CN106716485B - 用于产生结果图像的方法和光学器件 - Google Patents

Abstract

使用至少两个照射几何结构(110‑1、110‑2)顺序地照射物体(100)。对所述至少两个照射几何结构(110‑1、110‑2)中的每个捕捉物体(100)的强度图像。组合强度图像以用于生成结果图像。以结果图像满足预定优化标准的这样的方式执行组合。举例来说，优化标准可以涉及图像对比度、边缘抖度或图像清晰度。可以使用空间分辨率来执行优化。

Description

用于产生结果图像的方法和光学器件

技术领域

本发明的示例性实施例涉及一种用于生成结果图像(results image)的方法和对应的设备。具体地说，示例性实施例涉及便于提供物体的满足预定优化标准的结果图像的技术。

背景技术

通常，当通过光学设备对物体进行成像时，提供满足一个或多个优化标准的结果图像可能是可取的。具体地说，此类优化标准可以是结果图像的图像对比度。可能可取的是获得尽可能高的图像对比度。就相对比较高的图像对比度来说，可以获得关于物体的非常不同的物理参数和信息。

便于通过光学设备的照射设备的适当硬件对结果图像进行此类优化的技术(结构化照射)是已知的。举例来说，Wiley-VCH 2005年的H.Gross等人的“Handbook of OpticalSystems”第2卷中描述了此类技术。这里，可以例如在照射设备的光瞳平面中使用结构滤波器。结果，可以对具有特别大的信息深度的物体(例如，具体地说，振幅物体(amplitudeobject))进行成像。

然而，此类技术具有某些限制或缺点。因为结构滤波器的选择通常取决于将被成像的物体，所以可能有必要的是，通过掩模交换单元以可交换的方式将结构滤波器容纳在照射设备中，并且可能要保持多个不同的结构滤波器可用。对于不同类型的物体，比如生物样本或未知的非生物样本，这可能是不利的，因为有必要保持相对较多的结构滤波器可用。在实践中于是可能发生匹配的结构滤波器不存在。此外，随后在图像捕捉结束之后的步骤(后置处理步骤)中改变结构滤光器是不可能的，或者仅有有限程度的可能性。通常，光学设备的复杂性由于保持附加硬件组件可用而提高。例如由于不正确的机械启动、磨损或污染等而导致的易错性也可能由于结构滤光器的可交换的可用性而提高。

发明内容

这就是为什么需要生成满足预定优化标准的结果图像的改进技术的原因，所述技术消除前述缺点和限制中的至少一些。具体地说，需要便于精确地且灵活地提供满足各自优化标准的结果图像的那些技术。

根据一方面，本发明涉及一种用于通过光学设备生成物体的结果图像的方法。所述方法包括通过光学设备的照射设备使用至少两个照射几何结构顺序地照射物体。所述方法还包括：对于所述至少两个照射几何结构中的每个，在使用各个照射几何结构照射期间捕捉物体的强度图像。强度图像是通过光学设备的探测器捕捉的。所述方法还包括通过计算单元组合强度图像以生成结果图像。这里，以结果图像满足预定优化标准的这样的方式执行组合。

举例来说，物体可以是振幅物体。也就是说，振幅物体可以使透射的光至少部分衰减。因此，结果图像可以对该物体进行成像。举例来说，结果图像可以以放大的方式对该物体进行成像。举例来说，光学设备可以是显微镜。举例来说，物体可以包括技术物体，特别是用于例行监视相同成分的技术物体，而且还包括生物物体。强度图像可以对应于物体的部分相干的图像，例如与荧光图像形成对比。就这个程度而言，强度图像也可以被称为部分相干图像。因为强度图像被组合来形成结果图像，所以强度图像也可以被称为部分图像。

一般来说，照射几何结构可以用光对物体的照射的非常不同的几何参数来表征。具体地说，所述至少两个照射几何结构可以包括不同的照射方向。举例来说，所述至少两个照射几何结构中的至少一个可以包括多于一个的照射方向；这意味着多个照射方向关于一个照射几何结构组合。可以通过组合照射方向来执行特别快的成像。

可替代地或另外地，所述至少两个照射几何结构可以包括不同的照射立体角。照射方向可以例如从相对于光轴的定义明确的角度照射物体。相比之下，照射几何结构可以从相对于光轴的一定范围的角度照射物体。举例来说，照射几何结构可以限定照射射束在一个方向或至少两个方向上可以入射在物体上的立体角。照射立体角也可以被称为照射方向组合。可以通过使用照射立体角来实现特别快的成像。

一般来说，在照射几何结构的范围内使用的不同照射方向可以是无关或相关的。为了避免斑点，可以组合照射方向；这可以通过不使用例如无点光源(比如激光或单模光纤笔等)、而是改为使用扩展光源(比如LED或多模光纤)来实现。于是，实现来自立体角的照射。

在各个公开的场景中也可以使用其他照射几何结构：关连照射设备可以以部分调制的方式照射物体，即，可以通过例如来自两个照射方向的干涉图样来照射物体。为此，可以使用莫尔成像技术，即，照射几何结构可以包括莫尔照射。根据本文中所公开的场景，空间调制的照射几何结构可以用于从众多照射方向选择最大可能程度地满足优化标准的照射方向。

作为不同照射方向的替代，或者除了不同照射方向之外，还可以改变所述至少两个照射几何结构的范围内的照射光的其他性质，例如，光的偏振或波长或波长分布。在一个例子中，所述至少两个照射几何结构可以包括三个照射方向，其中这些照射方向中的每个分别用发出红绿蓝三种颜色的光的三个发光二极管(LED)中的一个来实现。举例来说，有机LED(OLED)显示设备可以用于该目的。可替代地或另外地，可以使用偏振光学单元，比如被配置为围绕照射方向的偏振局部旋转的液晶空间光调制器(LC-SLM)。

在组合过程中可以使用非常不同的技术。举例来说，可以对各个强度图像进行减法或加法或乘法或除法。具体地说，可以以加权的形式执行组合过程；在组合过程期间可以不同程度地考虑不同的强度图像。这使得参数空间可以被优化为相对于优化标准扩展(组合参数)。作为组合过程的结果，结果图像可以是部分相干的。

组合参数可以设置组合过程的具体实现。举例来说，组合参数可以设置算术运算，强度图像通过该算术运算组合。可替代地或另外地，组合参数可以确定例如各个强度图像在组合过程期间的加权。举例来说，在组合过程期间可以考虑某些强度图像强于或弱于其他强度图像。这可以实现结果图像特别好地满足优化标准。举例来说，各个强度图像的加权可以满足例如在组合过程期间按其考虑各个强度图像的加权每个均取大于零且小于一的值并且各个强度图像的加权的和等于一的这种情况下的各个边界条件。其他边界条件是可能的。举例来说，组合参数可以以控制指令的形式存储在存储器中，以使对于各个常规问题可以在没有太多计算支出的情况下借助于组合参数。组合参数可以是物体特定的。

通过使用各个照射几何结构照射物体，并且作为组合对应的强度图像的结果，可以获得与常规的结构化照射相对应的效果。然而，这里可以通过适当地选择例如组合参数来相对比较容易地模仿非常不同的结构滤波器。这也可以在后置处理步骤的范围内发生。具体地说，特别合适的一组组合参数可以例如在优化的范围内找到，所述组合参数特别好地满足优化标准。具体地说，可以免除结构滤波器的对应硬件——对应技术可以以计算机实现的方式实现。这可以便于对于非常不同的被成像物体相比简单地获得良好结果。

举例来说，可以对强度图像的各个区域使用空间分辨率来执行组合过程，以使结果图像的各个区域满足优化标准。举例来说，各个区域可以对物体的不同部分进行成像。物体也可以由多个部分物体(例如单个的细胞)组成；在这种情况下，各个区域可以对不同的部分物体进行成像。

举例来说，强度图像的空间分辨的组合可以基于强度图像的第一区域中的第一组合参数以及强度图像的第二区域中的第二组合参数。第一组合参数可以不同于第二组合参数。结果，即使在例如在各个区域中具有不同光学性质的相对比较复杂的物体的情况下，优化标准也可以在局部尺度上得到相对比较好的满足。于是，结果图像可以具有特别高的质量。具体地说，可以使物体的例如精细结构在各个区域中可见——即使物体具有不同的光学性质，或者例如在各个区域中需要不同的组合参数。与常规的结构化照射相比，具体地说，这是有利地，因为可以免除空间相关的结构滤波器的使用，结构滤波器的结构对于各个位置是变化的。不过，有效的照射几何结构(特别是通过组合各个强度图像而出现的有效照射几何结构)可以针对强度图像的各个区域以空间分辨的方式适配。

举例来说，照射设备可以包括具有多个可调波长的光源。举例来说，这可以通过具有不同颜色的发光二极管(LED)来实现，或者可以例如通过激光交换单元来实现。因此，照射设备将可以包括多色光源；同时，探测器可以被配置为以波长分离的方式捕捉强度图像。举例来说，此类技术可以使用所谓的红绿蓝电荷耦合器件(RGB-CCD)来实现。在此类情况下，上述各种技术可以以波长相关的方式应用，并且改进的多色结果图像可以作为其结果而生成。将被优化的与优化标准相关的参数空间也可以通过选择波长来增大。

举例来说，对于各个波长可以多次执行使用至少两个照射几何结构的顺序照射，并且可以在每种情况下捕捉对应的强度图像。可替代地或另外地，还可以使用照射设备的多色光源来执行顺序照射，并且可以对各个波长多次执行对应强度图像的捕捉。可以在每种情况下执行组合对应的强度图像以用于为各个波长生成相关联的结果图像。

因此，这样，可以获得一组结果图像，每个结果图像对应于相对应的波长。举例来说，可以组合各个结果图像来形成多色结果图像。

通过上述此类波长相关的技术，可以生成特别高的定性质量的结果图像。具体地说，结果图像可以特别好地满足预定优化标准。

照射物体和捕捉强度图像可以定义图像捕捉步骤。一般来说，可以在图像捕捉步骤期间实时地执行组合过程。举例来说，所述方法还可以包括：在屏幕上显示结果图像。显示可以在图像捕捉步骤期间执行。结果，可以特别快地获得定性高质量的结果图像。具体地说，这可以致使基于可能的结果图像来控制图像捕捉。

特别是在组合过程实时发生的上述情况下，至少部分预先确定组合步骤的组合参数可能是值得追求的目标——例如代替在图像捕捉步骤期间执行组合参数的完全确定。

举例来说，所述方法还可以包括通过计算单元来执行优化。执行优化可以提供用于组合过程的组合参数，通过组合过程，结果图像满足预定优化标准。

这里，组合参数可以被提供空间分辨率。举例来说，可以对强度图像的各个区域使用空间分辨率来执行优化。可以在每种情况下对各个区域提供组合参数。此外，可能的是，基于对应的组合参数对强度图像的各个区域使用空间分辨率来执行组合过程。

执行优化也可以针对照射和/或探测的各个波长以波长分辨的方式执行。

举例来说，执行优化可以在图像捕捉步骤之前的校准步骤中执行。然后，可以预先确定组合参数，并且可以在图像捕捉步骤期间实时地执行组合过程。在此类场景中，具体地说，可以对强度图像的各个区域使用空间分辨率来执行组合过程。举例来说，可以在校准步骤的范围内使用空间分辨率预先确定组合参数或将被优化的其他参数。然后，可以例如通过物体跟踪技术或地标识别技术来监视各个区域的位置的时间曲线。这可以确保在每种情况下对各个区域使用拟合组合参数或将被优化的其他参数。

然而，执行优化还将可以在图像捕捉步骤之后的后置处理步骤中执行。举例来说，所述方法还可以包括存储图像数据。图像数据可以基于捕捉的强度图像。所述方法还可以包括存储相关联的指示各个照射几何结构的控制数据。存储可以在非易失性存储器中发生。组合过程可以在图像捕捉步骤之后的后置处理步骤中发生。组合可以基于存储的图像数据和控制数据执行。这样，具体地说，可以以时间不关键的方式通过执行优化来确定组合过程所基于的组合参数或将被优化的其他参数。这样，可以以相对比较高的精度确定组合参数或将被优化的其他参数。结果，可以实现特别高质量的结果图像，即，结果图像可以特别好地满足优化标准。

举例来说，执行优化可以使用其原理事先知道的各种技术来实施。举例来说，可以使用数值技术。可以使用演变优化算法。可以使用基于导数的优化方法。此类技术的例子包括Levenberg-Marquardt算法、高斯方法或最抖梯度方法(这些也被称为所谓的“最抖梯度”算法)。还可以使用由其他可替代的优化方法(比如单纯形优化)构成。

一般来说，还可以基于例如物体和/或所用的至少两个照射几何结构的各种性质来从包含可能的组合参数或将被优化的其他参数的预定数据库选择组合参数或将被优化的其他参数。举例来说，该数据库可以包含如下组合参数，对于这些组合参数，已知的是，就特定物体和/或特定照射几何结构来说，结果图像特别好地满足预定优化标准。这样，组合过程的特别简单的且快速的实现可以是可能的。

上面解释了与优化相关的非常不同的技术。这里，这些技术可以与不同的特定的优化标准相关地使用。举例来说，优化标准可以选自以下组：图像对比度；边缘抖度；图像清晰度；调制传递函数(MTF)的质量；空间频率相关的优化标准。可以关于前述变量中的一个或多个设置优化标准。这里，优化标准可以包括特定的容差范围或阈值。灵活地选择优化标准使得可以这样生成结果图像，结果图像具有特别高的质量或者与被检查的物体的类型特别好地匹配。

举例来说，前述技术可以与基于硬件的滤波技术组合。举例来说，照射可以包括应用照射设备的结构滤波器。举例来说，照射可以包括应用照射设备的空间滤波器。因此，适当的滤波器可以在照射过程期间被放置到例如光源和物体之间的光的射束路径中。

通过将强度图像的组合与此类基于硬件的技术联合，可以获得用于生成结果图像的技术的特别高效率的实现。具体地说，可以例如减小执行所述技术所需的计算容量。具体地说，可能已经在硬件实现的基础上以优化标准可以被相对比较容易地满足的这样的方式对强度图像进行了预调。

可替代地或另外地，此类效果还可以通过用计算单元对强度图像进行对应的后置处理来获得。后置处理继而可以在图像捕捉步骤或后置处理步骤期间执行。举例来说，所述方法可以——在组合强度图像之前——还包括：通过计算单元将算子应用于捕捉的强度图像，以用于适配强度图像的目的。一般来说，算子可以以非常不同的方式选择。举例来说，算子可以选自以下组：加权；放大；阻尼；绝对值；平方；求根值；变号；平滑像素值；像素的像差校正；各个强度图像的像素值的均值的归一化；以及应用空间滤波器。

换句话说，单个的强度图像因此可以在所述单个的强度图像被组合之前通过使用特殊滤波器的计算被组合。特殊的实施例包含应用前述空间滤波器，例如以计算机实现的方式和/或通过硬件实现来应用。这里，对于照射几何结构的每个照射方向，空间滤波器可以使物体的布置在由照射方向和光学设备的光轴设置的平面中的结构相对于垂直于该平面布置的结构减弱。结果，可以实现特别提高的图像对比度的效果。这是因为照射方向通常使垂直于前述平面的结构与前述平面内的结构对比更强烈。如上所述，可以通过基于空间滤波器的选择性阻尼来放大该效率。

根据其他方面，本发明涉及一种光学设备。该光学设备被配置为生成物体的结果图像。该光学设备包括照射设备。该照射设备被配置为使用至少两个照射几何结构顺序地照射物体。该光学设备还包括探测器，其被配置为在使用各个照射几何结构照射期间对所述至少两个照射几何结构中的每个捕捉物体的强度图像。该光学设备还包括计算单元。该计算单元被配置为组合强度图像以用于生成结果图像的目的。这里，以结果图像满足预定优化标准的这样的方式执行组合。

举例来说，根据目前讨论的方面的光学设备可以被配置为执行根据本发明的其他方面的用于生成结果图像的方法。

对于根据目前讨论的方面的光学设备来说，可以获得与对于根据本发明的其他方面的用于生成结果图像的方法来说可以获得的效果可比的效果。

在不脱离本发明的保护范围的情况下，上面呈现的特征和下面描述的特征不仅可以按对应的明确呈现的组合使用，而且还可以按各个的组合或者独自地使用。

附图说明

结合下面对结合附图更详细解释的示例性实施例的描述，本发明的上述性质、特征和优点以及实现它们的方式变得更清楚且可更容易理解。

图1示意性地例示说明使用各个照射几何结构照射物体。

图2比图1更详细地示意性地例示说明使用各个照射几何结构照射物体。

图3示意性地例示说明包括LED阵列并且被配置为使用各个照射几何结构照射物体的照射设备。

图4A示意性地例示说明对物体进行成像的各个强度图像应用算子以及组合这样处理的强度图像以用于生成结果图像的目的。

图4B示意性地例示说明对物体进行成像的各个强度图像进行波长分辨的组合以用于生成结果图像的目的。

图5示意性地例示说明对物体成像进行的各个强度图像进行组合以用于生成结果图像的目的，该组合是以空间分辨的方式执行的。

图6示意性地例示说明被配置为执行根据各个实施例的技术的光学设备。

图7是根据各个实施例的方法的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图基于优选实施例来更详细地解释本发明。在附图中，相同的标号表示相同的或类似的元件。附图是本发明的各个实施例的示意图。附图中描绘的元件不一定按照真实的比例描绘。相反，附图中所描绘的各个元件是以其功能和目的被本领域技术人员可理解地渲染的这样的方式再现的。

附图中所描绘的功能单元和元件之间的连接和耦合也可以实现为间接连接和耦合。连接或耦合可以以有线或无线的方式实现。

下面例示说明使用各个照射几何结构照射物体的技术。这里，照射几何结构可以涉及特别是不同的照射方向和/或不同的照射立体角。在每种情况下针对各个照射几何结构捕捉强度图像。组合各个强度图像，例如通过加法组合，以形成结果图像。在组合过程内，可以选择性地或相对比较突出地考虑特别是对对比度或分辨率提高有贡献或者一般来说对使优化标准被更好地满足有贡献的那些强度图像；可以例如通过在组合过程内使用加权来实现各个强度图像对结果图像的影响的此类加权。组合可以使用空间分辨率来执行。作为此类组合参数的替代，或者除了此类组合参数之外，还可以考虑关于优化标准的将被优化的其他参数，比如各个强度图像对物体进行成像的波长或者在组合过程之前对各个强度图像应用算子。

此类技术也可以被称为部分相干的显微成像。部分相干的显微成像被理解为意指使用不相干光源(即，空间不相干的有效光源)进行照射的成像，其程度或形式偏离光学成像系统的入射光瞳。照射设备在各个所公开的场景中可以具有适当的实施例。

通常，对比度传递函数可以通过有效光源的形式和大小受到影响。原则上，1和分辨限值之间的对比度传递可用于每一个物体频率，参见例如Zeitschr.f.wiss.Mikroskopie第XXV卷(1908)中的H.Siedentopf的“DieSichtbarmachung von Kanten im mikroskopischen Blide”中的图2-5。

形式上，根据参考实现的部分不相干的成像可以被描述为许多相干的单个的图像或部分图像的不相干的和，其中所得的求和图像可以根据依照参考实现的常规方法数字化地准备；简明地表达，这可以被表达为：对相干的单个的图像或强度图像进行求和得到部分相干的图像，该部分相干的图像继而可以被数字化地后置处理。

根据本文中所描述的技术，数字后置处理可能已经关于单个的图像或强度图像发生，例如关于准相干的单个的图像发生。然后，可以组合数字化后置处理的或适配的强度图像。

此类技术使得可以生成结果图像的高信息深度；换句话说，结果图像可以特别好地对物体进行成像或者使物体的成像细节丰富。结果图像的信息内容是相对比较高的。具体地说，此类技术可以获得与通过常规的结构化照射可以实现的结果可比的结果。然而，在该过程中，可以免除提供适当的硬件；具体地说，可以免除提供对应的结构滤波器。本申请的技术可以特别是在图像捕捉步骤之后的后置处理步骤中执行。

对应的技术可以被相对比较快地执行。举例来说，组合过程可以通过对应过程的适当硬件编码来实现。通过使用这，本申请的技术可以特别是实时地执行。这可以便于适用于时间分辨的成像。这包括例如物体的细胞形态学分析、生长分析、感染分析以及自动化测量。还将可以通过软件来实现组合过程。

图1例示说明使用不同的照射几何结构110-1、110-2照射物体100。根据本文中所描述的技术，通过适当的照射设备(图1中未示出)使用两个照射几何结构110-1、110-2顺序地照射物体100。然后，可以通过探测器(图1中未示出)在照射过程期间针对两个照射几何结构110-1、110-2中的每个捕捉物体100的强度图像。然后可以组合这些强度图像以生成结果图像。组合以结果图像满足预定优化标准的这样的方式执行。图1还描绘了光学设备的光轴120。光轴120可以表示光学设备的轴，理想化的光线沿着该轴没有任何偏转，或者仅有很小的偏转。

图2用三维描绘了与图1相对应的场景。图2描绘了两个照射方向111-1、111-2，通过这两个照射几何结构110-1、110-2，物体100可以根据这两个照射几何结构110-1、110-2被照射。图2中示出两个照射方向111-1、111-2包括与光轴120的定义明确的角度。可以定义所谓的照射矢量。

然而，可能并没有必要使用定义明确的照射方向111-1、111-2用于在各个场景中照射物体100的目的。相反，各个照射几何结构110-1、110-2可以包括照射立体角112。然而，照射几何结构不一定是邻接的且凸形的。虽然在下面部分地提到照射立体角，但是在所有的描述的示例性实施例中，还可以使用在其中照射光线不是在邻角区域和/或凸角区域中入射在物体上的照射几何结构。因此，具体地说，不是以邻接方式布置的多个照射方向的组合可以存在于本文中所公开的各个场景中。

图2以示例性的方式描绘了照射立体角112(在图2中用阴影线描绘)，所述照射立体角由前述照射方向111-1、111-2定界。换句话说，照射立体角112因此可以包括众多不同的照射方向111-1、111-2，并且在与光轴120相关的某个角度范围上延伸。

一般来说，非常不同的照射设备可以用于提供各个照射几何结构110-1、110-2。举例来说，扫描镜可以用在例如照射设备的场阑平面中。还可以使用照射设备的孔径光阑或照射光瞳中的自适应组件；举例来说，可以使用依据德国专利申请10 2014 101 219.4的照射设备。照射设备311将还可以包括LED阵列(参看图3)。举例来说，LED阵列的LED 300-1-300-16可以根据笛卡尔网格布置，其中该网格的单元格可以具有二次或矩形配置。也可以实现其他网格，例如六边形网格等。举例来说，LED阵列将还可以包括一环LED或多环LED，例如具有不同半径的LED。于是，可以实现特定照射方向，例如通过启动LED阵列的相对于光轴具有特定距离的特定发光二极管来实现。

图4A描绘了使用三个不同的照射几何结构110-1、110-2、110-3捕捉的强度图像401-1-401-3的组合。根据图4A中的实施例，各个强度图像401-1-401-3一开始在它们最后被组合以形成结果图像410之前被处理。

举例来说，为此，可以将算子应用于捕捉的强度图像401-1-401-3。举例来说，算子可以选自以下组：加权；放大；阻尼；绝对值；平方；求根值；变号；平滑像素；像素的像差校正；各个强度图像401-1-401-6的像素的均值的归一化；以及应用空间滤光器。

因此，根据本文中所描述的技术，由于能够对每个光源点——即，对各个照射方向记录单个的强度图像，所以可以合成地再现用于特定物体的优选照射。然后，可以通过计算将这些强度图像相互组合。图像的纯加法将对应于常规的部分相干的成像。选定图像的加权选择于是将对应于光刻范围内的用于源掩模优化(SMO)的过程。从原则上讲，如从例如SMO知道的，可以使用适当的算子。然而，这里应注意到，将被生成的物体在光刻范围内是已知的，而本情况下的物体可能是先验未知的。因此，可以使用再现不同照射的算子，比如环形照射、双极照射、莱因伯格(Rheinberg)颜色对比度、暗场相衬等。

形式上，对于捕捉的强度图像应用算子以及组合强度图像可以用以下函数表达：

这里：

x:空间坐标；

q:光瞳坐标或照射方向；

I(x):强度图像；

G(q):用于单个的照射方向的算子函数；以及

I(x,q):对于一个照射方向q的部分图像。

在各个场景中，算子G可以对应于例如各个照射方向的全局加权，即，对位置x不具有依赖性。

在其他场景中，可以使用局部算子(local operator)(即，对位置x具有依赖性的算子)构成。例子将是成比例的局部对比度标准(微观对比度)。也就是说，算子可以具有空间依赖性G(x,q)。

因此，将得到以下函数：

G(x,q)：位置相关的且照射方向相关的算子函数，即，用于照射方向的每个算子可以是空间相关的。

通过应用此类算子，可以以各个强度图像401-1-401-3能够在组合范围内被特别好地处理的这样的方式对它们进行处理，例如它们具有可比的信号振幅和/或以及时的方式使已知的像差已经从它们移除。结果，可以使结果图像410的质量提高。

下面解释算子的各个例子。

举例来说，可以使用乘法算子。可以使用例如考虑归一化的局部对比度、归一化的局部强度和/或归一化的强度梯度的算子。举例来说，强度图像中的最大强度N₂(q)＝max(I(x,q))或强度图像中的总强度

可以用作这些变量的范数。其他范数也是可能的。

下面所列的归一化梯度被作为算子的前述例子的例子例示说明：

具有相对比较小的强度梯度或相对比较小的亮度的图像分量通常被该算子抑制；因此，算子充当滤波器。大的梯度存在于边缘处，所以该算子充当边缘增强滤波器。

对应函数——如上面以纯示例性的方式关于归一化梯度例示说明的——可以直接用作算子，或者一开始就被转换为阈值函数以便获得阈值算子：

算子的其他例子是形态学算子：这里，不仅根据局部标准对强度图像的内容进行评估，而且还考虑用于其他空间点x’的全局标准和/或周围标准。举例来说，此类运算是与边缘滤波器或与用于降噪的滤波器(噪声滤波器)相对应的扩张(dilitation)或侵蚀(erosion)。这些算子可以用以下函数表示：

一般来说，算子也可以考虑来自其他强度图像的信息。举例来说，如果某个物体细节已经通过从特定强度图像或一些特定强度图像进行滤波而被充分地提取，则所述物体细节可以在其余的强度图像中被抑制。因此，算子可以用单个的强度图像上的函数F{…}被写为：

其中GF描述算子。

举例来说，预计边缘通过照射方向垂直于边缘对齐被特别好地成像。然后，来自其他照射方向的强度图像可以通过对此类识别的边缘使用算子而被局部抑制。

加权函数G(x,x’,q,q’)可以一开始在单个的强度图像处被确定，然后通过关于优化标准对整个图像进行优化以使用户获得被特别好地成像的期望物体细节来进行改进。

一般来说，还可能的是，通过上述应用算子的技术实现的某些效果可以通过使用合适的硬件来产生。举例来说，照射可以包括对照射方向应用空间滤波器。硬件实现的空间滤波器可以获得与使用基于软件的空间滤波器可以获得的那些效果可比的效果。同时，可以降低计算支出。基于软件的空间滤波器可以在其应用中具有提高的灵活性。

举例来说，前述硬件实现的和/或软件实现的空间滤波器可以用于特别好地满足与图像对比度相关的优化标准。因此，空间滤波器可以沿着特定方向作用。举例来说，空间滤波器可以通过选择性地放大/减弱强度图像401-1-401-3的傅立叶变换的频率来作用。在该过程中，可以考虑对光谱有对应贡献的方位。在这方面，参照图2。空间滤波器可以沿着位于光轴120和各个照射方向111-1、111-2跨越的平面中的那些方向选择性地作用；举例来说，空间滤波器能够放大(减弱)物体100的沿着该平面(垂直于该平面)定向的结构。这可以提高使用属于两个照射方向111-1、111-2的强度图像401-1-401-3可以获得的效果。举例来说，对于使用第一照射方向111-1的照射捕捉的强度图像401-1-401-3对于物体100的位于光轴120和第一照射方向111-1跨越的平面中的结构已经具有特别高的图像对比度。该效果可以通过空间滤波器进一步放大。结果图像410于是特别好地满足与图像对比度相关地定义的对应的优化标准。

返回到图4A：处理后的强度图像在图4A中的右手侧再现，并且可以被称为例如初始图像402-1-402-3。然后可以组合各个初始图像402-1-402-3以形成结果图像410。这里，可以通过例如对各个初始图像402-1-402-3在它们自己之间进行求和、减法、除法或乘法来执行组合。举例来说，当组合各个初始图像时，可以考虑用于各个初始图像402-1-402-3的加权因子。结果，各个初始图像402-1-402-3对结果图像410的影响可以受到控制。具体地说，从而可以实现以结果图像410满足预定优化标准的这样的方式来执行组合过程。此类参数和组合过程的其他参数也可以被称为组合参数。

一般来说，可以通过执行优化来确定组合参数。这里，可以以最大可能程度地满足优化标准的组合参数被确定的这样的方式来执行优化。这里，非常不同的优化标准是可能的。举例来说，优化标准可以涉及图像对比度和/或边缘抖度和/或图像清晰度和/或调制传递函数的质量和/或空间频率相关的优化标准。

一般来说，优化可以提供从不同照射方向捕捉单个的强度图像并且从这些单个的强度图像生成物体的特别好地满足特定成像问题或优化标准的此类结果图像。从这可以推导确定用于结果图像的这个优选生成的技巧的控制指令；所述控制指令或技巧可以是物体特定的。在各个场景中，这些控制指令可以包括结果图像通过其满足预定优化标准的组合参数。

举例来说，如果优化发现最初设想的照射方向并非全都是必需的或者特定照射方向可以被成组组合，则可以在以后通过忽略不需要的照射方向来以更有针对性的且更快的方式执行成像问题。这可以被存储在控制指令中。

在本文中所公开的各个场景中，可以以照射几何结构或强度图像的数量被选为尽可能地少的这样的方式来执行优化。优化可以以成像或捕捉强度图像所需的时间间隔变为尽可能地短的这样的方式执行。优选可以以照射方向和/或照射立体角的数量被选为尽可能地少的这样的方式选择优化。举例来说，关于优化的此类性质可以是预定边界条件，优化本身例如仍与预定优化标准相关地执行。这样，成像物体可以被特别快地执行，同时优化标准被特别好地满足。

就常规问题(比如光学检验)来说，物体通常不会大幅改变，所以可以对给定成像问题重复地执行控制指令。一般来说，还可以将用于各个预定物体的多个控制指令存储在存储器中以使用于组合强度图像或者用于应用算子的特定技巧可以被选择，优选地自动地选择。

一般来说，组合可能需要相对比较小的计算强度——特别是当与执行优化或者确定组合参数相比时。因此，在图像捕捉步骤之前——例如，在校准步骤的范围内——已经确定组合参数可能是值得追求的目标。

组合参数将还可以在图像捕捉步骤之后确定，例如在后置处理步骤的范围内确定。举例来说，基于捕捉的强度图像401-1-401-3的图像数据以及相关联的指示各个照射几何结构110-1、110-2的控制数据可以为此存储在非易失性存储器中。当后置处理步骤意图被执行时，可以从非易失性存储器获得各个图像数据和相关联的控制数据。然后，可以基于存储的图像数据和控制数据来执行组合。具体地说，基于存储的图像数据和控制数据确定组合参数的优化也可以被执行。

图4B例示说明各个强度图像401-1-401-6被以波长相关的方式组合的场景。在图4B的场景中，两个强度图像401-1-401-6是分别针对三个照射几何结构110-1-110-3捕捉的。这里，强度图像401-1、401-3、401-5中的第一个分别是当物体100被以第一波长照射时捕捉的；强度图像401-2、401-4、401-6中的第二个分别是当物体100被以不同于第一波长的第二波长照射时捕捉的。然后，对于各个照射几何结构110-1-110-3中的每个，分别组合分配给第一波长的强度图像401-1、401-3、401-5和分配给第二波长的强度图像401-2、401-4、401-6以形成结果图像410-1、410-2。换句话说，对各个波长执行使用至少两个照射几何结构110-1-110-3的顺序照射，并且分别组合对应的强度图像401-1-401-6以用于为各个波长生成相关联的结果图像410-1、410-2。可选地，可以组合这两个结果图像410-1、410-2以形成多色结果图像411。

可替代地或另外地，还将可以组合各个波长的所有的强度图像401-1-401-6以形成一个结果图像410，并且在所述过程中，使用各个波长作为关于优化标准的优化的参数空间中的其他参数。

使用各个波长顺序地执行物体100的照射的场景已经参照图4B进行了例示说明。然而，可替代地，还将可以使用多色光源并且使用波长选择探测器来生成各个结果图像401-1-401-6。

举例来说，可以对各个区域580以空间分辨的方式执行优化。然后，可以在每种情况下对各个区域580提供组合参数，并且可以基于对应的组合参数对各个区域580以空间分辨的方式执行组合。因此，如图5所描绘的，可以对强度图像401-1-401-6的各个区域580使用空间分辨率来执行组合过程。这可以实现结果图像410、410-1、410-2、411的各个区域580均满足优化标准。举例来说，物体100的不同部分可以具有不同的光学性质。这样，当对整个强度图像401-1-401-6以统一的方式整体确定组合参数时，对所有区域580同样好地满足相对比较严格的优化标准是不可能的，或者仅有有限程度的可能性。这是为什么空间分辨的组合过程可以致使对各个区域580可以特别好地满足相对比较严格的优化标准的原因，然而，局部不同的组合参数被考虑。

图6描绘可以用于实现上述技术的光学设备600。光学设备600包括照射设备311，例如为LED阵列的形式(参看图3)。物体100通过样本夹持架613被夹持在从照射设备311到探测器612的光的光路中。举例来说，可以实现透射几何结构或反射几何结构。此外，光学设备600包括计算单元614。计算单元614被配置为执行用于生成结果图像410、410-1、410-2、411(参看图4A和图4B)的各个步骤。光学设备600还包括非易失性存储器615。存储器615可以包括用于计算单元614的适当的控制信息，以使后者可以执行如上所述的用于生成结果图像410、410-1、410-2、411的各种技术。存储器615可以可替代地或另外地还存储强度图像401-1-401-6的图像数据以及相关联的指示各个照射几何结构110-1-110-3的控制数据。然后，处理器可以在后置处理步骤中通过访问存储器来生成结果图像410、410-1、410-2、411。存储器165还可以存储用于重复地执行特定物体成像以使优化标准得到满足的控制指令和/或组合参数。

在图6的场景中，计算单元614可以集成到光学设备中。在其他场景中，计算单元614以及例如存储器615也可以分别提供。然而，就可改变物体来说，每次重新执行优化可能是值得追求的目标；在这方面，将被配置为执行优化的计算单元614集成到光学设备600中可能是有利的。

图7例示说明根据各个实施例的用于生成结果图像410、410-1、410-2、411的方法的流程图。在步骤S701中，首先使用各个照射几何结构110-1-110-3顺序地照射物体100，并且在每种情况下捕捉强度图像401-1-401-6。步骤S701对应于图像捕捉步骤。

然后，在步骤S702中，执行组合捕捉的强度图像401-1-401-6以生成结果图像410、410-1、410-2、411，以使所述结果图像满足优化标准。在步骤S702的范围内，还可以将算子应用于强度图像以便在组合过程之前对强度图像进行处理。

在各个实施例中，步骤S702可以与步骤S701相关地实时地执行。然后，可以在监视器上实时地显示结果图像410、410-1、410-2、411。然而，步骤S702还可以在后置处理步骤中执行，后置处理步骤在时间上与图像捕捉步骤是分隔开的。这可以是值得追求的目标，尤其是如果与优化标准相关的优化在步骤S702的范围内通过计算单元614执行的话，优化提供用于组合过程的组合参数。这是因为优化的此类执行在计算上可能是相对比较密集的，其结果是，不能与图像捕捉步骤S701相关地实时地执行，或者仅能与图像捕捉步骤S701相关地实时地有限程度地执行。

因此，通过其可以基于对各个照射几何结构捕捉的多个强度图像确定结果图像的技术已经在上面进行了解释。具体地说，结果图像可以具有与通过常规的硬件实现的结构化照射可以实现的图像性质可比的图像性质。这里，上述技术具有与常规的结构化照射相关的各种优点：例如，可以使用任何结构化照射光瞳——具体地说，没有必要保持非常不同的结构滤波器和对应的掩模改变单元可用；对于图像的各个部分可以实现各种照射光瞳——换句话说，捕捉的强度图像可以与空间分辨率组合；上面解释的技术可以以计算机实现的方式执行，并且可以与各个捕捉的强度图像的硬件实现的预调组合；离线后置处理是可能的——具体地说，可以随后对各个组合参数进行优化以使结果图像具有特别高的质量。

自然地，上述实施例的特征以及本发明的各方面可以相互组合。具体地说，在不脱离本发明的领域的情况下，所述特征不仅可以按所描述的组合使用，而且还可以按其他组合或者独自使用。

Claims (20)

1.一种用于通过显微镜(600)生成物体(100)的结果图像(410、410-1、410-2、411)的方法，

其中，所述方法包括以下步骤：

-通过显微镜(600)的照射设备(311)使用至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)顺序地照射物体(100)；

-对于所述至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)中的每个，在使用各个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)照射期间通过显微镜(600)的探测器(612)捕捉物体(100)的强度图像(401-1-401-6)；以及

-组合强度图像(401-1-401-6)以用于通过计算单元(614)生成结果图像(410、410-1、410-2、411)，

其中，以结果图像(410、410-1、410-2、411)满足预定优化标准的这样的方式执行组合，

其中所述方法还包括：

-通过计算单元(614)执行优化，其中执行所述优化提供用于执行所述组合的组合参数，通过所述组合，结果图像(410、410-1、410-2、411)满足所述预定优化标准，

其中，以加权的形式执行组合过程，其中，通过组合参数确定各个强度图像在组合过程期间的加权。

2.如权利要求1所述的方法，

其中对强度图像(401-1-401-6)的各个区域(580)使用空间分辨率来执行组合以使结果图像(410、410-1、410-2、411)的各个区域(580)满足所述优化标准。

3.如权利要求1所述的方法，

其中对各个波长多次执行使用所述至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)的顺序照射和/或对应的强度图像(401-1-401-6)的捕捉，

其中在每种情况下执行组合对应的强度图像(401-1-401-6)以用于为各个波长生成相关联的结果图像(410、410-1、410-2、411)。

4.如权利要求1所述的方法，

其中，对强度图像(401-1-401-6)的各个区域(580)使用空间分辨率来执行优化，

其中分别为所述各个区域(580)提供组合参数，并且

其中基于对应的组合参数来对强度图像(401-1-401-6)的各个区域(580)使用空间分辨率执行组合。

5.如权利要求1所述的方法，

其中执行所述优化考虑选自以下组的至少一个边界条件：捕捉的强度图像(401-1-401-6)的数量；照射几何结构(110-1、110-2、110-3)的数量；照射方向(111-1、111-2)的数量；照射立体角(112)的数量；用于捕捉强度图像(401-1-401-6)的时间间隔。

6.如权利要求1所述的方法，

其中所述预定优化标准选自以下组：图像对比度；边缘抖度；图像清晰度；调制传递函数的质量；空间频率相关的优化标准。

7.如权利要求1所述的方法，

其中所述至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)包括不同的照射方向(111-1、111-2)和/或不同的照射立体角(112)。

8.如权利要求1所述的方法，

其中所述至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)中的至少一个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)包括至少两个照射方向(111-1、111-2)。

9.如权利要求1所述的方法，

其中所述至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)具有用于照射的光的不同颜色和/或偏振。

10.如权利要求1所述的方法，

其中所述至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)具有不同的干涉图样。

11.如权利要求1所述的方法，

其中所述照射包括应用照射设备(311)的空间滤波器。

12.如权利要求1所述的方法，

其中所述方法还包括：

-在组合强度图像(401-1-401-6)之前：通过计算单元(614)将算子应用于捕捉的强度图像(401-1-401-6)，以用于适配强度图像(401-1-401-6)的目的。

13.如权利要求12所述的方法，

其中所述算子选自以下组：加权；放大；阻尼；绝对值；平方；求根值；变号；平滑像素；像素的像差校正；各个强度图像(401-1-401-6)的像素值的均值的归一化；以及应用空间滤波器。

14.如权利要求12所述的方法，

其中所述算子是形态学算子。

15.如权利要求12所述的方法，

其中所述算子选自以下组：归一化的局部对比度；归一化的局部强度；归一化的强度梯度；扩张；侵蚀；边缘滤波器；噪声滤波器。

16.如权利要求12所述的方法，

其中所述算子是阈值算子。

17.如权利要求12所述的方法，

其中适配选定的强度图像(401-1-401-6)的选定算子取决于至少一个另外的强度图像(401-1-401-6)。

18.如权利要求11所述的方法，

其中所述至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)包括不同的照射方向(111-1、111-2)，

其中对于每个照射方向，空间滤波器使物体(100)的布置在由照射方向和显微镜的光轴设置的平面中的结构相对于垂直于该平面布置的结构减弱。

19.如权利要求1所述的方法，

其中所述方法还包括：

-将基于捕捉的强度图像(401-1-401-6)的图像数据以及相关联的指示各个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)的控制数据存储在非易失性存储器中，

其中在图像捕捉步骤之后的后置处理步骤中基于存储的图像数据和控制数据来执行组合，所述图像捕捉步骤包括照射物体(100)并且捕捉强度图像(401-1-401-6)。

20.一种显微镜(600)，被配置为生成物体(100)的结果图像(410、410-1、410-2、411)，

其中所述显微镜(600)包括：

-照射设备(311)，被配置为使用至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)顺序地照射物体(100)；

-探测器(612)，被配置为在使用各个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)照射期间对所述至少两个照射几何结构(110-1、110-2、110-3)中的每个捕捉物体(100)的强度图像(401-1-401-6)；以及

-计算单元(614)，被配置为组合强度图像(401-1-401-6)以用于生成结果图像(410、410-1、410-2、411)的目的，

其中以结果图像(410、410-1、410-2、411)满足预定优化标准的这样的方式执行组合，

其中所述显微镜(600)被配置为执行如权利要求1所述的方法。

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