CN101487809B - 零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用，属于红外热成像领域。本发明首先以旋转台测试零点为起点，采集两幅图像，然后利用改进的频域图像配准算法计算两幅图像之间的微位移，根据微位移按微扫描零点定标方法确定旋转角度及方向，控制旋转台旋转相应的角度即到达系统光学微扫描零点位置。然后按标准2×2微扫描模式采集4幅欠采样低分辨力图像并按照采集图像的方式直接插值得到分辨力提高一倍的过采样图像。因为采用单块红外平行平板的微扫描器装置及定位精度高、速度快和易于系统的硬件和实时化处理的微扫描零点定标方法，系统的空间分辨力得到明显提高，从而促进显微热成像技术在多个领域的应用。

Description

零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用

技术领域

本发明涉及一种光学平板旋转微扫描显微热成像系统的微扫描零点定标方法，属于红外热成像领域，可解决已研制光学微扫描显微热成像系统实用化的关键问题，提高系统的空间分辨力，该光学微扫描显微热成像系统可用于微电子芯片及其电路设计和故障检测、生物医学显微热成像分析、科学研究等领域，提供高分辨力微细热分析的技术手段。

背景技术

热成像技术目前在工业检测、医学诊断和科学研究等领域已获得广泛的应用，成为有效的热诊断工具。但目前大多数热成像系统为望远工作模式，不适宜应用在需要显微分析和检测的场合，影响了对事物的认识和故障的分析。而实际却有许多需要显微热分析和检测的场合。例如，在微电子集成芯片及其电路的设计、可靠性分析以及缺陷检测中，需要利用显微热成像技术进行非接触测量诊断；在生物医学诊断中，需要利用显微热成像技术对癌细胞的诊断与生长分析提供技术手段等。

为了满足上述领域的需要，国外90年代开始推出显微热成像系统。由于显微热成像属于放大成像，要求探测器具有较高的热灵敏度，因此，国外显微热成像系统的核心部件大多基于制冷型红外探测器，所以国外的显微热成像系统价格昂贵、功耗大、体积大、重量重。由于以上原因，显微热成像产品在国内的推广应用受到极大的限制。目前只有几篇关于进口制冷型热成像显微镜的使用报道。例如，电子5所1996年引进美国的EDO/BARNES公司的显微红外热像仪Infra-Sco-pe，它采用液氮制冷的InSb焦平面探测器，配置10^×，5^×，1^×，1/5^×的红外物镜，最高空间分辨力可达5μm。清华大学引进TVS-5000型显微热像仪进行热分析和热设计。而目前国内对显微镜热成像产品的研发还比较薄弱，尚无热成像显微镜产品出现。

非制冷焦平面探测器具有较高性价比、无需制冷、功耗低、体积小、重量轻等特性，特别是近年来随着热成像技术的发展，非制冷焦平面探测器成本大大降低，促进了在各种领域的应用。但目前尚未见到基于非制冷焦平面探测器显微热成像系统的专门报道或产品。

为此，申请人基于非制冷红外焦平面探测器研制了一种新型的显微热像仪，已申请了专利“显微热成像方法及其装置”(专利申请号：2007101001656)。由于探测器阵列规模较小(320×240或384×288)以及探测器单元尺寸较大(45μm×45μm或38μm×38μm)，为了获得更高的空间分辨力，我们进一步研究了一种基于光学平板旋转微扫描器的高分辨力显微热成像系统(如图1)，并申请了专利“带有光学平板微扫描器的高分辨力显微热成像方法”(专利申请号：200710160758.1)。其通过光路中倾斜平板的旋转，获得2×2微扫描的图像，进而经过过采样重构，获得高分辨力显微热图像。

然而在平板旋转微扫描显微热成像系统中，不论是系统安装还是检测之后，由于各次安装热成像组件的方位角不完全一致，需要对2×2微扫描零点(角度)位置进行新的标定，否则所采集的4幅图像微位移位置偏离标准2×2微扫描的正立方形，过采样重构的图像质量比双线性放大的质量差，光学平板微扫描系统的设计功亏一篑，系统的空间分辨力得不到提高。为解决上述问题，本发明基于几何原理和数字图像处理方法，研究利用两帧图像的微位移确定微扫描零点及过采样重构的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用，以实现申请人已发明专利“带有光学平板微扫描器的高分辨力显微热成像装置”中微扫描零点定标，从而提高系统空间分辨力。该方法采用两帧图像的亚像素级微位移完成零点定标，使系统空间分辨力明显提高。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种零点定标方法，以旋转台测试零点为起点，采集第一幅图像，然后顺时针选转90°采集第二幅图像；利用频率域图像配准技术计算两幅图像之间的微位移，然后基于几何原理和标准2×2微扫描原理确定到微扫描器零点需要旋转的角度和方向；

角度和方向共分为如下四种情况：

①x＞0，y＞0，顺时针旋转光学平板度；

②x＞0，y＜0，逆时针旋转度；

③x＜0，y＜0，逆时针旋转

度；

④x＜0，y＞0，顺时针旋转

度；

特例：

①若x＝0，

则将光学平板顺时针旋转90°即可；

②若x＝0，

则将光学平板逆时针旋转90°即可；

③若

y＝0，则将光学平板逆时针旋转180°即可；

④若x＝0，

则将光学平板顺时针旋转90°即可；

其中旋转的角度均是在旋转台测试零点位置1’上开始旋转。

其微扫描零点定标的定义为：标准2×2微扫描模式下采集第一幅欠采样图像的位置。

本发明的一种零点定标方法在光学平板旋转微扫描显微热成像系统的应用步骤如下：

(1)通过红外显微物镜和红外光学平板将物体的红外辐射图像成像到红外焦平面探测器上；

(2)利用微扫描控制器旋转光学平板到旋转台测试零点位置；

(3)以步骤(2)中的旋转台测试零点为起点，采集第一幅图像，然后顺时针选转90°采集第二幅图像；

(4)利用频率域图像配准技术计算两幅图像之间的微位移，然后基于几何原理和标准2×2微扫描原理确定到微扫描零点所需要旋转的角度和方向；

(5)根据步骤(4)中得到的角度和方向，通过微扫描控制器控制旋转平台旋转相应的角度即完成微扫描零点的定标；

(6)以步骤(5)中的微扫描零点为起点，由控制器控制固定光学平板的旋转平台使显微热图像通过光学平板后，在四个依次相差90°的倾角条件下，形成标准2×2微扫描模式，得到4帧低分辨力图像；

(7)通过图像采集卡依次将步骤(6)中的4帧低分辨力标准视频热图像转化为数字图像，并存于计算机中；

(8)按标准2×2模式采集图像的方式，将步骤(7)中的4幅图像直接插值即可得到高分辨力图像；

(9)对步骤(8)中的高分辨力图像进行显微热图像显示、分析、存储和其它(如超分辨力复原)处理。

4、如权利要求3所述的一种零点定标方法在光学平板旋转微扫描显微热成像系统的应用，其特征在于：所述步骤(6)中，首先旋转光学平板到与水平方向成45°的左上方位置1(微扫描零点)，完成第1次成像；然后顺时针旋转光学平板90°，使成像位置在探测器阵列上向右移动L/2，即与水平方向成45°的右上方位置2，完成第2次图像；在位置2的基础上，再顺时针旋转90°，使成像位置在探测器阵列向下位移L/2，得到右下方位置3的第3幅图像；最后再继续旋转90°到达位置4，获得第4次成像；以上过程周期循环进行，采用最新的4幅低分辨力图像按标准2×2微扫描模式插值可获得1幅高分辨力的过采样图像。

有益效果

本发明与国外显微热成像方法相比，由于非制冷焦平面探测器具有较高的性价比、无需制冷、功耗低、体积小、重量轻等特性，使显微热成像系统成本大大降低。同时因为采用单块红外平行平板的微扫描器装置及定位精度高、速度快和易于系统的硬件和实时化处理的微扫描零点定标方法，系统的空间分辨力得到明显提高，可用于需要高分辨力的显微热分析的场合从而促进显微热成像技术在多个领域的应用，提高设计、实验分析和研究的技术水平，提高诊断的效率与可靠性。

附图说明

图1是光学平板旋转微扫描显微热成像系统照片；

图2是单块光学平板旋转2×2微扫描示意图；

图3是标准2×2微扫描模式成像位置；

图4是微扫描零点偏差下的成像位置；

图5是x＞0，y＞0微扫描零点确定示意图；

图6是x＞0，y＜0微扫描零点确定示意图；

图7是x＜0，y＜0微扫描零点确定示意图；

图8是x＜0，y＞0微扫描零点确定示意图；

图9是实际光学平板旋转微扫描显微热成像系统微扫描零点定标前后按标准2×2微扫描模式采集4幅图像的微位移位置图，其中：(a)是零点定标前的微位移位置图，(b)是零点定标后的微位移位置图；

图10是高分辨力热图像及其微扫描欠采样图像；其中：(a)是原始高分辨力图像，(b)是4帧低分辨力图像；

图11是热图像过采样重构仿真研究，其中：(a)是过采样重构图像，(b)是双线性放大图像；

图12是实际采集的显微热图像；

图13是人民币一角硬币显微热图像，其中：

(a)是直接过采样图像(SNT＝6.0487)，(b)是双线性放大图像(SNT＝6.0487)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细介绍本发明。

1、定义光学平板旋转微扫描器及其零点

光学平板旋转微扫描器包括红外光学平板、精密光学平板支座、高精度电控旋转平台及其控制器等。光学平板支座保证光学平板与成像系统光轴保持一定倾角θ，当平板绕光轴进行方位角旋转时，会集光束的聚焦点将在成像面上形成以原像点为中心，Δ为半径的圆周(如图2)。如果以探测器阵列的直角坐标系为基准，旋转光学平板使其分别在45°、135°、225°和315°等4个位置进行图像采样，且根据光学平板的折射率n，设计平板厚度d和倾斜角度θ，使

(其中L为探测器单元的中心距)，则由此获得标准2×2微扫描模式下的4幅低分辨力欠采样图像(如图3)。定义系统微扫描零点为标准2×2微扫描模式下采集第一幅欠采样图像的位置(如图3采集点1)。

由于系统的热成像组件属于可拆卸模式，每次安装后探测器方向与电控旋转平台的零点定位均存在一定的偏差。如果仍按以前确定的旋转位置进行2×2微扫描，则由于微扫描零点位置的偏差，造成所有微扫描位置的偏差(如图4)，难以得到标准2×2的微扫描模式下相互之间水平和垂直错位1/2探测器间距的4幅低分辨力图像，直接影响后续高分辨力图像的重构，无法提高系统空间分辨力，有时分辨力甚至会降低。因此，快速准确地获得系统的微扫描零点成为系统实用化的关键。

2、光学平板旋转微扫描显微热成像系统零点定标方法

为了获得微扫描零点，在系统安装完毕后，以某选定(按探测器方向大致确定的方向或上一次标定的零点)的旋转台角度为测试零点，进行间隔为90°的旋转扫描，获得4幅低分辨力欠采样图像。如图5，以光学平板旋转中心为原点O，建立直角坐标系X₁OY₁，在扫描圆周上，正方形1234为标准2×2微扫描模式下4幅欠采样图像的采集位置，其中点1为系统微扫描零点，即校正标定需要确定的零点；正方形1′2′3′4′为以旋转台测试零点为起点获得的4幅欠采样图像的采集位置，其中点1′为旋转台测试零点。

以1′位置为原点O′，建立相对X₁OY₁平移的直角坐标系X₂O′Y₂，利用改进的频域图像配准算法计算出位置2′图像相对于位置1′图像的亚像素级微位移量(x，y)，进一步根据(x，y)在X₂O′Y₂坐标系的象限确定微扫描零点1。以下将根据x，y的正负四种情况来研究微扫描零点的确定问题。

x＞0，y＞0微扫描零点的确定

此时零点偏移情况如图5所示。

由图5可知

∠2＝∠3(1)

而由标准2×2微扫描模式知

∠1+∠2＝45°，∠3+∠4＝45°(2)

最后得到

$\∠1=\∠4=\mathrm{arctg}\frac{y}{x}---\left(3\right)$

即由旋转台测试零点1′将光学平板顺时针旋转∠1＝arctg(y/x)后即得到微扫描零点1。

以此微扫描零点1为起点采集第一幅图像，然后依次间隔90°完成其它3次位置的成像，即得到如图4中蓝色正方形所示的标准2×2的微扫描模式所需要的沿水平和垂直方向分别移动像素间距一半的4幅欠采样图像，从而为后续的微扫描高分辨力图像重构打下基础。◆特例：若x＝0，

则将旋转平台顺时针旋转90°即可。

x＞0，y＜0微扫描零点的确定

此时零点偏移情况如图6所示。推导得

$\∠1=\mathrm{arctg}\frac{\left|y\right|}{x}---\left(4\right)$

特例：若x＝0，

则将光学平板逆时针旋转90°即可。

x＜0，y＜0微扫描零点的确定

此时零点偏移情况如图7所示。经过推导得

特例：若y＝0，则将光学平板逆时针旋转180°即可。

x＜0，y＞0微扫描零点的确定

此时零点偏移情况如图8所示。经过推导得

◆特例：若x＝0，

则将光学平板顺时针旋转90°即可。

本发明提供的一种零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用的具体步骤如下：

(1)通过红外显微物镜和红外光学平板将物体的红外辐射图像成像到红外焦平面探测器上；

(2)利用微扫描控制器旋转光学平板到旋转台测试零点位置；

(3)以旋转台测试零点为起点，采集第一幅图像，然后顺时针选转90°采集第二幅图像；

(4)利用频率域图像配准技术计算两幅图像之间的微位移，然后基于几何原理和标准2×2微扫描原理确定到微扫描器零点需要旋转的角度和方向；

(5)根据(4)中得到的角度和方向，通过微扫描控制器控制旋转平台旋转相应的角度即完成微扫描零点的定标；

(6)以步骤(5)中的微扫描零点为起点，由控制器控制固定光学平板的旋转平台使显微热图像通过光学平板后，在四个依次相差90°的倾角条件下，形成标准2×2微扫描模式，得到4帧低分辨力图像；

(7)通过图像采集卡依次将步骤(6)中的4帧低分辨力标准视频热图像转化为数字图像，并存于计算机中；

(8)按标准2×2模式采集图像的方式，将步骤(7)中的4幅图像直接插值即可得到高分辨力图像；

(9)对步骤(8)中的高分辨力图像进行显微热图像显示、分析、存储和其它(如超分辨力复原)处理。

本发明的核心是解决已研制光学平板旋转微扫描显微热成像系统的微扫描零点定标问题，并以该零点为起点采集4幅图像完成过采样重构，从而提高显微热成像系统的空间分辨力。

实施例

1、实际光学微扫描显微热成像系统微扫描零点定标

利用上述微扫描零点定标方法对实际显微热成像系统进行零点定标。图9给出微扫描零点定标前后按标准2×2微扫描模式采集的4幅低分辨力图像微位移位置，图中坐标单位均为1个单位像元。可以看出：经过微扫描零点定标后，低分辨力图像采集位置较定标前明显接近正立的正四边形，这表明微扫描系统零点定标方法的有效性。

当然，由于实际加工、装调及系统工作中机械震动和环境等不可避免的误差因素，使得目前采集4幅图像的微位移位置还不是严格的正立正方形。以下将利用图9定标后微扫描位置模拟和实际采集的4幅低分辨力图像，进行过采样重构的仿真和实验，以进一步验证实际显微热成像系统光学微扫描零点定标的有效性。

2、红外热图像过采样重构仿真研究

利用图9(b)定标后微位移位置由高分辨力图像(图10(a)，640×512像素)模拟得到4幅低分辨力图像(图10(b)，320×256像素)。

图11给出了采用图10(b)的第1帧低分辨力图像的双线性插值放大法和过采样重构法(零点定标后)进行图像重构的结果。其中过采样重构法是由图10(b)的4帧低分辨力图像按标准2×2过采样直接嵌入的方法。

相应的评价参数如表1所示，其中过采样重构(定标前)是以旋转台测试零点为起点进行间隔为90°的旋转扫描获得4幅低分辨力欠采样图像，然后按标准2×2过采样进行直接过采样重构。

从目视效果和评价参数知过采样方法重构(定标后)的细节还原能力(房顶及楼房窗户、空调等细部)等优于双线性放大法，其图像信息更丰富，可分辨的细节最多，图像更清晰；而系统零点定标前的评价参数不仅比定标后的差，而且小于双线性放大法，以上两者说明了实际系统零点定标的正确性和必要性。

表1红外热图像重构的评价参数

利用实际光学微扫描显微热成像系统以微扫描零点为起点，进行间隔为90°的旋转扫描，获得4幅低分辨力欠采样图像，然后按照图像配准算法计算微位移。随后利用lena图像(170×170像素)模拟上述微位移得到4幅低分辨力图像(85×85像素)。利用不同重构方法进行重构，表2给出了其中几组的实验结果，为便于比较，表2中最后两组微位移是零点定标前的。

表2图像重构评价参数

综合目视效果和表2的评价参数得出如下结论：系统进行微扫描零点定标后，直接过采样重构较微扫描零点定标前有很大改善，图像质量明显提高，并且好于双线性插值法。

3、实际采集显微热图像的重构

首先以旋转台测试零点为起点，采集两幅图像，然后利用本章的改进的频域图像配准算法计算两幅图像之间的微位移，随后按微扫描零点定标的结论控制旋转台旋转到相应的角度即到达系统光学微扫描零点位置。然后按标准2×2微扫描模式采集4幅欠采样低分辨力图像(如图12)。分别采用过采样重构方法和双线性插值放大法进行重构，得到的重构图像分别如图13(a)和13(b)所示。

由目视效果可以看出：过采样图像比双线性插值图像更清晰、噪声更小，而且较原始低分辨力图像的空间分辨力明显提高；从评价参数可以看出，过采样图像包含更多的信息量(SNT较大)，图像细节更丰富。

以上结果说明实际光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力得到提高，证明了实际系统零点定标方法的有效性，解决了系统实用化的关键问题。而且该微扫描零点确定方法具有定位精度高、速度快、无须改变系统硬件、无须增加成本等优点、易于系统的硬件和实时化处理。从而解决了已研制光学微扫描显微热成像系统实用化的关键问题。本发明的微扫描零点定标方法还可以应用于其它光学平板旋转微扫描光电成像系统中，具有重要的参考价值和广泛的应用前景。该光学微扫描显微热成像系统应用于微电子和光电子器件及其应用领域，可提高集成电路芯片及其可靠性设计水平，保证微电子和光电子器件及其产品的性能和质量；应用于医学领域，可为医学诊断、癌症检测等提供新的技术手段；应用于科学研究领域，可为科技人员提供新的分析工具；应用于公安刑侦领域，可为可疑物证、痕迹的侦别提供新的技术手段，具有很好的应用前景和推广价值。该显微热成像系统进一步结合超分辨力图像处理算法将会大幅度提高系统的空间分辨力，从而应用于更多的需要高分辨力细微热分析的领域。

Claims (3)

1.一种用于光学平板旋转微扫描显微热成像系统的零点定标方法，所述的光学平板旋转微扫描显微热成像系统包括红外光学平板、精密光学平板支座、高精度电控旋转平台及其控制器，光学平板支座保证光学平板与成像系统光轴保持一定倾角θ，当平板绕光轴进行方位角旋转时，会集光束的聚焦点将在成像面上形成以原像点为中心，Δ为半径的圆周；如果以探测器阵列的直角坐标系为基准，旋转光学平板使其分别在45°、135°、225°和315°4个位置进行图像采样，且根据光学平板的折射率n，设计平板厚度d和倾斜角度θ，使

其中L为探测器单元的中心距，则由此获得标准2×2微扫描模式下的4幅低分辨力欠采样图像，系统微扫描零点为标准2×2微扫描模式下采集第一幅欠采样图像的位置；其特征在于：以旋转平台为起点，采集第一幅图像，然后顺时针旋转90°采集第二幅图像；利用频率域图像配准技术计算两幅图像之间的微位移，然后基于几何原理和标准2×2微扫描原理确定到微扫描零点需要旋转的角度和方向；

角度和方向共分为如下列四种情况：

(1)x＞0，y＞0，顺时针旋转光学平板度；

(2)x＞0，y＜0，逆时针旋转光学平板

度；

(3)x＜0，y＜0，逆时针旋转光学平板度；

(4)x＜0，y＞0，顺时针旋转光学平板

度；

其中：

(1)若x＝0，

则将光学平板顺时针旋转90°即可；

(2)若x＝0，

则将光学平板逆时针旋转90°即可；

(3)若

y＝0，则将光学平板逆时针旋转180°即可；

(4)若x＝0，则将光学平板顺时针旋转90°即可；

其中，以光学平板旋转中心为原点O，建立直角坐标系X₁OY₁，在扫描圆周上，正方形1234为标准2×2微扫描模式下4幅欠采样图像的采集位置，其中点1为系统微扫描零点；正方形1′2′3′4′为以旋转台测试零点为起点获得的4幅欠采样图像的采集位置，其中点1′为以选定的旋转台角度作为的旋转台测试零点；以1′位置为原点O′，建立相对X₁OY₁平移的直角坐标系X₂O′Y₂，利用频率域图像配准技术计算出位置2′图像相对于位置1′图像的亚像素级微位移量(x，y)，到微扫描零点旋转的角度均在旋转台测试零点位置1′上开始旋转。

2.一种如权利要求1所述的零点定标方法在光学平板旋转微扫描显微热成像系统的应用，其特征在于：其应用步骤如下：

(1)通过红外显微物镜和红外光学平板将物体的红外辐射图像成像到红外焦平面探测器上；

(2)利用微扫描控制器旋转光学平板到旋转台测试零点位置；

(3)以步骤(2)中的旋转台测试零点为起点，采集第一幅图像，然后顺时针选转90°采集第二幅图像；

(4)利用频率域图像配准技术计算两幅图像之间的微位移，然后基于几何原理和标准2×2微扫描原理确定到微扫描零点所需要旋转的角度和方向；

(5)根据步骤(4)中得到的角度和方向，通过微扫描控制器控制旋转平台旋转相应的角度即完成微扫描零点的定标；

(6)以步骤(5)中的微扫描零点为起点，由控制器控制固定光学平板的旋转平台使显微热图像通过光学平板后，在四个依次相差90°的倾角条件下，形成标准2×2微扫描模式，得到4帧低分辨力图像；

(7)通过图像采集卡依次将步骤(6)中的4帧低分辨力标准视频热图像转化为数字图像，并存于计算机中；

(8)按标准2×2模式采集图像的方式，将步骤(7)中的4幅图像直接插值即可得到高分辨力图像；

(9)对步骤(8)中的高分辨力图像进行显微热图像显示、分析、存储和超分辨力复原处理。

3.如权利要求2所述的一种应用，其特征在于：所述步骤(6)中，首先旋转光学平板到与水平方向成45°的左上方作为微扫描零点的位置1，完成第1次成像；然后顺时针旋转光学平板90°，使成像位置在探测器阵列上向右移动L/2，即与水平方向成45°的右上方位置2，完成第2次图像；在位置2的基础上，再顺时针旋转90°，使成像位置在探测器阵列向下位移L/2，得到右下方位置3的第3幅图像；最后再继续旋转90°到达位置4，获得第4次成像；以上过程周期循环进行，采用最新的4幅低分辨力图像按标准2×2微扫描模式插值可获得1幅高分辨力的过采样图像。

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