红外显微成像系统关键技术研究.pdf

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1、红外显微成像系统关键技术研究韩杰2015年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540红外显微成像系统关键技术研究作者姓名韩杰学院名称生命学院指导教师李晓琼副教授答辩委员会主席李勤教授申请学位理学硕士学科专业生物医学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchontheKeyTechniquesofThermalMicroscopeImagingSystemCandidateName：JieHanSchoolorDepartment:SchoolofLifeScien

2、ceFacultyMentor:XiaoqiongLiChair,ThesisCommittee：Prof.QinLiDegreeApplied:MasterofScienceMajor：BiomedicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不

3、包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要红外显微成像技术可实现对生物组织温度分布的精细观测，已成为病理分析、临床检验、生命科学研究等领域的重要工具。然而，由于红外辐射波长特点，红外成像的空间分辨力较低。同时，受限于加工工艺，现有的红外探测器普遍存非均匀性、响应率小、噪声大、需制冷等多耦合的复杂问题。此外，受热传导作用影响

4、，物体局部热差异小，本身热分布也会持续发生变化，对红外成像系统的温度分辨率与实时性与要求较高。针对以上问题，本文通过调研目前国内外应用中的红外显微成像系统与其相关性能，确定了以高灵敏度红外读出电路和高速实时数字成像电路在内的研究内容。在此基础上，对红外成像系统中所涉及的光学与结构、红外焦平面探测器、成像电路以及成像算法进行了研究，讨论了各部分的设计特点与设计性能指标。完成了光学结构、成像电路组合与成像算法,最终完成了红外显微成像系统原理样机的搭建。其中，成像系统中核心部件的成像电路组合通过有效的驱动

5、与滤波设计并采用相位调整采样方式保证了低噪声的采集要求。高速数字成像电路基于FPGA的硬件平台，实现了校正系数计算与实时两点校正、积分时间校正、单点修正与直方图修正等图像处理功能。性能测试中，以黑体与一系列的参考物体为成像测试对象，通过对比分析图像质量，对系统的噪声性能、灵敏度和NETD等关键指标进行全面评价。实际搭建平台实验表明，设计的红外显微成像系统NETD达到51mK，最小分辨力达到55.7μm，通过微位移平台亚像元扫描的方式图像高分辨率重建后分辨力达到39.4μm。系统成像质量良好、工作稳定

6、，符合显微成像的要求，具有广泛的应用前景。关键词：红外显微成像；非均匀校正；NETD；FPGAIAbstractThermalmicroscopyimagingtechnologyenablesdetecttheprecisedifferencesofdifferenttissuesandorgans,hasbecomeanimportanttoolforpathologicalanalysis,clinicaltestingandlifescience.However,spacialresolut

7、ionhasbeenlimitedbecauseofwavelengthofinfrared.Designingofthermalmicroscopyalsohastofacetoalotofapplicationchallengesduetothemanufacturingprocess,nun-uniformitiesofinfrareddetectors,lowsignalresponsivity,lowsignal-to-noiseratioandcoolingproblems.Ontheo

8、therway,theconductionofheatleadstolittledifferencesinsmallareaandchangesofheatdistribution.Fortheabovereason,itclaimsespeciallyhighspacialandtemperatureresolutionandreal-timerequirementsofinfraredimagingsystem.Thisindexforthedesignbasis