一种新型的应用于生物医学领域的数字热显微镜

　　1 引言

　　近年来，在生物医学领域开展了很多方面的科学研究，尤其是微生物医学方面的分析。而显微镜作为生物医学分析的主要仪器更是发挥了很大的作用，得到了迅速发展，各种新型的显微镜不断出现^[1] 。而可以得到红外图像二维信息的热显微镜被认为是很有发展前途的红外显微镜，利用热显微镜可以获得高空间分辨率、高质量和更丰富的图像信息。而这些是其它只能得到一维信息的红外显微系统所无法得到的^[2] 。虽然红外热成像系统在工业和生物医学领域得到了越来越多的应用，但以往的红外热成像方法却难以满足生物医学领域细微热分析的要求。近年来，为了完成微细热分析，人们提出了一些热显微镜并且已经应用于许多领域如印刷电路板的检测设计、微小机械零器件的设计分析等。图1为利用热显微镜采集的显微热图像。

　　除此之外，由计算机控制的热显微镜可以用来对微波晶体管进行热分析，并且该电子器件的温度分布可以清楚的实时显示出来^[3] 。

　　InfraScope III是InfraScope系列50 年里最先进灵敏度最高的显微红外热像仪。它具有快速、无破坏性，不需要接触待测物和无需制冷等优点，可以准确给出电子电路的热图像以供后续分析设计。该热像仪尤其适合故障分析。其探测器采用InSb 探测器，该探测器为500x500像素，每个像素单元尺寸为24微米然而以上热显微镜都是基于制冷型焦平面探测器的。制冷探测器不仅价格贵而且体积大，所以显微热成像技术虽然存在许多实际应用需求，但由于价格因素以及对技术的认识程度，特别缺乏合适的产品，使显微热成像技术在国内的应用受到极大的限制。虽然非制冷焦平面探测器具有较高的性能价格比、无需制冷、使用方便、功耗低、体积小、重量轻、易携带等许多优点^[4] ，但在国内外还没有基于非制冷焦平面探测器的显微热成像系统的报道。

　　基于此，本文基于非制冷焦平面探测器设计了一种新型的数字热显微镜，该热显微镜可以获得长波红外显微图像由此可以满足生物医学领域需要显微热分析的场合。同时本文推导了系统的噪声等效温差和噪声等效辐射率差模型。这些数学模型可以为系统的设计和优化提供理论指导。

　　采用非制冷焦平面探测器存在非均匀性问题。非均匀性定义为红外焦平面探测器阵列在接收同一均匀辐照度时，由于各探测单元之间响应不一致，在输出图像中形成网格、曲线斑纹、亮度失衡等固定图案噪声，又称固定模式噪声，其会对观察者观察图像产生强烈的视觉干扰。为了解决上述问题，本文研究实现了基于场景的自适应非均匀校正技术，有效地获取了物体的显微热图像，并明显减小了非均匀性固定图案噪声对系统成像质量的影响，并且基于Visual C++完成了系统软件的设计。