CN112611453A - 复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统，复眼原位监测单元包括球面安装罩以及设置在所述球面安装罩上的成像组件，所述球面安装罩上设置有球面栅格阵列，所述球面栅格阵列包括5行4列共20个安装点，每个所述安装点安装有1组所述成像组件，所述成像组件包括CCD光学数字相机组件、DIC数字散斑光源组件、IR红外光谱组件、拉曼光谱组件和太赫兹光源组件；本发明能够突破传统材料原位测试技术仅能与一种成像表征技术集成的局限，通过多种成像组件组合应用，能够同时获取材料由表面到内部，由宏观到微观的丰富结构演化信息，建立多光谱成像信息演化与载荷作用间相关性，即能够深入理解材料微观失效和变形损伤机制。

Description

复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统
技术领域
本发明涉及精密仪器领域，特别是涉及复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统。
背景技术
关键材料保障能力不足是制约国民经济发展的瓶颈之一。由于对材料的微观损伤机制不明确而造成的材料失效是引发重大恶性事故和生命财产损失的重要原因之一。造成这些问题的重要原因就是材料的测试能力不足。材料及其制品在服役期间的工作条件复杂，又不可避免的受到多种载荷形式的共同作用和影响。材料力学性能原位(In Situ)测试是指对各类固态材料进行力学性能测试过程中，除要获取材料的固有力学性能参数外，还通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、电荷耦合器件(CCD)等对载荷作用下材料的组织结构演化进行高分辨率动态监测的技术。其中，SEM侧重于对被测试件表面的微观组织形貌进行高分辨观测，其原理是依靠高能入射电子束轰击被测试件表面时激发出的二次电子在被测试件表面形成逐点放大的形貌像来对表面形貌进行观察，配合能谱仪(EDS)，亦可对材料微区成分的元素种类与含量进行分析；XRD则侧重于分析材料的衍射图谱，获得材料内部原子或分子的结构、形态等信息；而Raman光谱仪则更侧重于分子结构的定性分析及试件微米级的微区检测。此外，AFM也是被经常采用的形貌监测仪器，可对材料进行纳米级区域的形貌探测和纳米操作。CCD则是试件表面光学成像信息的重要应用载体，相对于SEM在大工作距离条件下依然具有高成像倍率的优势，CCD则侧重在材料金相组织形貌等方面的显微观察。材料微观力学性能原位测试仪器与上述成像装备的结合使用需要满足与各类具有开放式空间载物环境装备的结构兼容问题，以及与SEM密闭真空载物环境的真空兼容及电磁兼容问题。尽管如此，传统材料原位测试技术仅能与一种成像表征技术集成，建立载荷作用与单一光谱信息的相关性，无法同时获取材料由表面到内部，由宏观到微观的丰富结构演化信息，即难以深入理解材料微观失效和变形损伤机制。
现有材料表面缺陷监测涉及的形貌表征或图像识别技术大都依赖于固定式或具有多自由刚性驱动式成像装备，如扫描电子显微镜具有固定式电子发射枪和多轴载物移动平台，原子力显微镜的探针具有多自由度运动与高精度定位功能。受制于载物空间、夹持条件和复杂外场结构干涉，依靠固定式(如SEM电子枪)或多自由度刚性驱动式(如压电多自由度驱动平台)方式难以实现在小视野范围、远距离成像且存在明显结构干涉等局限条件下的快速、宽域和全视场成像。
以昆虫复眼成像为代表的生物成像原理为多光谱原位监测提供了新思路。昆虫复眼中的每个小眼都有角膜、晶椎、色素细胞、视网膜细胞、视杆等结构，是一个独立的感光单位。每个小眼只接受单一方向的光讯号刺激，形成点状的影像，复眼的小眼数量愈多，视野通常愈宽广。一般而言，昆虫可通过其复眼结构能够感知300nm-650nm波长范围的光线。人类眼球可绕其玻璃体球心自如地转动，在极紧凑空间内依靠六条眼肌的柔性牵拉实现快速、广角和全视场图像识别。因此，为确保材料及其制品在服役过程中的长期稳定性、耐久性和可靠性，研制开发能够对材料微观力学行为进行精确测试的，并能够同步获取材料变形损伤过程中的“形貌-热场-应变-成分-缺陷”信息演化十分重要。通过以昆虫复眼结构和人眼眼肌牵拉成像原位为仿生设计与制造的生物模板，研制基于昆虫复眼多光谱成像以及眼球转动柔性牵拉的仿生成像技术，可为深入理解材料微观失效和变形损伤机制提供测试技术支撑。
发明内容
本发明的目的是提供复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够突破传统材料原位测试技术仅能与一种成像表征技术集成的局限，通过多种成像组件组合应用，能够同时获取材料由表面到内部，由宏观到微观的丰富结构演化信息，建立多光谱成像信息演化与载荷作用间相关性，即能够深入理解材料微观失效和变形损伤机制。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种复眼原位监测单元，包括球面安装罩以及设置在所述球面安装罩上的成像组件，所述球面安装罩上设置有球面栅格阵列，所述球面栅格阵列包括5行4列共20个安装点，每个所述安装点安装有1组所述成像组件，所述成像组件包括CCD光学数字相机组件、DIC数字散斑光源组件、IR红外光谱组件、拉曼光谱组件和太赫兹光源组件。
优选地，所述CCD光学数字相机组件位于所述球面栅格阵列的四个顶角，所述IR红外光谱组件位于首行和末行与所述CCD光学数字相机组件相邻的内侧，所述DIC数字散斑光源组件位于第二行和第三行的四个顶角，所述拉曼光谱组件位于第二行和第三行与所述DIC数字散斑光源组件相邻的内侧，4组所述太赫兹光源组件居中成列分布在所述球面栅格阵列的中轴线处。
优选地，所述球面安装罩安装在镜座上，所述镜座设置有球形凹槽，所述球面安装罩固定安装在所述球形凹槽内。
优选地，所述球形凹槽内设置有与所述安装点一一对应的镜头固定槽，所述镜头固定槽内间隙安装有镜头固定环，所述镜头固定环与穿过所述球面安装罩的所述成像组件螺纹连接。
本发明提供一种微观调节单元，用于带动前文所述的复眼原位监测单元实现微观调整，包括多个压电微动子单元，所述球面安装罩安装在镜座上，所述镜座的顶面和侧面分别设置有所述压电微动子单元，所述压电微动子单元能够推动所述镜座沿垂直于所述镜座顶面的方向和平行于所述镜座顶面的方向移动。
优选地，所述压电微动子单元包括第一压电微动子单元、第二压电微动子单元和第三压电微动子单元，所述第一压电微动子单元和所述第二压电微动子单元安装在长方体定位凹槽内，所述长方体定位凹槽底部四角安装有4组第一压电微动子单元，侧壁安装有4组第二压电微动子单元，且所述第二压电微动子单元两两相对同轴设置。
优选地，所述镜座通过夹具臂装夹，所述夹具臂可旋转连接有4个压板，所述压板能够旋转到所述镜座的端面将其装夹，每块所述压板与所述镜座之间均设置有所述第三压电微动子单元，所述第三压电微动子单元固定安装在所述压板上，且分别与所述第一压电微动子单元两两相对同轴设置。
本发明还提供一种多光谱成像系统，包括前文所述的复眼原位监测单元和前文所述的微观调节单元，所述微观调节单元连接在六自由度运动单元上，所述六自由度运动单元能够带动所述复眼原位监测单元实现六自由度移动。
优选地，所述六自由度运动单元包括多个伸缩缸、铰接在所述伸缩缸一端的固定平台以及铰接在所述伸缩缸另一端的移动平台，所述固定平台上的铰接点以及所述移动平台上的铰接点均成平面分布；所述镜座安装在所述移动平台上，所述移动平台上设置有长方体定位凹槽，所述长方体定位凹槽内设置有压电微动子单元。
优选地，包括6个平行设置的所述伸缩缸，所述固定平台和所述伸缩缸之间通过虎克铰机构连接，所述移动平台和所述伸缩缸之间通过球面副机构连接，所述虎克铰机构以及所述球面副机构均成三角形均匀布置，且每个三角形的顶点分别分布有两个。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明成像组件包括CCD光学数字相机组件、DIC数字散斑光源组件、IR红外光谱组件、拉曼光谱组件和太赫兹光源组件，模拟昆虫复眼的阵列结构，能够突破传统材料原位测试技术仅能与一种成像表征技术集成的局限，通过多种成像组件组合应用，能够同时获取材料由表面到内部，由宏观到微观的丰富结构演化信息，建立多光谱成像信息演化与载荷作用间相关性，即能够深入理解材料微观失效和变形损伤机制；
(2)本发明将生物复眼结构、多光谱监测技术、材料力学性能原位测试技术融合，通过模拟昆虫复眼的阵列结构和人眼聚焦及旋转运动的眼肌牵拉原理，可同步监测材料微区的表面微观形貌、温度分布、三维应变分布、物质成分和内部结构特征，通过与材料力学性能测试仪器的集成，亦可开展多光谱“同步-同位”原位测试，能够将材料微观力学性能原位测试获取的材料“结构-性能-行为”相关性拓展至“形貌-热场-应变-成分-缺陷-性能-行为”相关性，对材料的“形貌-热场-应变-成分-缺陷”信息进行同步无损检测，并建立材料的力学性能与多光谱成像信息的相关性，揭示力热耦合等载荷因素引起材料变形损伤失效的微观机理，为揭示材料在接近真实服役工况下的临界失效行为、性能衰退规律、变形损伤机制提供技术支撑；
(3)本发明在镜座的底部和侧面设置有多个压电微动子单元，通过压电微动子单元既能够起到装夹镜座的目的，同时，又可以对镜座的位置进行微调，从而能够结合伸缩缸所起到的宏观调整相配合，实现镜座带动球面安装罩的空间位置的宏微结合调控，并精确调节5类20组成像组件的成像通路或焦点；
(4)本发明在镜座的球形凹槽内开设镜头固定槽，通过在镜头固定槽内间隙配合设置镜头固定环的方式来固定安装成像组件，将螺纹加工在了镜头固定环的内圈，用于与成像组件螺纹连接，避免了在球形凹槽内直接开设螺纹孔不易加工的问题；
(5)本发明通过在球形凹槽内设置球面安装罩，球面安装罩内设置有用于安装成像组件的球面格栅阵列，从而可以将镜头固定环设置在球面安装罩与球面凹槽之间进行固定，利用镜头固定槽限定镜头固定环的横向移动，利用球面安装罩限定镜头固定环的竖向移动，从而能够通过镜头固定环将成像组件固定安装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的仿生多光谱成像系统的整体外观结构示意图；
图2为本发明的仿生多光谱成像系统的成像组件侧的视图；
图3为本发明的镜座通过镜头固定环安装成像组件的示意图；
图4为本发明的移动平台及其微观调节单元示意图；
图5为本发明的5类20组成像组件分布示意图；
图6为本发明的伸缩缸及其附件结构示意图；
图7为本发明的压电微动子单元结构示意图；
其中，1、固定平台；2、虎克铰机构；3、球面副机构；4、夹具臂；5、压板；6、球面安装罩；7、CCD光学数字相机组件；8、DIC数字散斑光源组件；9、拉曼光谱组件；10、太赫兹光源组件；11、IR红外光谱组件；12、球面栅格阵列；13、镜头固定环；14、镜头固定槽；15、镜座；16、移动平台；17、伸缩缸；18、第一压电微动子单元；19、第三压电微动子单元；20、第二压电微动子单元；21、压电叠堆；22、柔性铰链；23、环形法兰盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供复眼原位监测单元、微观调节单元及其多光谱成像系统，以解决现有技术存在的问题，能够突破传统材料原位测试技术仅能与一种成像表征技术集成的局限，通过多种成像组件组合应用，能够同时获取材料由表面到内部，由宏观到微观的丰富结构演化信息，建立多光谱成像信息演化与载荷作用间相关性，即能够深入理解材料微观失效和变形损伤机制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种复眼原位监测单元，如图1所示，包括球面安装罩6以及设置在球面安装罩6上的成像组件，球面安装罩6的虚拟球心处为被测样品的拟定观测点，球面安装罩6上设置有球面栅格阵列12，球面栅格阵列12包括5行4列共20个安装点，每个安装点安装有1组成像组件，成像组件包括CCD光学数字相机组件7、DIC数字散斑光源组件8、IR红外光谱组件11、拉曼光谱组件9和太赫兹光源组件10，所有成像组件的光路相交于同一点，即被测样品的拟定观测点；上述成像组件阵列式布置，模拟昆虫复眼的阵列结构，能够突破传统材料原位测试技术仅能与一种成像表征技术集成的局限，通过多种成像组件组合应用，能够同时获取材料由表面到内部，由宏观到微观的丰富结构演化信息，建立多光谱成像信息演化与载荷作用间相关性，即能够深入理解材料微观失效和变形损伤机制。
如图5所示，CCD光学数字相机组件7位于球面栅格阵列12的四个顶角，IR红外光谱组件11位于首行和末行与CCD光学数字相机组件7相邻的内侧，DIC数字散斑光源组件8位于第二行和第三行的四个顶角，拉曼光谱组件9位于第二行和第三行与DIC数字散斑光源组件8相邻的内侧，4组太赫兹光源组件10居中成列分布在球面栅格阵列12的中轴线处；上述5类20组成像组件按照一定的顺序进行排布，可对被测样品在载荷作用下的同一微区结构演化实施同步观测，即可通过开展可见光-红外-拉曼光-太赫兹波多光谱“同步-同位”原位测试，同时获取样品微区的表面微观形貌、温度分布、三维应变分布、物质成分和内部结构特征。
如图1和图3所示，球面安装罩6安装在镜座15上，镜座15设置有球形凹槽，球面安装罩6固定安装在球形凹槽内，CCD光学数字相机组件7、DIC数字散斑光源组件8、IR红外光谱组件11、拉曼光谱组件9和太赫兹光源组件10的光学通路垂直于球面安装罩6上对应点的切平面以及镜座15的球形凹槽的切平面；球面安装罩6和镜座15可以采用螺钉固定连接，为了保证连接的效果，可以把球面安装罩6与球形凹槽的接触面的一部分加工成平面，平面能够更利于螺纹孔的加工，也就可以利用螺钉达到稳固连接的目的。
如图3所示，镜座15的球形凹槽内设置有与球面栅格阵列12的安装点一一对应的镜头固定槽14，镜头固定槽14为圆柱形凹槽，其内间隙安装有镜头固定环13，镜头固定环13为圆环形，其外径与镜头固定槽14的内径间隙配合，镜头固定环13与穿过球面安装罩6的成像组件螺纹连接，也就是说，镜头固定环13的内径侧设置有内螺纹，成像组件的外径侧设置有与之配合的外螺纹，二者形成螺纹连接；图3示出了CCD光学数字相机组件7与镜头固定环13连接的情形，其他成像组件的连接方式与之相同；另外，需要说明的是，在镜座15的球形凹槽内开设镜头固定槽14，通过在镜头固定槽14内间隙配合设置镜头固定环13的方式来固定安装成像组件，将螺纹加工在了镜头固定环13的内圈与成像组件螺纹连接，避免了在球形凹槽内直接开设螺纹孔不易加工的问题，简化了加工工艺的同时提高了安装稳固效果；如图1所示，镜头固定环13位于球面安装罩6和球形凹槽之间的区域，镜头固定环13外径尺寸应当大于球面安装罩6的安装点的开口尺寸，从而可以利用球面安装罩6限定镜头固定环13的竖向移动，再利用镜头固定槽14限定镜头固定环13的横向移动，进而能够通过镜头固定环13将成像组件固定安装。
本发明提供一种微观调节单元，用于带动复眼原位监测单元实现微观调整，包括多个压电微动子单元，如图7所示，压电微动子单元包括柔性铰链22和设置在其内部的压电叠堆21，通过压电叠堆21的伸缩来控制柔性铰链22的动作，进而实现微观的动作；如图1、图2和图4所示，球面安装罩6安装在镜座15上，镜座15的顶面和侧面分别设置有压电微动子单元，压电微动子单元能够推动镜座15沿垂直于镜座15顶面的方向和平行于镜座15顶面的方向移动。
如图4所示，压电微动子单元包括第一压电微动子单元18、第二压电微动子单元20和第三压电微动子单元19，需要说明的是，上述三种压电微动子单元结构上可以采用相同结构，以便于控制和安装的方便性；第一压电微动子单元18和第二压电微动子单元20安装在长方体定位凹槽内，如图7所示，压电微动子单元包括有环形法兰盘23，利用环形法兰盘23通过螺钉可以安装在长方体定位凹槽内；长方体定位凹槽底部四角安装有4组第一压电微动子单元18，侧壁安装有4组第二压电微动子单元20，且第二压电微动子单元20两两相对同轴设置，第一压电微动子单元18可以调节垂直于长方体定位凹槽底部平面的方向即推动镜座15沿垂直于镜座15顶面的方向移动，第二压电微动子单元20则可以调节平行于长方体定位凹槽底部平面的方向即推动镜座15沿平行于镜座15顶面的方向移动，从而能够调控球面安装罩6的纵向偏转角度。
如图1-2所示，镜座15通过夹具臂4装夹，夹具臂4可旋转连接有4个压板5，压板5能够旋转到镜座15的端面将其装夹，在转到相反方向后实现拆卸，因此，该压板5的使用方式能够实现对镜座15的快速安装和拆卸；一般的，压板5应当分布在镜座15的不同方向，优选的，分布在镜座15端面的四个角上，此时，夹具臂4可以与压板5数量一一对应，也可以在一个夹具臂4上同时设置有两个压板5，而夹具臂4分布在对称的两个方向；至于压板5的旋转方式，可以手动也可以电动，具体的机械结构为本领域的公知常识，此处不再赘述；再参考图4，每块压板5与镜座15之间均设置有第三压电微动子单元19，第三压电微动子单元19通过环形法兰盘23固定安装在压板5上，且分别与第一压电微动子单元18两两相对同轴设置，第一压电微动子单元18以及第三压电微动子单元19可对球面安装罩6进行预紧，当第一压电微动子单元18和第三压电微动子单元19输出不同位移时，也可协同调控球面安装罩6的竖直方向高度或横向偏转角度。
本发明还提供一种多光谱成像系统，如图1所示，包括复眼原位监测单元和微观调节单元，微观调节单元连接在六自由度运动单元上，六自由度运动单元能够带动复眼原位监测单元实现六自由度移动，需要说明的是，六自由度运动单元可以采用现有技术中的结构，例如，六自由度运动平台。
如图1所示，六自由度运动单元包括多个伸缩缸17、铰接在伸缩缸17一端的固定平台1以及铰接在伸缩缸17另一端的移动平台16，固定平台1上的铰接点以及移动平台16上的铰接点均成平面分布，也就是说，各铰接点不能排成一条直线，以使得移动平台16在伸缩缸17的伸缩驱动下能够实现六自由度移动；镜座15安装在移动平台16上，镜座15和移动平台16之间设置有压电微动子单元，具体的，移动平台16上设置有长方体定位凹槽，长方体定位凹槽的底部和侧壁安装有压电微动子单元，通过压电微动子单元既能实现对镜座15的压紧又能对镜座15的位置进行微观调整。
如图1所示，进一步的，六自由度运动单元可以包括6个平行设置的伸缩缸17，如图6所示，伸缩缸17可以采用电动伺服缸，其两端分别设置有虎克铰机构2和球面副机构3，固定平台1和伸缩缸17之间通过虎克铰机构2连接，移动平台16和伸缩缸17之间通过球面副机构3连接，虎克铰机构2以及球面副机构3均成三角形均匀布置，且每个三角形的顶点分别分布有两个，通过调整6个伸缩缸17的伸缩长度及其协同运动实时调整移动平台16及镜座15的空间位姿态，进而对球面安装罩6进行宏观定位，同时，结合微观调节单元中的压电微动子单元的作用，实现多光谱光路的精细调控和变焦成像；需要说明的是，球面安装罩6上的20组球面栅格阵列12以及5类20组成像组件是以昆虫复眼结构为仿生模板，六自由度运动单元和微观调节单元模拟了人眼聚焦及旋转运动的眼肌牵拉原理，该系统具有开放式成像空间，可集成立式或卧式材料力学性能测试仪器，同时监测载荷作用下材料微区的表面微观形貌、温度分布、三维应变分布、物质成分和内部结构特征，并建立材料的应力-应变关系与“形貌-热场-应变-成分-缺陷”信息的实时相关性。
本发明还提供多光谱成像系统的一个具体实施例：
其中，成像系统的主体尺寸可以设置为1278mm×996mm×1478mm，该系统中的球面安装罩6内球面半径可以为300mm，厚度可以为15mm。
本实施例中涉及到的元器件的型号如下：
伸缩缸17采用电动伺服缸，电动伺服缸可以参考的型号为ROB30X500，行程为500mm，其外径为30mm，杆径为25mm；
CCD光学数字相机组件7可以参考的的型号为PZ-140D；
DIC数字散斑光源组件8可以参考的的型号为MA-100F(2X/0.055)；
IR红外光谱组件11可以参考的的型号为13VG308ASIRII；
拉曼光谱组件9可以参考的的型号为RTS200-VIS-NIR；
太赫兹光源组件10可以参考的的型号为EV-TOL；
第一压电微动子单元18、第二压电微动子单元20和第三压电微动子单元19采用相同的压电叠堆21，可以参考的型号为PZT-82Φ10.033×Φ4.95×2.997。
本发明多光谱成像系统的工作原理及测试过程如下：
在测试过程中，将CCD光学数字相机组件7、DIC数字散斑光源组件8、IR红外光谱组件11、拉曼光谱组件9和太赫兹光源组件10共5类成像组件按照图5所示的布置顺序，通过每个成像组件端部设置的外螺纹安装在球面安装罩6和球形凹槽内的镜头固定环13的内螺纹上，实现固定。以人眼眼球及其周围肌肉群为生物模本，通过分析眼球定心旋转过程中的运动学和动力学特性，获取其运动步态与眼肌收缩运动间的定量数学描述，建立眼球多自由度运动与眼肌柔性牵拉的仿生模型，结合牵拉张力、旋转行程、运动速率的理论分析，根据实际成像条件需求，建立六自由度运动单元和微观调节单元间的时序控制准则。基于眼肌生物力学性能和柔性牵拉机理的研究，建立眼球转动行程、速率、换向、惯性冲击与柔性牵拉载荷/位移的相关性，分析球面安装罩6高精度定位的自锁机理与实现方式。通过球面安装罩6转动与牵拉张力的定量分析，分析满足狭小成像空间内快速、广角和全视场监测的多自由仿生柔性驱动策略。建立多光谱原位成像组件运动的最大速率、摆角和换向加速度的运动学模型，建立六自由度运动-精确对焦-物象识别的耦合物理模型，并据此确定在极限摆角位置和换向过程中球面安装罩6的变形程度和加速度特性。进而通过调整六自由度运动单元中的6组伸缩缸17和微观调节单元中的12组压电微动子单元(包括第一压电微动子单元18、第二压电微动子单元20和第三压电微动子单元19)的输出位移，实现球面安装罩6横向、纵向位置及偏转角度的精确调节，从而调控5类20组成像组件的成像通路或焦点，以实现对观测样品的某一微区的同步多光谱成像。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种复眼原位监测单元，其特征在于：包括球面安装罩以及设置在所述球面安装罩上的成像组件，所述球面安装罩上设置有球面栅格阵列，所述球面栅格阵列包括5行4列共20个安装点，每个所述安装点安装有1组所述成像组件，所述成像组件包括CCD光学数字相机组件、DIC数字散斑光源组件、IR红外光谱组件、拉曼光谱组件和太赫兹光源组件。
2.根据权利要求1所述的复眼原位监测单元，其特征在于：所述CCD光学数字相机组件位于所述球面栅格阵列的四个顶角，所述IR红外光谱组件位于首行和末行与所述CCD光学数字相机组件相邻的内侧，所述DIC数字散斑光源组件位于第二行和第三行的四个顶角，所述拉曼光谱组件位于第二行和第三行与所述DIC数字散斑光源组件相邻的内侧，4组所述太赫兹光源组件居中成列分布在所述球面栅格阵列的中轴线处。
3.根据权利要求2所述的复眼原位监测单元，其特征在于：所述球面安装罩安装在镜座上，所述镜座设置有球形凹槽，所述球面安装罩固定安装在所述球形凹槽内。
4.根据权利要求3所述的复眼原位监测单元，其特征在于：所述球形凹槽内设置有与所述安装点一一对应的镜头固定槽，所述镜头固定槽内间隙安装有镜头固定环，所述镜头固定环与穿过所述球面安装罩的所述成像组件螺纹连接。
5.一种微观调节单元，其特征在于：用于带动权利要求1-4任一项所述的复眼原位监测单元实现微观调整，包括多个压电微动子单元，所述球面安装罩安装在镜座上，所述镜座的顶面和侧面分别设置有所述压电微动子单元，所述压电微动子单元能够推动所述镜座沿垂直于所述镜座顶面的方向和平行于所述镜座顶面的方向移动。
6.根据权利要求5所述的微观调节单元，其特征在于：所述压电微动子单元包括第一压电微动子单元、第二压电微动子单元和第三压电微动子单元，所述第一压电微动子单元和所述第二压电微动子单元安装在长方体定位凹槽内，所述长方体定位凹槽底部四角安装有4组第一压电微动子单元，侧壁安装有4组第二压电微动子单元，且所述第二压电微动子单元两两相对同轴设置。
7.根据权利要求6所述的微观调节单元，其特征在于：所述镜座通过夹具臂装夹，所述夹具臂可旋转连接有4个压板，所述压板能够旋转到所述镜座的端面将其装夹，每块所述压板与所述镜座之间均设置有所述第三压电微动子单元，所述第三压电微动子单元固定安装在所述压板上，且分别与所述第一压电微动子单元两两相对同轴设置。
8.一种多光谱成像系统，其特征在于：包括权利要求1-4任一项所述的复眼原位监测单元和权利要求5-7任一项所述的微观调节单元，所述微观调节单元连接在六自由度运动单元上，所述六自由度运动单元能够带动所述复眼原位监测单元实现六自由度移动。
9.根据权利要求8所述的多光谱成像系统，其特征在于：所述六自由度运动单元包括多个伸缩缸、铰接在所述伸缩缸一端的固定平台以及铰接在所述伸缩缸另一端的移动平台，所述固定平台上的铰接点以及所述移动平台上的铰接点均成平面分布；所述镜座安装在所述移动平台上，所述移动平台上设置有长方体定位凹槽，所述长方体定位凹槽内设置有压电微动子单元。
10.根据权利要求9所述的多光谱成像系统，其特征在于：包括6个平行设置的所述伸缩缸，所述固定平台和所述伸缩缸之间通过虎克铰机构连接，所述移动平台和所述伸缩缸之间通过球面副机构连接，所述虎克铰机构以及所述球面副机构均成三角形均匀布置，且每个三角形的顶点分别分布有两个。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114111440A (zh) * 2021-11-25 2022-03-01 吉林大学 电磁炮直线推进材料服役工况构建与原位测试方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6229607B1 (en) * 1997-10-31 2001-05-08 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Fine movement mechanism unit and scanning probe microscope
CN101036038A (zh) * 2004-06-30 2007-09-12 化学影像公司 用于识别有害制剂的多模式方法
US20090079987A1 (en) * 2007-09-25 2009-03-26 Microsoft Corporation Photodiode-based Bi-Directional Reflectance Distribution Function (BRDF) Measurement
CN104897616A (zh) * 2015-05-26 2015-09-09 北京理工大学 任意形状样品多光谱双向反射分布函数的测量方法和系统
CN105223076A (zh) * 2015-07-17 2016-01-06 吉林大学 多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置及方法
CN105628487A (zh) * 2015-12-23 2016-06-01 吉林大学 复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法
CN106370527A (zh) * 2016-10-08 2017-02-01 浙江大学 一种扫描电子显微镜中原位高温微观力学测试装置
CN110208936A (zh) * 2019-05-31 2019-09-06 中国计量科学研究院 用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置
CN110927961A (zh) * 2018-09-19 2020-03-27 天津大学青岛海洋技术研究院 基于三维探测的复眼系统的子眼优化排布方法
CN112082851A (zh) * 2020-10-28 2020-12-15 吉林大学 软骨不规则表面力学性能测试的多自由度宏微驱动平台

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019033407A (ja) * 2017-08-09 2019-02-28 キヤノン株式会社 多眼カメラ装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6229607B1 (en) * 1997-10-31 2001-05-08 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Fine movement mechanism unit and scanning probe microscope
CN101036038A (zh) * 2004-06-30 2007-09-12 化学影像公司 用于识别有害制剂的多模式方法
US20090079987A1 (en) * 2007-09-25 2009-03-26 Microsoft Corporation Photodiode-based Bi-Directional Reflectance Distribution Function (BRDF) Measurement
CN104897616A (zh) * 2015-05-26 2015-09-09 北京理工大学 任意形状样品多光谱双向反射分布函数的测量方法和系统
CN105223076A (zh) * 2015-07-17 2016-01-06 吉林大学 多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置及方法
CN105628487A (zh) * 2015-12-23 2016-06-01 吉林大学 复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法
CN106370527A (zh) * 2016-10-08 2017-02-01 浙江大学 一种扫描电子显微镜中原位高温微观力学测试装置
CN110927961A (zh) * 2018-09-19 2020-03-27 天津大学青岛海洋技术研究院 基于三维探测的复眼系统的子眼优化排布方法
CN110208936A (zh) * 2019-05-31 2019-09-06 中国计量科学研究院 用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置
CN112082851A (zh) * 2020-10-28 2020-12-15 吉林大学 软骨不规则表面力学性能测试的多自由度宏微驱动平台

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H. HUANG 等: "Analysis and experiments of a novel and compact 3-DOF precision positioning platform", 《JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114111440A (zh) * 2021-11-25 2022-03-01 吉林大学 电磁炮直线推进材料服役工况构建与原位测试方法

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