显微红外光学成像系统的设计_郭世苗
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红外光学系统无热化设计研究页数:4
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小视场红外光学系统设计页数:4
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红外光学系统设计—页数:29
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一种紧凑型红外光学系统设计页数:4
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宽谱段红外消热差光学系统设计页数:5
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红外光学系统页数:39
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红外光学系统设计页数:29
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毕业设计43智能红外检测系统设计
第一章绪论1.1课题研究的背景随着人类知识的积累和工业生产技术的发展，人类对自然的控制与加工能力越来越强。
在人类社会的各个领域，从工业、农业、商业、国防、通信、交通运输、科学技术直到文化娱乐、教育、医疗乃至家庭生活的每一个角落，自动化设备、智能仪器仪表正延展着人们的感官，精确地执行人的命令，实现着人们过去可望而不可及的愿望。
由于微处理器生产成本的下降，目前各种自动化设备和智能仪器仪表的核心部件通常是由专用的微处理器构成。
这些专用的微处理器在我国一般称为单片机，国外称为微控制器。
单片机广泛用于自动化控制设备、消费电子产品、智能仪器仪表等领域，尤其是在新型智能化小产品开发方面，几乎是单片机一统天下。
单片机是一类特殊的微处理器，它内部的硬件结构与一般为微处理器相同的是都有控制器、运算器和各种专用寄存器。
控制器将时钟振荡器产生的方波脉冲按固定的时间顺序分配给芯片内的各个部件，即产生节拍。
在节拍的作用下控制器按程序计数器中的地址从程序存储器中取回指令进行译码，运算器和各种专用寄存器则根据译码在控制器的控制下有条不紊地进行数据的传递和运算处理。
单片机的应用，打破了人们的传统设计思想。
原来需要使用模拟电路、脉冲数字电路等部件来实现的功能，在应用了单片机以后，无需使用诸多的硬件，可以通过软件来解决问题。
目前单片机已经成为科技、自控等领域的先进控制手段，在人类日常生活中的应用也非常广泛。
(1)工业过程控制中的应用。
单片机的I/O口线多，操作指令丰富，逻辑操作功能强大，特别适用于工业过程控制。
单片机可作主机控制，也可作分布或控制系统的前端机。
单片机具有丰富的逻辑判断和位操作指令，因此广泛应用于开关量控制、顺序控制以及逻辑控制。
(2)家用、民用电器中的应用单片机价格低廉、体积小巧、使用方便，广泛应用在人类生活中的诸多场合，如洗衣机、电冰箱、空调器等。
(3)智能化仪器、仪表中的应用单片机可应用于各类仪器、仪表和设备中，大大地提高了测试的自动化程度与精度，如智能化的示波器、计价器、电表、水表等。
显微镜光学系统仿真设计
１ 引 言
光学 仪器 的基 本 功能是 借 助光 学 原理 ， 过 光 通
泛 。因此 ， 非光学 显 微镜 的分 辨 率 已经 达 到原 子 在 级 （ ． ｉ 水 平 的今 天 ， 高 光学 显 微 镜 的分 辨 率 ０ １ｌ ｍ） 提
仍 具有 重 大 意 义 ＿ 。光 学 显 微 镜 的 光 学 系 统 是 显 １ ］
环境也 无 特 殊 要 求 ， 使 得 它 的应 用 范 围非 常 广 这
学模 型 ， 此基 础上 进 行 了基 于计 算机 系 统 的交 互 在
式光 学显 微镜 光学 仿 真系统 的开发 。
收稿 日期 ：０ ９年 ９月 １ ２０ ８日， 回 日期 ：０ ９年 １ 月 １ 修 ２０ Ｏ ５日
镜光学 系 统仿 真模 型建 立 的方 法 ， 建立 了仿 真 的数
的显 微镜 可 以实 现 对 透 明 、 透 明 、 透 明 物体 的 半 不
观察 、 检验 ， 广泛 应用 于生 物 学 、 细菌 学 、 物化 学 、 药
岩矿检 验 、 工厂检 验 、 学校 实验 、 究 等 等 。传统 的 研
总第 ２３ ４ 期
计 算 机 与 数 字 工 程
Ｃｏ ｕ ｅ ｍｐ ｔｒ＆ Ｄｉｉａ ｇｎ ｅ ｉｇ ｇ ｔｌ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ １ １３ ．
１１ ８
２ １ 年第 １ ００ 期
显 微 镜 光 学 系统 仿 真 设 计
陈
（ 阳学 院 邵
琳
邵阳 ４ ２０ ） ２ ０ ０
学 系统来 实 现 的 。光 学 系 统 的 优 劣 直 接 影 响 仪 器
的性 能和 质量 。因此 ， 学 系统 设计 是 光 学仪 器 设 光 计 和制造 过程 中 的重 要 一 环 。显 微 镜 是 一 种 利 用 光学 原理 进行微 观 观察 的光 学仪 器 ， 过选 用 不 同 通
红外显微物镜设计
红外显微物镜设计徐思轶;李茂忠;木锐;刘福平;尹爽;贾钰超【摘要】对红外显微光学系统进行了研究.根据光学系统设计指标,应用无限远校正方法和反向追迹的方法设计两款不同放大倍率的红外显微物镜.并给出了两款工作波段在8～12 μm,放大倍率为1×和3×,工作距离均为25mm,物方线视场为20 mm的透射式红外显微物镜的设计结果和公差分析.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2015(037)011【总页数】5页(P938-942)【关键词】红外显微物镜;无限远校正;反向追迹;光学设计【作者】徐思轶;李茂忠;木锐;刘福平;尹爽;贾钰超【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明650217;昆明物理研究所,云南昆明650223;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明650217【正文语种】中文【中图分类】TH742目前国内外是根据实际应用需求研制不同倍率的红外显微物镜，主要以中低倍率为主。
造成这一现状的主要原因是红外显微物镜的工作波段较长和成像器件像元尺寸的限制。
基于这些限制，红外显微物镜发展趋势是在现有设计方法和加工工艺的基础上，不断的优化改进以适应不同领域对红外显微物镜的应用需求。
红外显微技术已广泛应用于电子器件失效检测、材料表面损伤检测诊断等领域中[1-4]。
其中红外显微测温技术是一种非接触式的检测技术。
结合红外测温技术与显微成像技术的各自优势，红外显微镜不仅能够起到观测待测物体的作用，还能在不损伤被测样品的条件下快速有效的检测出产品是否存在缺陷。
微纳米材料制备是当今前沿和热门的研究领域，而微型催化剂就属于其中一类。
在某些微型催化剂参与的催化反应过程中会伴有巨大的温度变化，但肉眼难以观察。
应用红外显微镜则可清楚地观测到微型催化剂在催化反应中的温度变化，从而可为微型催化剂的活性判断提供依据。
红外显微物镜设计
红外显微物镜设计徐思轶;李茂忠;木锐;刘福平;尹爽;贾钰超【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2015(037)011【摘要】对红外显微光学系统进行了研究.根据光学系统设计指标,应用无限远校正方法和反向追迹的方法设计两款不同放大倍率的红外显微物镜.并给出了两款工作波段在8～12 μm,放大倍率为1×和3×,工作距离均为25mm,物方线视场为20 mm的透射式红外显微物镜的设计结果和公差分析.【总页数】5页(P938-942)【作者】徐思轶;李茂忠;木锐;刘福平;尹爽;贾钰超【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明650217;昆明物理研究所,云南昆明650223;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明650217【正文语种】中文【中图分类】TH742【相关文献】1.红外自适应系统中双波段望远镜与红外物镜设计 [J], 张宣智;栾亚东;李元;孙婷;杨华梅2.50×近红外长工作距离显微物镜光学设计 [J], 周宇;李维平;邓然;邵文挺3.一种紧凑型光纤显微物镜的设计 [J], 任晓楠;曹雨;张伟4.应用于大视场生物成像分析仪的离轴三反显微物镜设计 [J], 刘广兴;张洋;朱海龙;尹焕才;唐玉国5.用于底栖生物研究的可调物镜水下显微镜设计与测试 [J], Kamran Shahani;宋宏;Syed Raza Mehdi;Awakash Sharma;Ghulam Tunio;Junaidullah Qureshi;Noor Kalhoro;Nooruddin Khaskheli因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
近红外成像光学系统设计
近红外成像光学系统设计吴玲玲;张欢;陈靖【摘要】为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力，设计了一个光谱为0．75μm～1μm，焦距12．002mm，F／1．8，视场15°×15°的光学系统，其结构为改进型的双高斯结构。
实验结果表明：设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内，焦移量最大为4．9μm，球差约为1μm，垂轴像差最大为3μm，MTF接近衍射极限。
对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制，得到了杂散光抑制前后的点源透射比。
分析结果表明：与未加遮光罩相比，加入遮光罩的光学系统PST值下降了76．6％～87．5％。
%In order to clear the suppression ability of optical system to stray light ,we designed the optical system with a improved double gauss structure ,whose spectrum was 0 .75 μm ~1μm ,focal length was 12 .002 mm ,F was 1 .8 ,field of view (FOV) was 15°× 15° .We obtained a optical system whose spot of every FOV was in the airy ,max shift was 4 .9μm ,spherical aberration was about 1μm ,max transverse aberration was 3μm ,modulation transfer function (MTF) was closed to the diffraction limity .Furthermore ,we carried on the evaluation and suppression of stray light ,got the point source transmittance (PST ) of stray light .Compared with the optical system without lens hood ,the value of PST decreases by 76 .6% ~87 .5% after adding the lens hood .【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】5页(P183-187)【关键词】光学系统;像质评价;杂散光【作者】吴玲玲;张欢;陈靖【作者单位】西安工业大学光电工程学院，陕西西安710032;西安工业大学光电工程学院，陕西西安710032;西安工业大学光电工程学院，陕西西安710032【正文语种】中文【中图分类】TN216;TH703引言光学系统是各类成像镜头的重要组成部件，目标像可经过光学系统镜片的折射或反射成像于探测芯片上。
基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统设计
Design of an infrared zoom imaging system based on concentric spherical lens with wide FOV and high resolution
YANG Wei1，2， LIU Jia-Wei1，2， HAN Ping-Li1，2， SHAO Xiao-Peng1，2， ZHAO Xiao-Ming1，2* （1. Xi’an Key Laboratory of Computational Imaging，Xidian University，Xi’an 710071，China； 2. School of Physics and Optoelectronic Engineering，Xidian University，Xi’an 710071，China）
基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系 统设计
杨 威 ， 1，2 刘佳维 ， 1，2 韩平丽 ， 1，2 邵晓鹏 ， 1，2 赵小明 1，2*
（1. 西安电子科技大学 西安市计算成像重点实验室，陕西 西安 710071； 2. 西安电子科技大学 物理与光电工程学院，陕西 西安 710071）
摘要：针对凝视型红外成像告警设备中对场景目标进行大视场广域搜索与小视场精确识别一体化的应用需求，设 计了一种基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统 . 该系统采用由多层ห้องสมุดไป่ตู้心球透镜和可连续变焦的独 立次级小相机阵列级联而成的二次成像结构，能够有效实现大视场高分辨率无畸变成像 . 此外，采用全动变焦设计 的独立次级小相机阵列在对搜索到的目标进行探测、识别和跟踪的一体化检测的同时保持像面稳定，实现对成像 场景的分区域管理 . 设计结果表明，该红外成像系统在全变焦范围内的调制传递函数（MTF）曲线均接近衍射极限， 且变焦曲线平滑，避免了变焦过程中卡滞、冲击等不利现象的产生，能有效实现大视场监测及小视场识别的功能 . 关 键 词：光学；大视场成像；共心球透镜；全动变焦；目标探测与识别；红外系统 中图分类号：O435 文献标识码：A
YANG Wei1，2， LIU Jia-Wei1，2， HAN Ping-Li1，2， SHAO Xiao-Peng1，2， ZHAO Xiao-Ming1，2* （1. Xi’an Key Laboratory of Computational Imaging，Xidian University，Xi’an 710071，China； 2. School of Physics and Optoelectronic Engineering，Xidian University，Xi’an 710071，China）
基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系 统设计
杨 威 ， 1，2 刘佳维 ， 1，2 韩平丽 ， 1，2 邵晓鹏 ， 1，2 赵小明 1，2*
（1. 西安电子科技大学 西安市计算成像重点实验室，陕西 西安 710071； 2. 西安电子科技大学 物理与光电工程学院，陕西 西安 710071）
摘要：针对凝视型红外成像告警设备中对场景目标进行大视场广域搜索与小视场精确识别一体化的应用需求，设 计了一种基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统 . 该系统采用由多层ห้องสมุดไป่ตู้心球透镜和可连续变焦的独 立次级小相机阵列级联而成的二次成像结构，能够有效实现大视场高分辨率无畸变成像 . 此外，采用全动变焦设计 的独立次级小相机阵列在对搜索到的目标进行探测、识别和跟踪的一体化检测的同时保持像面稳定，实现对成像 场景的分区域管理 . 设计结果表明，该红外成像系统在全变焦范围内的调制传递函数（MTF）曲线均接近衍射极限， 且变焦曲线平滑，避免了变焦过程中卡滞、冲击等不利现象的产生，能有效实现大视场监测及小视场识别的功能 . 关 键 词：光学；大视场成像；共心球透镜；全动变焦；目标探测与识别；红外系统 中图分类号：O435 文献标识码：A
显微高光谱成像系统的设计
显微高光谱成像系统的设计肖功海;舒嵘;薛永祺【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2004(012)004【摘要】设计出一种基于棱镜-光栅-棱镜组合分光方式的显微高光谱成像实验系统.系统根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计,采用棱镜-光栅-棱镜组合元件在后光学系统进行光谱分光,利用高精度载物台自动装置驱动样品进行推扫成像,选用PCI总线作为数据采集的微机接口.整个系统由显微镜、分光计、面阵CCD相机、载物台自动装置以及数据采集与控制模块等几部分组成.系统的光谱范围从400 nm到800 nm,120个波段,光谱分辨率优于5 nm,空间分辨率大约1 μm.该系统具有直视性、光谱分辨率高、结构紧凑、成本低等优点;不仅能够提供微小物体在可见光范围的单波段显微图像,而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线,实现了光谱技术和显微成像技术的结合,成功的将成像光谱技术应用到显微领域,可广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域.【总页数】6页(P367-372)【作者】肖功海;舒嵘;薛永祺【作者单位】中国科学院,上海技术物理研究所,上海,200083;中国科学院,上海技术物理研究所,上海,200083;中国科学院,上海技术物理研究所,上海,200083【正文语种】中文【中图分类】TH744.1【相关文献】1.宽幅长波红外高光谱扫描成像系统的设计 [J], 赵航斌;柴孟阳;孙德新;刘银年2.小型Offner色散型高光谱成像系统设计 [J], 李霂;周学鹏3.基于ADDI7004的星载高光谱成像仪图像处理系统设计实现 [J], 刘永征; 孔亮; 闫鹏; 温志刚; 刘文龙; 刘学斌4.基于高光谱成像的隧道油污监测系统设计 [J], 赵风财;肖广兵;张涌5.全自动推扫式高光谱显微成像系统设计与研究 [J], 唐凌宇;葛明锋;董文飞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于ZEMAX的10倍显微物镜设计
I
南通大学课程设计论文
参考文献.....................................................................................................................................22
我们目前的基础知识以及掌握的数学技巧并不够专业我们必须多多交流与很多在这方面有建树的高人和光学设计人员虚心学习努力创新多加练习熟能生巧业精于通过自己切身在这门课程的学习进一步对光学设计这门课的博大精深产生敬仰之情南通大学课程设计论文21而且对课程内容安排衔接主次分明清晰透彻教学方式采取理论设计及实际软件演示使用并且结合软件分析讲解了很多典型的光学系统感到这门课程安排的恰到好处更好的为我们从初出茅庐的几何光学基础知识初级阶段到比较专业性的设计光学系统铺平了一跳初窥门径的道路
1.2 物镜的基本类型
(1)按显微镜镜筒长度(以 mm 计)：透射光用 160 镜筒，带 0.17mm 厚或更厚的盖玻片； 反射光用 190 镜筒，不带盖玻片；透射光与反射光用镜筒，筒长无限大。 (2)按浸法特征：非浸式(干式)、浸式(油浸、水浸、甘油浸及其它浸法)。 (3)按光学装置：透射式、反射式以及折反射式。 (4)按数值孔径和放大倍数：低倍(NA≤0.2 与β≤10X)，中倍(NA≤0.65 与β≤40X)， 高倍(NA＞0.65 与β＞40X)。 (5)按校正象差的情况不同，通常分为复消色差物镜，平视场消色差物镜，平视场复消 色差物镜和单色物镜。 根据其像差校正的程度进行分类，分为： 1．消色差物镜: 这是常见的物镜，外壳上常有"Ach"字样，这类物镜仅能校正轴上点
第二章 物镜设计与相关参数............................................................................................... 5
南通大学课程设计论文
参考文献.....................................................................................................................................22
我们目前的基础知识以及掌握的数学技巧并不够专业我们必须多多交流与很多在这方面有建树的高人和光学设计人员虚心学习努力创新多加练习熟能生巧业精于通过自己切身在这门课程的学习进一步对光学设计这门课的博大精深产生敬仰之情南通大学课程设计论文21而且对课程内容安排衔接主次分明清晰透彻教学方式采取理论设计及实际软件演示使用并且结合软件分析讲解了很多典型的光学系统感到这门课程安排的恰到好处更好的为我们从初出茅庐的几何光学基础知识初级阶段到比较专业性的设计光学系统铺平了一跳初窥门径的道路
1.2 物镜的基本类型
(1)按显微镜镜筒长度(以 mm 计)：透射光用 160 镜筒，带 0.17mm 厚或更厚的盖玻片； 反射光用 190 镜筒，不带盖玻片；透射光与反射光用镜筒，筒长无限大。 (2)按浸法特征：非浸式(干式)、浸式(油浸、水浸、甘油浸及其它浸法)。 (3)按光学装置：透射式、反射式以及折反射式。 (4)按数值孔径和放大倍数：低倍(NA≤0.2 与β≤10X)，中倍(NA≤0.65 与β≤40X)， 高倍(NA＞0.65 与β＞40X)。 (5)按校正象差的情况不同，通常分为复消色差物镜，平视场消色差物镜，平视场复消 色差物镜和单色物镜。 根据其像差校正的程度进行分类，分为： 1．消色差物镜: 这是常见的物镜，外壳上常有"Ach"字样，这类物镜仅能校正轴上点
第二章 物镜设计与相关参数............................................................................................... 5
微型长波红外无热化光学系统设计
文章编号：1672-8785(2019)03-0001-05微型长波红外无热化光学系统设计吴海清12曾宪宇1王朋1(1.凯迈(洛阳）测控有限公司，河南洛阳4H009&2.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009)摘要：为了使微小型无人机光电吊舱能够实现红外热成像系统小型化并适应不同的环境条件，基于光学被动无热化方式，通过合理分配不同材料透镜的光焦度并同时引入衍射面，设计了一种工作波段为8〜12^m、视场为24. 5°X19. 7°、F数为1. 0的非制冷无热化红外成像光学系统。
该系统由四片透镜组成，其总重量仅为35 g。
光学系统的总长度为38 mm。
结果 ，系统具 结、、成像 等特点，在30 1p/mm空间频率处的调制数（ModulationTransferFunction，MTF)值大于 0.3，满足应 。
关键词：微型吊舱；光学设计；红外光学&衍射光学中图分类号：C439;TH74 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.l672-8785.2019.03.001Design of Miniature Long-Wave Infrared Optical SystemWith Optical Passive AthermalizationWUHai-qing1，2，ZENGXian-yu1，V>NG Peng1(l.C A M A(Luoyang) Measuremen t and Control Co.，Luo y ang 471009，China;2. Chira Airborrn Missile AcaOemy，Liuyang 471009，China)Abstract：In order to meet the requirements of miniaturization of thermal imaging system and ronmental conditions in the electro-optic POD of micro-mini UA1 ?an uncooled infrared imaging optical systemwith field of view of 24. 5〇X19. 7〇 was designed by means of optical passive athermalization, reasonable distribution of focal degrees of lenses with different materials and introduction of a binary optical element. Its operating wavelength range is from 8 )〇,m to 12 |xm, F number is 1.0. The system consists of four lenses with atotal weight of only 35 g ,and the total length of the optical system is 38 mm. The resutt shows that the system structure is simple and compact ?the back working distance is large ?and the imaging quality is high. Themodulated transfer function (MITF) value at the cutoff frequency of 30 lp/mm is greater than 0. 3，which satisfies the application requirements.Key words：miniature POD；optical design；IR optics；diffractive optics收稿日期：2019-02-15作者简介：吴海清（1982-)，男，陕西榆林人，工程师，硕士，主要从事成像光学系统设计方面的研究。
显微红外和傅里叶红外
显微红外和傅里叶红外显微红外和傅里叶红外是两种常见的红外光谱技术，它们在化学、生物、材料科学等领域中有着广泛的应用。
接下来将分别介绍这两种技术的基本原理、仪器构造和应用。
一、显微红外1. 基本原理显微红外是一种非破坏性的光谱技术，利用物质对红外辐射的吸收特性来确定样品中存在的化学键和它们所处的环境。
显微红外通过聚焦光束到样品表面，并测量反射或透射光谱来获得样品表面化学信息。
2. 仪器构造显微红外仪器由以下几个部分组成：光源、样品台、目镜和检测器。
光源产生可见光和近红外辐射，经过反射或透射后被目镜观察。
检测器记录被样品吸收或反射的辐射，并将其转换为信号。
3. 应用显微红外主要用于表面分析，如聚合物薄膜、涂层和晶体等。
它可以用于确定样品的化学成分、结构和形态，以及表面吸附物的种类和分布。
此外，显微红外还可以用于研究生物体系，如细胞和组织等。
二、傅里叶红外1. 基本原理傅里叶红外是一种广泛应用于化学、生物、医药等领域的非破坏性光谱技术。
它利用样品对红外辐射的吸收特性来确定其分子结构和化学键。
傅里叶红外通过将样品暴露在一定波数范围内的红外光谱中，并测量被吸收或透射的辐射光强度来获得样品的光谱信息。
2. 仪器构造傅里叶红外仪器由以下几个部分组成：光源、干涉仪、检测器和计算机。
光源产生可见光和近红外辐射，经过干涉仪后被样品吸收或透射，并被检测器记录下来。
计算机对记录下来的数据进行处理并生成光谱图。
3. 应用傅里叶红外广泛应用于化学、生物、医药等领域。
它可以用于确定样品的分子结构、化学键和功能团，以及分析样品的组成和纯度。
此外，傅里叶红外还可以用于质量控制、环境监测和食品安全等方面。
总结：显微红外和傅里叶红外是两种常见的红外光谱技术，它们在化学、生物、材料科学等领域中有着广泛的应用。
显微红外主要用于表面分析，如聚合物薄膜、涂层和晶体等；而傅里叶红外则广泛应用于化学、生物、医药等领域，并可用于质量控制、环境监测和食品安全等方面。
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２８生命科学仪器 ２００８ 第６卷／ １２月刊显微红外光学成像系统的设计郭世苗，魏 臻，吴建东（天津理工大学 电子信息工程学院，天津 ３００３８４）
引言电子设备一旦出现故障，只有进行有效的元件级维修，才能使其正常运行。随着电子技术的迅速发展，被测试系统规模的不断扩大，大规模和超大规模集成电路的广泛使用，电路板上的元器件越来越密集；并且由于电路复杂，使电路板上集成芯片（ＩＣ）级故障的实时检测越来越困难。红外热像作为新兴的非接触式测试技术，用于电路板热故障实时检测时，不会因检测不慎而使元件受损，是一种有效的检测手段。同时，对电路板的可测性设计和测试连接设备均无需提出额外要求，能在一次测试中提取电路板上所有元器件的热像，并可进行多重故障诊断［１］。红外显微系统是利用被测物体发出的红外射线对微小物体，如大规模集成电路板进行热成像，通过对所提取热像的分析，达到检测被观察物体工作状况的目的。红外显微镜作为一种先进的测试仪器，已被广泛的应用于各种领域。目前，红外显微镜仅在部分发达国家生产，且价格昂贵。国内的红外显微检测系统起步较晚，尚无生产红外显微镜的厂家，拥有进口红外显微镜的单位也很少。１ 红外热成像技术背景 红外热成像技术是现代影像学的一支新军。该技术与 Ｘ射线、Ｂ超、ＣＴ、核磁共振等显像技术的成像原理不同，它不主动发射任何射线，只是被动地接收热源的红外辐射，形成热源的热影像，是热源的表面温度分布图像。红外热成像技术的主要特点是能采样分布很广的温度值，经过分析处理，最后用伪彩色的形式在显示器上显示出被测物体表面的温度分布图像。通过对该图像的分析，可直观地得到被测物的形状、大
小、热分布及热稳定等特性。电路板在通电时，各元器件相对于室温有一个比较稳定的温度，因此，通过红外测温传感器对电路板上各元器件的分布温度进行有效的非接触测量，并将其数据输入计算机。然后，借助于处理软件把这些元器件上的温度信息转换成伪彩色图像信息，通过显示器提供给观察者。同时，建立同一电路板工作时的标准热模式，并对电路板芯片若干故障现象进行试验。通过对实验结果的比较分析，确定传感器测量值对各诊断元件的隶属度函数，并根据隶属度来确定故障元件。标准化的制定 实际应用时，红外在线监测结果将受到设备运行情况和测试条件的影响而呈现不同的结果，所以，必须把多个在任意条件下得到的结果进行标准化处理，进行一定程度的统一，只有这样，才有可能做到结果的唯一化。故障的判断 为了克服目前电路板故障红外诊断中对故障判定的人为性和经验性的影响，应深入开展红外诊断中的模式识别等逻辑诊断方法的研究，以便实现故障判别的人工智能化。虽然目前已经有人研制了一些检测用软件，但是这些软件设计基础还仅仅是己知设备故障的典型红外图谱，而且其数据文件尚未进行标准化处理，其智能化程度还很低。对于热源辨识、辐射率校准、环境温度校准、热像配准和温度信息等因素的处理还不是很理想。因此，这方面的研究工作还应进一步深入开展［２］。２ 红外热像仪随着半导体技术的迅速发展，被测试系统规模的不断扩大，大规模和超大规模集成电路被广泛安装在印刷电路板（ＰＣＢ）上。由于电路板上元器件密集，电路原理复杂，使得对数模混合电路板上集成
研究报告摘要 红外热成像技术是现代影像学中的一门新兴技术。它与ｘ射线、Ｂ超、ＣＴ、核磁共振等显像技术的成像原理不同，它不主动发射任何射线，只是被动接受热源所发射出的红外线，经过处理后得到热源的影像。该技术的最大特点是不用接触待测物体。因此，对于一些高危行业，如核工业中元器件的检测将变得非常容易。本文所叙述的就是利用红外热像技术与显微技术的结合，制作一种红外显微镜。红外显微镜可以将出现故障的大规模集成电路板中数以万计的微小元器件的影像传输到计算机中，经过计算机的分析，可以很容易地分析出具体故障所在。因此，大范围电子元器件故障的快速检测将变得简单、快捷。关键词 红外热像；显微技术；红外显微镜２９
生命科学仪器 ２００８ 第６卷／ １２月刊芯片（ＩＣ）级的故障诊断越来越困难。利用红外热像仪拍摄到的热图像可以方便地实现电路元件的故障检测。红外热像仪是通过检测物体的红外辐射能量（指波长介于约１微米到１ 毫米之间的那部分能量），对物体表面温度进行非接触式测量的仪器。红外摄像头通常采集被测物体在３ 到５ 微米或８ 到１０ 微米波段内的红外辐射，经过热像仪内部电路的处理将能量信号转换为电信号，经Ａ／ Ｄ 转换后送到处理器内进行处理和储存。处理器将这些电信号换算为温度值，并把被测物体表面的温度分布图显示在屏幕上，用不同的颜色代表不同的温度值［３］。红外热像仪在监测电子设备外部故障方面有着不可比拟的优势，它通过设备运行中的真实温度分布状态，以不停电、不接触电路板、直观、准确的优点成为电子设备检测的一种行之有效的检测手段。３ 显微红外光学成像系统的设计（１）红外显微镜根据莫尔定律，半导体集成电路芯片上的晶体管数量每隔１８个月将会增加一倍，这对我们在日常生活中使用电子线路的大多数人来说，无疑是一个很好的消息。但是，对众多微型器件公司来说，它意味着“干草堆”变得越来越大，而“针子”变得越来越来小（意思就是在芯片上寻找故障会缺陷更难，犹如大海捞针）［４］。尤其是ＩＣ芯片，在新型电子装备中应用越来越广泛，但测试愈来愈困难，ＩＣ的高集成度和密集封装使得传统的测试仪器和测试方法已很难胜任，主要是由于测试相当复杂且难于接近测点。而大量的微电子机械系统（ＭＥＭＳ）器件也需要热分析和热设计，并关注使用过程中的热性能，所以，热测试是必不可少的工作。对于ＭＥＭＳ器件的温度和热特性测量，要求空间分辨率达到微米的数量级［５］，这是一般红外成像系统所不能实现的。因为通用的红外热成像的镜头是望远镜头或广角镜头，不能对微细物体成像。因此，在实际检测中，需要前置一个红外放大光学系统，再配合红外热像仪方能进行有效的观察。为了达到这个目的，红外显微系统便应运而生了。红外显微镜主要由显微镜和红外镜头组成。物体发射的光线先由显微镜接收并使其放大，形成物体放大像，再由红外镜头来过滤掉其它光束 ，只留下红外光，如图１所示。但是，目前国内用户使用的红外显微镜均为进口，价格昂贵，限制了它的推广使用。图２所示的是普通的红外镜头，本实验所采用的短焦距的广角镜头。
图１ 红外显微镜Ｆｉｇ．１ Ｉｎｆｒａｒｅｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
图２ 红外镜头Ｆｉｇ．２ Ｉｎｆｒａｒｅｄｌｅｎｓ
（２）显微红外光学成像系统的设计与实验任何高于绝对温度零度的物体都是红外辐射源，温度不同的物体，所发射出来的红外辐射也就不同。这就是显微红外光学成像系统所要应用的原理。系统的结构框图如图３所示。首先，将红外镜头固定在透镜支架上，如图４所示。再用普通的白纸，剪一个很小的三角形图案，将三角形贴在一个黑色的背景上，并将这个黑色背景放在红外镜头前。此时，由于黑色背景和小三角形都是长时间储存在室温环境下的，因此二者的温度是相同的。其次，用一台灯近距离照射已经贴有小三角形的黑色背景。此时，黑色背景和三角形
研究报告３０
生命科学仪器 ２００８ 第６卷／ １２月刊都会因为照射而使其本身的温度上升。由于黑色比白色更容易吸收热量，因此，黑色背景相对于白色的小三角形而言，温度升高的更快，这样他们之间就产生了温度差。利用红外热像仪可以很方便地拍摄到其温度分布。然后，调节红外镜头和黑色背景之间的相对位置，使之成一个放大倒立的实像（中间白色的就是小三角形白纸的像），如图５所示。最后，利用通用的红外热像仪，使用其近摄功能，对该实像进行二次成像，从而在热像仪的显示屏上得到一个放大的影像，如图６所示（黑色背景吸热比较快，即是图中粉色圆环部分）。通过调节红外镜头和热像仪的组合参数，即改变红外显微镜的等效模型的参数配比，可以得到不同的光学放大倍数。通过以上步骤，利用红外广角镜头和通用红外热像仪组合的红外光学系统，实现了红外显微摄影的目的，有效地提高了通用红外热像仪的利用率。 ４ 结论本研究通过分析显微红外光学成像系统的成像原理，利用物体发射的红外线，先经单红外镜头接收，并使其放大，形成物体的放大实像；再由红外热像仪接收，经过红外热像仪内部电路的处理将能量信号转换为电信号，进行处理和储存；计算机将这些电信号换算为温度值并把被测物体表面的温度分布图显示在屏幕上，用不同的颜色代表不同的温度值，从而达到了用通用红外热像仪实现显微摄影的目的。通过前面的介绍，可以很清楚的看到，显微红外光学成像系统在现代科技，尤其是在集成电路板故障实时检测方面的巨大作用。并且该系统构造简单，
图４ 红外镜头 Ｆｉｇ． ４ Ｉｎｆｒａｒｅｄｌｅｎ图３ 显微红外光学成像系统流程示意图Ｆｉｇ． ３ Ｍｉｃｒｏ－ｉｎｆｒａｒｅｄｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍ 图６ 影像 Ｆｉｇ．６ Ｉｍａｇｅ 图５ 实像 Ｆｉｇ．５ Ｒｅａｌ ｉｍａｇｅ研究报告３１
生命科学仪器 ２００８ 第６卷／ １２月刊Ｇｕｏ Ｓｈｉ－ｍｉａｏ，Ｗｅｉ Ｚｈｅｎ，Ｗｕ Ｊｉａｎ－ｄｏｎｇ，（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＩＲ ａｎｄｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅ ｉｓ ａｎ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｍｏｄｅｒｎ ｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＩＲａｎｄｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｎｏｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｓ ｘ－ｒａｙ， Ｂ－ｃｈａｏ， ＣＴ， ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｉｔ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ ｔｏ ｌａｕｎｃｈａｎｙ ｒａｙ， ｏｎｌｙ ａｐａｓｓｉｖｅ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｍｉｔｔｅｄｂｙ ｔｈｅ ｉｎｆｒａ－ｒｅｄ， ｐｒｏｃｅｓｓｅｄｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｒａｗｈｅａｔ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ． Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｍａｊｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｓ ｎｏｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｔｏｔｒｅａｔ ｔｈｅ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｓｏｍｅ ｈｉｇｈ－ｒｉｓｋ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎｓ， ｆｏｒ ｉｎｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｄｅｖｉｃｅ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｂｅｃａｍｅ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｅａｓｙ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ， ｉｓ ｕｓｅｓ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓ ｏｎｅ ｋｉｎｄｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ． Ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｍａｙ ａｐｐｅａｒ ｔｈｅｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄｔｈｅ ｔｈｏｕｓａｎｄｓ ｓｍａｌｌ ｐｒｉｍａｒｙ ｄｅｖｉｃｅ ｐｈａｎｔｏｍｔｏ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓ， ｍａｙ ｔｈｅ ｖｅｒｙ ｅａｓｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｎ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｔｈｅ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｒｉｍａｒｙ ｄｅｖｉｃｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｆａｓｔ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｄｅａｓｙ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ Ｉｎｆｒａｒｅｄｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒｙ， Ｍｉｃｒｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｆｒａｒｅｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ