CN113267253B - 一种基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，包括上底板，下底板，动能转子，第一步进从动转子，第二步进从动转子。涉及成像领域，解决了现有大口径、大视场光学成像系统需要较大的拼接成像探测器靶面，而类似系统装置存在无法快速，简单的完整成像这一问题，以及无法方便的实现多个光波段同时完整成像这一问题。本发明通过匀速转动地与上底板连接的动能转子，驱动第一、第二步进从动转子转动，进而带动整个拼接成像探测器装置完成八字形步进扫描运动，实现快速完整成像。本发明装置简单，使用简便，成像速度快，抗干扰能力强，并且可以应用于多光波段成像，适用范围广。

Description

一种基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置

技术领域

本发明涉及一种成像探测装置，特别涉及一种应用于大视场高分辨率成像系统，基于槽轮机构步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置。

背景技术

光学成像系统作为获取图像信息的一个重要工具，被广泛应用于生产生活等各个领域。而随着对信息获取需求的提高，大视场、高分辨率成像成为光学系统目前的一个发展趋势之一，因此更大口径、更大视场的光学成像系统应运而生。

但是受限于单个成像探测器的大小，大视场和高分辨率是相互矛盾的。为了实现更大的视场成像，在有限的成像探测器内只能以损失所拍摄景物的细节信息作为代价；为了获取更多的细节信息，成像范围必将减小。因此，对于这类成像系统，需要使用多个成像探测器拼接实现大视场、高分辨率完整成像。

对于此类应用场景，目前多采用基于线阵成像探测器拼接扫描成像的方法，以及在整个成像靶面上均匀排布面阵成像探测器的方法。前一方法是根据相机视场需求，采用多片线阵成像探测器交错排布在同一平面上，根据后期图像配准和合成完整成像。但这一方法由于使用线阵成像探测器，获取整幅图像的时间较长；同时对于不同的俯仰、侧摆成像需求，需要采用不同的排布方式，给使用造成不便。后一方法不移动成像探测器，每一个面阵成像探测器负责一定视场范围的成像，更多应用于大型系统中，但这一方法成像探测器拼接缝隙处会有一定区域的图像缺失，如需解决这一问题，还要在成像探测器前方加入复杂的光学系统。

如上所述，对于大视场高分辨率成像系统，上述方法各有不足，且无法满足同时实现多个波段成像，对于具有多波段成像需求的系统，限制了其应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对大视场高分辨率成像系统，对现有技术的不足进行改进，提供一种基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置。通过槽轮机构实现在动力装置匀速驱动的情况下，步进移动成像探测器，通过图像处理获取完整图像，实现全视场快速清晰成像，由此解决成像系统复杂、完整成像时间长、图像缺失等问题。

本发明所解决的技术问题可由以下技术方案来实现：

一种基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，包括面阵拼接成像探测器，还包括上底板，下底板，动能转子，第一步进从动转子以及第二步进从动转子，其中，所述上底板的一侧设有所述下底板，所述第一步进从动转子、第二步进从动转子以及动能转子位于所述上底板的另一侧并且动能转子与上底板连接设置，通过匀速转动动能转子能够驱动第一步进从动转子、第二步进从动转子，进而驱动下底板做步进运动，所述下底板背离上底板的一侧安装所述面阵拼接成像探测器。

其中，所述第一步进从动转子以及第二步进从动转子为槽轮。

其中，所述动能转子由上圆盘机构和下圆盘机构组成，上圆盘机构和下圆盘机构均通过柱状突起结构分别与第二步进从动转子以及第一步进从动转子相配合进而分别形成槽轮机构。

其中，上圆盘机构上具有一个圆柱状的所述柱状突起结构，下圆盘机构上具有两个圆柱状的所述柱状突起结构。每当动能转子匀速转动一圈，第二步进从动转子转动四分之一圈，即步进一次，第一步进从动转子转动二分之一圈，即步进两次。

其中，第一步进从动转子以及第二步进从动转子下方分别通过连接杆设置偏心圆结构，下底板靠近上底板的一侧设有两个相互垂直方向的凹槽，两个凹槽的大小分别与第一步进从动转子以及第二步进从动转子的所述偏心圆结构相匹配，通过第一步进从动转子以及第二步进从动转子的转动，带动下底板在所述两个相互垂直方向上移动。

其中，所述面阵拼接成像探测器为CCD面阵成像探测器或CMOS面阵成像探测器。

所述面阵拼接成像探测器能同时进行多波段成像。所述面阵拼接成像探测器包括多组成像探测器，每组成像探测器包括四个大小相等的成像探测器，每个成像探测器对相同或不同的波段成像，最多同时进行四个波段成像。

其中，安装所述面阵拼接成像探测器的下底板输出八字形步进扫描运动，实现一次扫描过程九个位置成像。具体的，所述下底板一侧为平面，用于根据实际需求安装放置成像探测器，可根据需求排列放置不同波段的面阵成像探测器，拼接构成应用于大口径、大视场清晰成像系统的大靶面成像探测器。另一侧具有两个相互垂直方向的凹槽，大小与第一、第二步进从动转子的偏心圆结构相匹配，通过第一、第二步进从动转子的转动，带动下底板在平面两个方向上移动。通过第一、第二步进从动转子的转动配合，实现下底板整体完成八字形步进扫描，对于一次成像的图像缺失部分，可以通过单次扫描过程的九次成像，拼接成像为一完整图像。可以同时对四个波段进行成像，即通过单次扫描过程一个成像探测器可以完成四个成像探测器范围大小的成像覆盖。

本发明具有的有益效果：对于大口径大视场清晰成像的大成像靶面光学系统，相对于多个线阵成像探测器拼接扫描成像装置，具有更快的成像速度，仅需九步移动，即可实现全靶面成像，同时省去了复杂的线阵成像探测器装调角度与间距的问题。相较于传统拼接成像探测器，解决了其探测器拼接处缝隙影响成像的问题，且可以同时对四个光学波段成像，对比具有同等功能的装置，更简单可行。并且在扫描的过程中，不需要常规步进扫描的启动、停顿阶段，只需控制动能转子匀速运动，就可以实现八字形步进扫描，简化了常规的控制步骤，并使扫描速度加快。并且具有较宽的成像重叠区域，使其具有更好的抗干扰能力，即使有毫米级的误差，也不影响完整成像。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，结合附图对本发明做详细描述。

图1为本发明基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置整体结构图；

图2为本发明多波段成像的成像探测器排布示意图；

图3为本发明八字形步进扫描示意图；

图4为本发明偏心圆结构示意图；

图中附图标记：1为上底板，2为第一步进从动转子，3为下底板，4为动能转子，5为第二步进从动转子。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明所涉及的一种基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，包括面阵拼接成像探测器，还包括上底板，下底板，动能转子，第一步进从动转子以及第二步进从动转子，其中，所述上底板的一侧设有所述下底板，所述上底板的另一侧设有第一步进从动转子、第二步进从动转子以及与该上底板连接的动能转子。通过匀速转动动能转子能够驱动第一步进从动转子、第二步进从动转子，进而驱动下底板做步进运动。所述下底板背离上底板的一侧安装所述面阵拼接成像探测器。安装所述面阵拼接成像探测器的下底板能输出八字形步进扫描运动，实现一次扫描过程九个位置成像。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

如图1所示，为一种基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置整体结构图，包括上底板1，下底板3，动能转子4，第一步进从动转子2，第二步进从动转子5。所述上底板1的一侧设有所述下底板3，所述上底板1的另一侧设有第一步进从动转子2、第二步进从动转子5以及与该上底板连接的动能转子4，其中下底板3背离上底板1的一侧安装面阵拼接成像探测器。

所述第一步进从动转子2以及第二步进从动转子5为槽轮，所述动能转子由上圆盘机构和下圆盘机构组成，上圆盘机构和下圆盘机构均通过柱状突起结构分别与第二步进从动转子5以及第一步进从动转子2相配合进而分别形成槽轮机构。上圆盘机构上具有一个柱状突起结构，下圆盘机构上具有两个柱状突起结构。所述柱状突起结构为圆柱状突起结构。

电机驱动动能转子4相对于上底板1匀速转动，动能转子4通过其上、下圆盘机构内侧的圆柱状突起结构分别带动第二步进从动转子和第一步进从动转子间歇式转动。动能转子每匀速转动一圈，第一步进从动转子2转动两次，即步进两次，第二步进从动转子5转动一次，即步进一次。并可通过设置上、下圆盘机构上圆柱状突起结构的位置以及圆柱状突起结构与槽轮之间的啮合关系来实现具体的步进运动方式，将主动件的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动。

第一步进从动转子2以及第二步进从动转子5下方分别通过连接杆设置偏心圆结构，下底板靠近上底板的一侧设有两个相互垂直方向的凹槽，两个凹槽的大小分别与第一步进从动转子2以及第二步进从动转子5的所述偏心圆结构相匹配，具体的，下底板通过第一步进从动转子2的偏心圆结构与其自身凹槽相结合，朝第一个方向步进移动两次，再通过第二步进从动转子5的偏心圆结构与其自身凹槽相结合，朝与第一个方向相垂直的第二个方向移动一次，交替循环往复，完成八字形步进扫描运动。第一、第二步进从动转子的偏心圆结构如图4所示，当转子转动时通过连接杆驱动偏心圆结构进行转动，由于是偏心连接的，会通过下底板凹槽驱动下底板进行移动。当第一步进从动转子2的偏心圆结构进行转动时，由于第二步进从动转子5与下底板凹槽的配合所起到的限制作用，使下底板沿第一个方向进行直线步进运动一次，即沿如图1所示右侧凹槽的方向进行移动；同理，当第二步进从动转子5的偏心圆结构进行转动时，由于第一步进从动转子2与下底板凹槽的配合所起到的限制作用，使下底板沿第二个方向进行直线步进运动一次，即沿如图1所示左侧凹槽的方向进行移动。通过交错排布动能转子上圆盘机构和下圆盘机构的圆柱状突起结构，每次只驱动第一步进从动转子2或第二步进从动转子5中的一个进行转动，使两边结构互不干涉。扫描过程中，无需常规步进扫描启动、停顿阶段，只需控制动能转子匀速运动，就可以实现步进扫描，简化了常规的控制方法。

本实施方式所述的多波段成像方式如图2所示，以四个大小相等的CCD成像探测器为一组，四个CCD成像探测器分别对不同光波段成像，左上方CCD对可见光波段成像，右上方CCD对短波红外波段成像，左下方CCD对中波红外波段成像，右下方CCD对长波红外波段成像。通过八字形步进扫描运动，一次扫描九幅图像，对其余三个面阵成像探测器的成像位置空缺以及面阵探测器拼接缝隙，均能完整覆盖。对于不需要同时进行四个光波段成像时，可以适当增加其中一种光波段成像探测器的数量，通过适当的排布方式，可以进一步减少完整成像时间。

图3为本发明八字形步进扫描示意图，如图3所示，下底板3带动其上的成像探测器朝第一个方向步进移动两次，再朝与第一个方向相垂直的第二个方向移动一次，交替循环往复，完成八字形步进扫描运动，实现一次扫描过程九个位置成像。对于一次成像的图像缺失部分，可以通过单次扫描过程的九次成像，拼接成像为一完整图像。可以同时对四个波段进行成像，即通过单次扫描过程一个成像探测器可以完成四个成像探测器范围大小的成像覆盖。

本实施方式所述的成像探测器为面阵CCD成像探测器，其大小为40mm×40mm，像元尺寸为3.2微米，单次成像曝光时间为10毫秒。

本实施方式所述的动能转子的转动速度为使CCD成像探测器能良好成像，为10转每秒，动能转子每转动一圈，使安装面阵拼接成像探测器的下底板3步进运动三次，既可以保证全靶面扫描成像速度，又可以获得良好曝光的图像。

本实施方式的成像探测器的拼接缝隙为5mm，每次移动距离为30mm，每次移动的两幅图像之间具有10mm的重叠宽度，在有一定重叠区域的情况下，拼接实现完整成像。对于毫米级的移动误差，以及较大的外界干扰导致的误差，不影响其正常使用，均能获得完整成像。

对于大口径大视场清晰成像的大成像靶面光学系统，相对于多个线阵成像探测器拼接扫描成像的方法，本发明具有更快的成像速度，仅需九步移动，即可实现全靶面成像，同时省去了复杂的线阵成像探测器装调角度与间距的问题。相较于传统拼接成像探测器，本发明解决了其探测器拼接处缝隙影响成像的问题，且可以同时对四个光学波段成像，对比具有同等功能的装置，更简单可行。并在扫描的过程中，不需要常规步进扫描的启动、停顿阶段，只需控制动能转子匀速运动，就可以实现八字形步进扫描，简化了常规的控制步骤，并使扫描速度加快。并且具有较宽的成像重叠区域，使其具有更好的抗干扰能力，即使有毫米级的误差，也不影响完整成像。

需要指出的是，本实施方式的动能转子与第一、第二步进从动转子组合实现的八字形步进扫描，仅为一种具体的实现方式，基于本发明所提出的实现方法，存在多种可能的实现方式，如翻转动能转子与第一、第二步进从动转子的方法实现同样的功能，基于本发明提出的实现方法，存在多种可能的实现方式，只要满足本发明的基本特征，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，包括面阵拼接成像探测器，其特征在于：该装置还包括上底板（1），下底板（3），动能转子（4），第一步进从动转子（2）以及第二步进从动转子（5），其中，所述上底板（1）的一侧设有所述下底板（3），所述第一步进从动转子（2）、第二步进从动转子（5）以及动能转子（4）位于所述上底板（1）的另一侧并且动能转子（4）与上底板（1）连接设置，通过匀速转动动能转子能够驱动第一步进从动转子（2）、第二步进从动转子（5），进而驱动下底板作步进运动，所述下底板背离上底板的一侧安装所述面阵拼接成像探测器；

其中，所述第一步进从动转子（2）以及第二步进从动转子（5）为槽轮；

所述动能转子（4）由上圆盘机构和下圆盘机构组成，上圆盘机构和下圆盘机构均通过柱状突起结构分别与第二步进从动转子（5）以及第一步进从动转子（2）相配合进而分别形成槽轮机构；

第一步进从动转子（2）以及第二步进从动转子（5）下方分别通过连接杆设置偏心圆结构，下底板靠近上底板的一侧设有两个沿相互垂直方向设置的凹槽，两个凹槽的大小分别与第一步进从动转子（2）以及第二步进从动转子（5）的所述偏心圆结构相匹配，通过第一步进从动转子（2）以及第二步进从动转子（5）的转动，带动下底板在两个相互垂直方向上移动。

2.根据权利要求1所述的基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，其特征在于：上圆盘机构上具有一个圆柱状的所述柱状突起结构，下圆盘机构上具有两个圆柱状的所述柱状突起结构。

3.根据权利要求1所述的基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，其特征在于：所述面阵拼接成像探测器为CCD面阵成像探测器或CMOS面阵成像探测器。

4.根据权利要求1所述的基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，其特征在于：所述面阵拼接成像探测器能同时进行多波段成像。

5.根据权利要求4所述的基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，其特征在于：所述面阵拼接成像探测器包括多组成像探测器，每组成像探测器包括四个大小相等的成像探测器，每个成像探测器对相同或不同的波段成像。

6.根据权利要求4所述的基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，其特征在于：每组成像探测器最多同时进行四个波段成像。

7.根据权利要求6所述的基于步进扫描方式的面阵拼接成像探测装置，其特征在于：安装所述面阵拼接成像探测器的下底板输出八字形步进扫描运动，实现一次扫描过程九个位置成像。