CN106290164A - 一种成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种成像系统及成像方法，涉及成像技术领域，用于解决现有技术中阵列探测器数据传输、存储困难以及成本较大的问题。其中所述成像系统包括：用于为待测物体提供光线的光源；空间光调制器，用于对光源发出的光线进行调制，将光源发出的光线在不同时间点依次打到待测物体的不同区域上；阵列探测器，阵列探测器为像素个数小于待测物体图像像素个数的阵列探测器，用于在各个时间点依次接收打到待测物体不同区域上并被反射的光线，并对待测物体不同区域的图像依次进行记录；与阵列探测器相连的图像合成模块，用于从阵列探测器中获取所记录的图像，并将所获取的图像进行叠加，得到待测物体完整的图像。上述成像系统用于对物体进行成像。

Description

一种成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种成像系统及成像方法。

背景技术

在生命科学、医学成像等领域，为了更好地观测生物的特征和细节信息，要求生物成像后的图像更大程度地接近于真实物体，这要求图像所包含的像素个数就要越来越多，即生物成像后图像的像素规模越来越大。在现有的成像系统中，为了获取较大像素规模的图像，需要通过较大像素规模的阵列探测器实现，即阵列探测器中包含的像素的个数要大于或等于图像中所包含的像素的个数。而阵列探测器像素规模的增大，会造成两方面的不良问题：一方面，阵列探测器每次获取的像素数据增多，数据传输和存储所需的空间就对应增大，这就造成了数据传输和存储困难；另一方面，像素规模的增大也会增加阵列探测器的成本。

发明内容

本发明提供了一种成像系统及成像方法，可利用较小像素规模的阵列探测器实现对较大像素规模图像的成像，以解决现有技术中阵列探测器数据传输、存储困难以及成本较大的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种成像系统，所述成像系统包括：光源，所述光源用于为待测物体提供光线；空间光调制器，所述空间光调制器用于对所述光源发出的光线进行调制，将所述光源发出的光线在不同时间点依次打到所述待测物体的不同区域上；阵列探测器，所述阵列探测器为像素个数小于所述待测物体图像像素个数的阵列探测器，所述阵列探测器用于在各个时间点依次接收打到所述待测物体不同区域上并被反射的光线，并对所述待测物体不同区域的图像依次进行记录；与所述阵列探测器相连的图像合成模块，所述图像合成模块用于从所述阵列探测器中获取所记录的图像，并将所获取的图像进行叠加，得到所述待测物体完整的图像。

在本发明第一方面提供的成像系统中，由于将光源发出的光线在不同时间点依次打到待测物体的不同区域上，因此阵列探测器可依次对待测物体不同区域的图像进行记录，也就是说，阵列探测器在某一时刻只需对待测物体的某一区域的图像进行记录，因此，在本发明所提供的成像系统中，可以采用像素个数小于图像中所包含的像素个数的阵列探测器，即利用小像素规模的阵列探测器实现了对大像素规模图像的成像。由于采用的阵列探测器的像素规模较小，每次获取的像素个数也就较少，相应的，像素数据传输和存储所需的空间也就较小，这样可以更容易实现阵列探测器内的像素数据的传输和存储。此外，小像素规模的阵列探测器还可降低阵列探测器的成本。

本发明第二方面提供了一种成像方法，所述成像方法应用于如本发明第一方面所述的成像系统，所述成像方法包括：步骤S1：利用所述成像系统的光源为待测物体提供光线；步骤S2：利用所述成像系统的空间光调制器对所述光源发出的光线进行调制，将所述光源发出的光线在不同时间点依次打到所述待测物体的不同区域上；步骤S3：利用所述成像系统的阵列探测器在各个时间点依次接收打到所述待测物体不同区域上并被反射的光线，并对所述待测物体不同区域的图像依次进行记录；步骤S4：利用所述成像系统的图像合成模块从所述阵列探测器中获取记录的图像，并将所记录的图像进行叠加，得到所述待测物体完整的图像。

上述成像方法的有益效果与本发明的第一方面所提供的成像系统的有益效果相同，此处不再赘述。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例所提供的成像系统的系统示意图；

图2为本发明实施例所提供的成像系统中数字微镜器件的工作示意图；

图3为本发明实施例所提供的成像方法流程图一；

图4为本发明实施例所提供的成像方法流程图二。

附图标记说明：

1-光源； 2-空间光调制器；

21-数字微镜器件； 3-阵列探测器；

4-图像合成模块； 41-图像叠加单元；

42-图像转换单元； 5-待测物体；

6-准直器件； 7-傅里叶透镜；

8-驱动控制模块； 9-图像收集与传输模块。

具体实施方式

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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，实施例一提供了一种成像系统，该成像系统包括光源1、空间光调制器2、阵列探测器3和图像合成模块4；其中，光源1用于为待测物体5提供光线；空间光调制器2用于对光源1发出的光线进行调制，将光源1发出的光线在不同时间点依次打到待测物体5的不同区域上；阵列探测器3为像素个数小于待测物体5图像像素个数的阵列探测器3，阵列探测器3用于在各个时间点依次接收打到待测物体5不同区域上并被反射的光线，并对待测物体5不同区域的图像依次进行记录；图像合成模块4与阵列探测器3相连，图像合成模块4用于从阵列探测器3中获取所记录的图像，并将所获取的图像进行叠加，得到待测物体5完整的图像。

在本实施例提供的成像系统中，由于将光源1发出的光线在不同时间点依次打到待测物体5的不同区域上，因此阵列探测器3可依次对待测物体5不同区域的图像进行记录，也就是说，阵列探测器3在某一时刻只需对待测物体5的某一区域的图像进行记录。因此，在本发明所提供的成像系统中，可以采用像素个数小于图像中所包含的像素个数的阵列探测器3，即利用小像素规模的阵列探测器3实现了对大像素规模图像的成像。从另一方面说，由于阵列探测器3在某一时刻只需对待测物体5的某一区域的图像进行记录，这样也使得记录的大像素规模图像的成像更加详细。而且，由于采用的阵列探测器3的像素规模较小，每次获取的像素个数也就较少，相应的，像素数据传输和存储所需的空间也就较小，这样可以更容易实现阵列探测器3内的像素数据的传输和存储。此外，小像素规模的阵列探测器3减小了阵列探测器3的体积，进一步降低了阵列探测器3的成本。

具体的，空间光调制器2包括多个数字微镜器件21，数字微镜器件21的工作原理如下所示：

如图2所示，以与数字微镜器件21中垂线之间夹角为2θ的入射光线为例，当数字微镜器件21不进行旋转时，称数字微镜器件21处于平态状态，根据光线反射原理可知，反射光线与数字微镜器件21中垂线的夹角也为2θ，光线并不能打到待测物体5上；相对于平态，且在入射光线的方向和待测物体5的位置不变的前提下，当数字微镜器件21顺时针旋转了θ角度，即旋转了+θ角度时，称数字微镜器件21处于开态状态，根据光线反射原理可知，反射光线和入射光线的夹角为2θ，反射光线几乎可以全部打到待测物体5上；相对于平态，且在入射光线的方向和待测物体5的位置不变的前提下，当数字微镜器件21逆时针旋转了θ角度，即旋转了-θ角度时，称数字微镜器件21处于关态状态，根据光线反射原理可知，反射光线和与数字微镜器件21中垂线的夹角为4θ，反射光线远离待测物体5，不能打到待测物体5上。由上可知，可通过控制数字微镜器件21旋转不同的角度，进而控制数字微镜器件21处于开态或关态，实现控制反射光线是否打到待测物体5上。

对于本实施例提供的成像系统中的数字微镜器件21，可以采用多种方式将光源1所发出的光线打到待测物体5的不同区域上。优选的，每个数字微镜器件21均相当于一点光源对待测物体5进行点扫描，即通过旋转，在某一时间点将光源1所发出的光线以某一方向打到待测物体5的某一区域上，各数字微镜器件21作用于光线的时间点不同，使光线打到待测物体5上的方向不同，且使光线打到待测物体5上的区域不同。

需要说明的是，根据数字微镜器件21的物理特性可知，数字微镜器件21的旋转角度范围为-12°～+12°。

在多个数字微镜器件21对待测物体5进行点扫描时，数字微镜器件21工作的顺序也有多种。示例性的，如图1所示，数字微镜器件21的工作顺序按照虚线箭头所示方向：第一行第一列数字微镜器件21旋转+θ₁角度，处于开态，将准直系统发射的光线经反射后以第一角度打到待测物体5的第一点上，同时，其它的数字微镜器件21旋转-θ角度，处于关态；第一行第二列数字微镜器件21数字微镜器件21旋转+θ₂角度，处于开态，将准直系统发射的光线经反射后以第二角度打到待测物体5的第二点上，同时，其它的数字微镜器件21旋转-θ角度，处于关态；…；以此类推，每个数字微镜器件21依次处于开态，与此同时，其它的数字微镜器件21处于关态。当全部数字微镜器件21都经历过开态后，准直系统发射的光线经反射后打到了待测物体5的全部区域上，从而在多个数字微镜器件21对待测物体5进行点扫描的进程的同时，能够通过阵列探测器3依次获得待测物体5各个点的图像。

如图1所示，成像系统还包括设置于光源1与空间光调制器2之间的准直器件6，准直器件6用于将光源1发出的光线转换为平行光线，使平行光线垂直照射到空间光调制器2的光接收面上。

若光源1发出的光线不平行，当数字微镜器件21旋转了+θ角度处于开态时，入射光线经数字微镜器件21反射后可能会有一部分光线偏离待测物体5上的目标区域，无法打到待测物体5上的目标区域，这样可能会造成待测物体5的目标区域成像不完整或不清晰；当数字微镜器件21旋转了-θ角度处于关态时，入射光线经数字微镜器件21反射后，可能不能保证所有的光线都偏离待测物体5上的目标区域，仍会有一部分光线打到待测物体5上，从而不能保证待成像过程的准确性。因此，为了准确地对对待测物体5上的目标区域进行成像，优选的将光源1发出的光线转换为平行光线，并使平行光线垂直照射到空间光调制器2的光接收面上。

成像系统还包括傅里叶透镜7，傅里叶透镜7设置于待测物体5与阵列探测器3之间，用于通过傅里叶正变换将待测物体5不同区域的时域图像在焦平面转换为对应区域的频域图像；阵列探测器3设置于傅里叶透镜7成像的焦平面上，以对焦平面上频域图像进行记录。

在形成的频域图像中，在傅里叶域下，中心集中的是低频信息，周围集中的是高频信息。其中，低频信息对应图像的轮廓，高频信息对应图片的细节。

其中，傅里叶正变换公式为：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=FT\[f\left(t\right)\]={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}f\left(t\right)e^{-j\mathrm{\ω}t}dt---\left(1\right)$

F(ω)对应图像的频域信息，f(t)对应图像的时域信息。

相应的，在图像合成模块4中，包括图像叠加单元41和图像转换单元42，图像叠加单元41用于从阵列探测器3中获取记录的频域图像，并将获取的频域图像进行叠加，从而形成待测物体5完整的频域图像；图像转换单元42与图像叠加单元41相连，图像转换单元42用于利用傅里叶反变换将待测物体5完整的频域图像转换为待测物体5完整的时域图像，用于观测显示。

其中，傅里叶反变换公式为：

$f\left(t\right)={\mathrm{FT}}^{-1}\[F\left(\mathrm{\ω}\right)\]=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}F\left(\mathrm{\ω}\right)e^{j\mathrm{\ω}t}dt---\left(2\right)$

如图1所示，成像系统还包括驱动控制模块8，驱动控制模块8与空间光调制器2相连，用于控制空间光调制器2进行工作。

此外，成像系统还包括图像收集与传输模块9，图像收集与传输模块9连接于阵列探测器3与图像合成模块4之间，用于收集阵列探测器3记录的图像，并将收集的图像传输至图像合成模块4，进而使得图像合成模块4合成待测物体5完整的图像。

需要说明的是，驱动控制模块8和图像收集与传输模块9可集成在一起，驱动控制模块8控制空间光调制器2，使得空间光调制器2将反射光线在不同时间点依次打到待测物体5不同区域，再利用阵列探测器3对不同区域的图像进行记录，与此同时，图像收集与传输模块9将阵列探测器3所记录的不同区域的图像进行收集与传输，从而提高了工作效率。

实施例二

如图3所示，实施例二提供了一种成像方法，该成像方法应用于实施例一的成像系统，成像方法包括：

步骤S1：利用成像系统的光源为待测物体提供光线；

步骤S2：利用成像系统的空间光调制器对光源发出的光线进行调制，将光源发出的光线在不同时间点依次打到待测物体的不同区域上；

步骤S3：利用成像系统的阵列探测器在各个时间点依次接收打到待测物体不同区域上并被反射的光线，并对待测物体不同区域的图像依次进行记录；

步骤S4：利用成像系统的图像合成模块从阵列探测器中获取记录的图像，并将所记录的图像进行叠加，得到待测物体完整的图像。

此外，该成像方法还可包括：在步骤S1与步骤S2之间，将光源发出的光线转换为平行光线，使平行光线垂直照射到空间光调制器的光接收面上。从而保证了数字微镜器件旋转了-θ角度时，所有反射光线都无法打到待测物体上，即保证数字微镜器件在关闭的工作状态时可完成对应的操作。

在步骤S2与步骤S3之间，可利用傅里叶透镜将待测物体不同区域的时域图像通过傅里叶变换转换为对应区域的频域图像。

具体的，步骤S3具体包括：利用阵列探测器在各个时间点对待测物体不同区域的频域图像依次进行记录。

如图4所示，步骤S4具体包括：

步骤S41：利用图像合成模块从阵列探测器中获取记录的频域图像，并将所获取的频域图像进行叠加，形成待测物体完整的频域图像；

步骤S42：利用图像合成模块将待测物体完整的频域图像采用傅里叶反变换转换为待测物体完整的时域图像。

其中，步骤S42具体还包括：在得到傅立叶域中完整的频域图像后，周围的频域空间是离散的，由图像的频域信息可知，在某些离散点没有对应的数值，这时，为了保证完整的频域图像的每个离散点都有相应的数值，在这些离散点上补零即可。这样，在采用傅里叶反变换时，可保证将完整的频域图像转换为完整的时域图像。

在本实施例提供的成像方法中，阵列探测器在某一时刻只需对待测物体的某一区域的图像进行记录。因此，采用该成像方法，可以利用小像素规模的阵列探测器实现对大像素规模图像的成像。此外，还可以降低阵列探测器的成本。

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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：

光源，所述光源为待测物体提供光线；

空间光调制器，所述空间光调制器对所述光源发出的光线进行调制，将所述光源发出的光线在不同时间点依次打到所述待测物体的不同区域上；

阵列探测器，所述阵列探测器为像素个数小于所述待测物体图像像素个数的阵列探测器，所述阵列探测器在各个时间点依次接收打到所述待测物体不同区域上并被反射的光线，并对所述待测物体不同区域的图像依次进行记录；

与所述阵列探测器相连的图像合成模块，所述图像合成模块从所述阵列探测器中获取所记录的图像，并将所获取的图像进行叠加，得到所述待测物体完整的图像。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述空间光调制器包括多个数字微镜器件，每个所述数字微镜器件通过旋转在某一时间点将所述光源所发出的光线以某一方向打到所述待测物体的某一区域上，各所述数字微镜器件作用于光线的时间点不同，使光线打到所述待测物体上的方向不同，且使光线打到所述待测物体上的区域不同。

3.根据权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述数字微镜器件的旋转角度范围为-12°～+12°。

4.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：设置于所述光源与所述空间光调制器之间的准直器件，所述准直器件将所述光源发出的光线转换为平行光线，使所述平行光线垂直照射到所述空间光调制器的光接收面上。

5.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：设置于所述待测物体与所述阵列探测器之间的傅里叶透镜，所述傅里叶透镜将所述待测物体不同区域的时域图像在焦平面转换为对应区域的频域图像；所述阵列探测器设置于所述傅里叶透镜成像的焦平面上，以对焦平面上频域图像进行记录。

6.根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于，所述图像合成模块包括：

图像叠加单元，所述图像叠加单元从所述阵列探测器中获取记录的频域图像，并将获取的频域图像进行叠加，形成所述待测物体完整的频域图像；

与所述图像叠加单元相连的图像转换单元，所述图像转换单元利用傅里叶反变换将所述待测物体完整的频域图像转换为所述待测物体完整的时域图像。

7.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：与所述空间光调制器相连的驱动控制模块，所述驱动控制模块控制所述空间光调制器进行工作。

8.根据权利要求7所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：连接于所述阵列探测器与所述图像合成模块之间的图像收集与传输模块，所述图像收集与传输模块收集所述阵列探测器记录的图像，并将收集的图像传输至所述图像合成模块。

9.根据权利要求8所述的成像系统，其特征在于，所述驱动控制模块与所述图像收集与传输模块集成在一起。

10.一种成像方法，其特征在于，所述成像方法应用于如权利要求1～9任一项所述的成像系统，所述成像方法包括：

步骤S1：利用所述成像系统的光源为待测物体提供光线；

步骤S2：利用所述成像系统的空间光调制器对所述光源发出的光线进行调制，将所述光源发出的光线在不同时间点依次打到所述待测物体的不同区域上；

步骤S3：利用所述成像系统的阵列探测器在各个时间点依次接收打到所述待测物体不同区域上并被反射的光线，并对所述待测物体不同区域的图像依次进行记录；

步骤S4：利用所述成像系统的图像合成模块从所述阵列探测器中获取记录的图像，并将所记录的图像进行叠加，得到所述待测物体完整的图像。

11.根据权利要求10所述的成像方法，其特征在于，所述成像方法还包括：在所述步骤S1与所述步骤S2之间，将所述光源发出的光线转换为平行光线，使所述平行光线垂直照射到所述空间光调制器的光接收面上。

12.根据权利要求10所述的成像方法，其特征在于，所述成像方法还包括：在所述步骤S2与所述步骤S3之间，利用傅里叶透镜将所述待测物体不同区域的时域图像通过傅里叶变换转换为对应区域的频域图像；

所述步骤S3具体包括：利用所述阵列探测器在各个时间点对所述待测物体不同区域的频域图像依次进行记录。

13.根据权利要求12所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S41：利用所述图像合成模块从所述阵列探测器中获取记录的频域图像，并将所获取的频域图像进行叠加，形成所述待测物体完整的频域图像；

步骤S42：利用所述图像合成模块将所述待测物体完整的频域图像采用傅里叶反变换转换为所述待测物体完整的时域图像。