,作者认为可以针对组合加工方法开展,例如LIGA,准LIGA,电火花线切割,电火花反拷贝,电化学,电解加工,超声加工等技术融合起来,取长补短;其次,研究怎样用电火花线切割技术生产复杂三维阵列结构。还可以研究在保证加工效率和加工稳定性的条件下使阵列电极的大小和间距向更微小发展。
摘要：分别介绍了使用LIGA技术、微细电火花线切割技术(μ-WEDM)、微磨技术、组合式加工技术加工微阵列的最新方法。使用移动LIGA技术加工微针阵列、微细电火花技术加工复杂的三维微阵列电极、微磨技术加工微锥塔阵列、和UV-LIGA技术与微细电火花技术组合加工微阵列电极的工艺方法。主要论述各种方法加工高深宽比阵列结构的原理及其优缺点以及加工中的效率、成本等问题。
关键词：微阵列,LIGA技术,微细电火花线切割,微磨技术,组合式加工
参考文献
[1]陈少军,李以贵,杉山.应用X射线光刻的微针阵列及掩模板补偿[J].光学精密工程,2010,18(2):421-425.
[2]李以贵,杉山进.基于移动LIGA工艺的微针阵列的设计与制作[J].纳米技术与精密工程,2009,7(1):81-84.
[3]郭永丰,纵宁宁,白基成.电火花摇动加工微细阵列轴和孔的试验研究[J].电加工与模具,2009,(5):1-4.
[4]谢晋,谭廷武,郑佳华.金刚石砂轮V形尖端的数控对磨微细修整技术[J].金刚石与磨料磨具工程,2010,30(5):2-10.
[5]孔祥东,张玉林,宋会英.LIGA工艺的发展及应用[J].MEMS器件与技术,2004,(5):13-18.
[6]翁明浩,王振龙.微细阵列方形轴孔的电火花和电化学组合加工工艺研究[J].电加工与模具,2007,(5):5-8.
[7]J.Xie*,Y.W.Zhuo,T.W.Tan.Experimental study on fabri-cation and evaluation of micro pyramid-structured silicon surfaceusing a V-tip of diamond grinding wheel[J].Precision Engi-neering,2011,35:173-182.
[8]Dinesh Rakwal,Sumet Heamawatanachai,Prashant Tathireddy,Florian Solzbacher,Eberhard Bamberg.Fabrication of complianthigh aspect ratio silicon microelectrode arrays using micro-wire e-lectrical discharge machining[J].Microsyst Technol,2009,15:789-797.
空心微针阵列的研究进展 篇6
1 不同制备材料的空心微针阵列
1.1 Ti和Au涂层空心微针阵列
Vinayakumar KB等[6]研究制造和表征Ti和Au涂层空心微针阵列, 可用于经皮药物传递的应用。空心硅针阵列制造使用异性蚀刻连接同性刻蚀获得一个锥形的尖端。微针顶端高为300μm, 外径130μm和内径110μm, 低端内径80μm, 外径160μm。为了提高生物相容性, 微针阵列在使用电镀黄金涂层后, 再用溅射技术涂以Ti (500nm) 。该微针阵列具有225N的破断拉力, 是皮肤阻力的10倍。因此, 该微针阵列可以轻易地插入皮肤而没有损伤。还研究了流体通过该微针时的不同入口压力, 以去离子水为流体介质时, 最小入口压力为0.66kPa, 可以达到流速为每2s流入50μl的量。
1.2 环氧树脂空心微针阵列
蒋宏民等[7]研究了一种微型电子机械系统技术领域的环氧树脂中空心微针阵列的制备方法, 将聚二甲基硅氧烷填充到SU-8三维微结构的模具中, 脱模后得到中空微针阵列, 在中空微针阵列上溅射金属铬铜复合后再次填充聚二甲基硅氧烷, 脱模后得到中空微针阵列模具, 在该模具上填充环氧树脂, 然后将底部磨至聚二甲基硅氧烷后脱模, 即可得到环氧树脂空心微针阵列。
2 不同制备样式的空心微针阵列
2.1 不同几何形状的空心硅微针阵列
RuiQi等[8]研究了一种新颖的制造平面外空心硅微针阵列, 而不是使用深反应离子刻蚀技术 (DRIE) 确保微针孔的完全刻穿。制造方法包含两个湿蚀刻步骤, 一个是深大孔隙形成阵列, 一侧的晶片在氢氟酸中电化学腐蚀, 另一侧采用各向异性KOH腐蚀。对比DRIE来说, 该电化学刻蚀在工业生产中具有价格低廉、高效率的优点, 适合大批量生产。朱军[9]发明了一种微针制备领域的圆锥形顶部空心微针阵列制备方法, 以不同光敏剂浓度的光刻胶混合后制备单个或多个光敏剂浓度的系列光刻胶, 只要在应用时满足上层光刻胶光敏性高于下层光刻胶, 利用两者在曝光剂量上的差异, 通过精确控制曝光剂量上层光刻胶曝光将不会对下层结构产生影响, 因而复杂微针结构能够通过多次曝光一次显影获得。本发明提出的空心微针制备工艺不仅制备得到的微针结构好、工艺简单, 而且微针通道在制备后通过激光打孔来实现也进一步确保空心微针阵列整体质量, 具有广泛的适用性。生物相容性薄膜不仅简便易行, 而且从整体上提高了生物相容性;空心微针阵列与微流控芯片集成构成的微流体系统在经皮诊疗领域具有广泛的应用。
2.2 粘贴式空心微针阵列
中山大学周建华等[10]发明提供了一种粘贴式空心微针阵列, 包括一个高强度的硬质平板, 平板正面设有一组空心微针阵列, 微针长度为0.1~3mm, 平板背面设有弹性空腔, 空腔与微针头的空腔连通。该发明制造工艺简单快速、成本低廉、模板可反复使用、产品可批量生产、操作简便快捷, 在取体液、经皮给药、过敏原测试、生物医学电极与皮肤美容等领域广泛应用。岳瑞峰等[11]发明了一种空心微针阵列芯片, 包括衬底和空心微针, 空心微针包括针头和针杆, 通过针杆固定在衬底上并向衬底倾斜设定角度;将衬底两侧穿通形成通孔型微针或在针杆底部被封闭而形成盲孔型微针。该发明的空心微针阵列芯片结构坚固、针尖锋利、便于穿刺、成本低、成品率高, 适合于批量制造。阵列中的微针一致性好, 使用时无痛感、不见血, 使用后微创的皮肤会迅速自愈, 安全可靠。
2.3 仿生概念制作空心微针阵列
张水平[12]通过对仿生概念的了解, 进而以蚊子口器的结构和吸血动作为切入点, 利用MEMS工艺制作出了孔径与蚊子口器内径相当的异平面空心微针阵列。为了证明其采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的办法制作的异平面空心微针阵列具有一定的强度, 选择对猪皮样品进行了多次进样测试, 试验结果该微针阵列可重复使用且不折断。邹赫麟等[13]发明了一种模拟蚊子嘴制作的用来进行无痛进样的微针阵列。其特征是:采用两步和双向深反应离子刻蚀 (DRIE) 工艺确保微针孔的完全刻穿和其侧壁的光滑性;采用各向异性湿法腐蚀工艺。该发明制作工艺简单, 容易实现, 成本低廉, 有效地解决了异平面空心微针的制作工艺问题。
3 空心微针阵列应用
3.1 空心微针阵列注射器制备
祝名伟等[14]发明公开了一种空心微针阵列注射器的制备方法, 属于生物医学仪器领域。该技术的应用可获得高质量、廉价的空心微针阵列注射器, 使生物医药领域昂贵的透皮给药技术通过空心微针阵列注射器的低成本化而走向大众市场。
3.2 空心微针阵列用于便携式电解质分析装置
李以贵等[15]发明涉及一种带采血空心微针阵列的便携式电解质分析装置, 真空腔与连通管支撑底座之间设置橡胶密封圈, 腔与微针之间的连通管固定在连通管支撑底座中间, 连通真空腔与外部贮液器, 离子传感器块装在连通管支撑底座与微针块之间, 微针块上设有带底座的空心微针阵列, 离子传感器块上设有Na+离子选择性膜接触垫、K+离子选择性膜接触垫、Cl-离子选择性膜接触垫。本发明结构更加简洁, 操作更加简单, 分析结果更加可靠, 极大减小了分析装置的体积及生产成本, 有利于大规模生产。用带底座的空心微针阵列来抽取血液样本, 离子传感器分析血液样品中K+、Na+和Cl-浓度, 实现在无痛感抽取少量的血液样品的情况下, 分析出血液样品中K+、Na+和Cl-的浓度。
3.3 空心微针阵列用于监测人体血糖浓度传感器
刘尚等[16]研制了一种基于空心微针阵列并可微痛刺入皮下实时连续监测人体血糖浓度的葡萄糖传感器。微针阵列由等间距的3根微针组成, 分别作为工作电极、辅助电极和参比电极, 其中工作电极与辅助电极采用表面溅射了Ti/Pt的空心不锈钢微针来制作, 采用戊二醛-牛血清白蛋白交联法将葡萄糖氧化酶固定并仅置于作为工作电极的针尖通孔处;参比电极采用Ag/AgCl实心微针制作。测试结果表明:葡萄糖浓度在0~21mmol/L范围内传感器输出电流为线性, 灵敏度为0.575μA/ (mmol·L) , 响应时间为16s, 且具有很好的抗干扰性。