[發明專利]基于壓電驅動的微掃描超分辨率控制系統及方法

有效

• 申請號: 201811547823.0
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN111338387B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 黎鴻;孟森;楊丹丹;李丹;李馮帆
• 申請（專利權）人: 上海乂義實業有限公司
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 上海諾衣知識產權代理事務所(普通合伙) 31298
• 代理人: 衣然

本發明公開了基于壓電驅動的微掃描超分辨率控制系統及方法，包括安裝有特定透鏡或者反射鏡的二維壓電高速高精度微掃描平臺、小型化高頻控制器以及圖像算法處理器，二維壓電高速高精度微掃描平臺與光學系統中某一片特定透鏡或者反射鏡物理連接，探測器獲得的原始圖像數據傳入圖像算法處理器，二維壓電高速高精度微掃描平臺與小型化高頻控制器進行控制數據傳遞，小型化高頻控制器與上位機進行控制數據傳遞。本發明大幅度降低了控制系統設計生產難度，減小了控制系統尺寸，降低了系統成本，同時由于引入了溫度補償技術，從而可以大幅度提高微掃描系統的在大寬溫條件下微掃描平臺的定位精度，從而充分保證了微掃描超分辨系統的成像質量。

技術領域

本發明涉及光學超分辨技術領域，特別涉及基于壓電驅動的微掃描超分辨率控制系統及方法。

背景技術

傳統的光學超分辨率系統由于采用閉環控制，需要引入傳感器、閉環控制模塊，從而使控制系統往往變得復雜，同時由于閉環控制是一個不斷修正參數趨近命令參數的過程，因此其響應時間較長，會導致需要降低探測器幀頻來匹配微掃器件的到位時間，造成探測器性能的浪費；如果不降低探測器幀頻，則在探測器曝光時間時，微掃描透鏡會產生震蕩或不能完全到位，會導致畫面有運動模糊，降低系統的探測能力。壓電材料對溫度敏感，溫度變化會導致其電容、位移量等指標的變化，同時位置傳感器本身精度也受溫度影響較大，并不能完全消除溫度引入的位移的誤差，對于一些特殊運用，由于使用溫寬高達110℃，傳統的閉環控制方法無法保證全溫寬使用條件下的定位精度，從而造成超分效果不佳。傳統的閉環控制系統相對復雜，無法將系統做得足夠緊湊。

發明內容

發明的目的在于提供基于壓電驅動的微掃描超分辨率控制系統及方法，本發明大幅度降低了控制系統設計生產難度，減小了控制系統尺寸，降低了系統成本，同時由于引入了溫度補償技術，采用溫度傳感器標定補償的方法，補償了壓電材料的溫度敏感性，從而可以大幅度提高微掃描系統的在大寬溫條件下微掃描平臺的定位精度，從而充分保證了微掃描超分辨系統的成像質量。同時又簡化了控制系統，從而也可大幅度降低控制系統功耗，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：基于壓電驅動的微掃描超分辨率控制系統，包括光學系統、安裝有光學系統中某一片特定透鏡或反射鏡的二維壓電高速高精度微掃描平臺、小型化高頻控制器以及圖像算法處理器，所述二維壓電高速高精度微掃描平臺是基于壓電驅動的二維水平位移或兩軸旋轉機構，其與特定透鏡/反射鏡物理連接，光學系統射出的光線進行處理使之在探測器上成像，探測器獲得的原始數據圖像數據傳入圖像算法處理器進行超分辨率圖像重建，圖像算法處理器連接顯示器并進行超分辨圖像數據輸出，所述二維壓電高速高精度微掃描平臺與小型化高頻控制器進行控制數據傳遞，小型化高頻控制器與上位機進行控制數據傳遞。

進一步地，所述二維壓電高速高精度微掃描平臺內置有壓電運動機構并集成溫度傳感器，其中，

壓電運動機構使特定透鏡/反射鏡位置發生微小位移或者角度發生微小偏轉，使得光軸在探測器焦平面位置產生亞像素級的微位移；

溫度傳感器可實時監測二維壓電高速高精度微掃描平臺的溫度。

進一步地，所述小型化高頻控制器由數字信號處理模塊、電壓放大模塊和標定參數存儲模塊組成，其中，數字信號處理模塊內含有同步觸發模塊、預整形模塊以及溫度補償模塊，其中，

同步觸發模塊接收上位機發出的掃描模式命令，觸發信號，并將命令波形信號傳入預整形模塊，預整形模塊向電壓放大模塊發送發送預整形及修正后波形命令信號；

電壓放大模塊將低壓輸入電壓放大至高壓驅動電壓用以驅動壓電運動機構；

溫度補償模塊接收來自溫度傳感器的探測溫度信號，向預整形模塊發送發送電壓修正參數，并與標定參數存儲模塊進行溫度/補償參數傳遞；

標定參數存儲模塊用于存儲實驗獲取的高精度微掃描平臺隨溫度變化的位移量參數。