基于压电陶瓷的光学微扫描器及其有限元分析

近年来,基于光学微扫描的高性能红外焦平面热成像技术得到迅速发展,其利用微扫描器在焦平面探测器帧间实现既定的微位移,通过相邻多帧热图像的重构提高空间采样率,并由图像处理方法获得亚像元级的高分辨力热成像.因此,采用微扫描技术可由较低规模的焦平面探测器上获得更高空间分辨力的成像,成为探测器水平受限条件下发展高性能热成像系统的可行途径之一.

微扫描器作为一种使景物图像相对于探测器产生亚像素级微位移的精密微位移机构,通常采用电机驱动和压电陶瓷驱动的微位移器实现亚像素级微位移.由于压电陶瓷微位移精度较高,驱动较为方便,随着近年来压电陶瓷技术的日益成熟,利用压电陶瓷驱动的微位移器已向基于光学微扫描的高性能光电成像领域延伸[1].

压电陶瓷微扫描器的位移精度一般只需控制在亚微米级,但光学微扫描位移量要求约在几十微米范围,因此,为了提高压电陶瓷微扫描器的效率,通常采用一种柔性铰链的设计,实现微位移的传动与支撑.作者将从基于压电陶瓷微位移器的光学微扫描应用出发,研究压电陶瓷微扫描器及其放大机构.

1　基于压电陶瓷的光学微扫描器

1·1　光学微扫描原理

根据采样定理,只有探测器的采样频率大于场景最高空间频率的1倍时,重构图像才能完全反映场景信息.微扫描使场景相对于探测器做微小或规定运动,利用多帧图像重构过采样的高分辨力图像.微扫描成像原理如图1所示,图中以2×2微扫描模式[2]为例,微扫描得到4幅低分辨力的子图像,通过信号处理电路,将4幅子图像合成在一起.子图像1到子图像4分别表示1个3×4凝视探测器阵列上,经微扫描器使被测场景在水平和垂直方向做1/2像素位移的图像,得到一幅6×8的像素帧,这样获得的图像空间分辨力可提高到原图像的4倍,且视场保持不变.

现有的微扫描器实现方法主要分为机械平移法、摆镜法、平板旋转法[1,3].机械平移法有透镜平移法和探测器平移法,主要是通过机械平移方法使光学系统与探测器之间形成可控的位移,实现微扫描.

1·2　压电陶瓷及其位移特性

机械式微位移器通常分为电机驱动和压电陶瓷驱动两类.陶瓷驱动方式是指利用压电陶瓷的电致伸缩特性驱动光学元件或探测器微位移,使获得的图像产生空间平移,得到微扫描图像.压电陶瓷微扫描器扫描精度高,体积较小[3],便于控制,但压电陶瓷的位移量很小,即使是层叠式压电陶瓷微位移器一般也仅有几十微米位移.图2给出实验中使用的压电陶瓷棒(29.6 mm×9·6 mm×10·0 mm)的实测电压位移曲线,当外加电压U为200 V时,压电陶瓷的位移S约为35μm.由于目前非制冷焦平面探测器单元尺寸范围在25~50μm,制冷焦平面探测器单元尺寸范围在25~35μm,故产生半个探测单元微位移约需要80~160 V;同时,由于微位移发生在探测器帧消隐时段,对于标准视频或更高的帧频要求,这种高电压的快速变化加大了对驱动电源的要求.因此,采用适当的机械位移放大机构对压电陶瓷的微位移进行二次放大,有利于压电陶瓷的快速微扫描.