CN107065157B - 一种共聚焦成像畸变校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共聚焦成像畸变校正系统，其包括共振振镜、检流计振镜、同步控制器和数据采集机构，所述共振振镜，用于在X轴方向上驱动扫描光斑，并在每一个振动周期中输出一个行同步信号；所述检流计振镜，用于在Y轴方向上驱动扫描光斑；所述同步控制器，用于接收来自于所述共振振镜的行同步信号，对所述行同步信号进行校准，产生与所述共振振镜的运动同步的行同步信号，并以校准后的行同步信号为时序基准，生成对所述检流计振镜的控制波形和与所述数据采集机构采样速率相匹配的等时间间隔的采样控制信号；所述数据采集机构，用于根据所述同步控制器的采样控制信号，采集观测样本的光信号，生成有非线性图像畸变的原始图像。本发明还提供一种共聚焦成像畸变校正方法。

Description

一种共聚焦成像畸变校正系统及方法

技术领域

本发明涉及高速扫描成像畸变校正领域，具体涉及一种基于共振振镜-扫描振镜型扫描成像过程中的畸变校正系统及方法。

背景技术

在点扫描式共聚焦显微镜，双光子显微镜，STED显微镜等系统中，普遍采用X-Y振镜组合扫描成像，当需要高速扫描成像时，采用共振振镜作为X方向(快轴)、检流计振镜作为Y轴(慢轴)来实现扫描成像。但是，共振振镜的运动是不受控的共振运动，不能像检流计型振镜那样通过控制器控制其镜片摆动角度，而且其摆动角度的运动规律为θ＝sin(t)，在上述扫描成像系统中，f-θ透镜的使用使扫描光斑在样本上的位置与摆动角度θ的呈线性关系，因此采用共振振镜时，扫描光斑在样本上的位置与时间是与正弦/余弦有关的非线性关系。为了在最终获得的扫描图像中不会出现非线性畸变，传统上一般使用Ronchi光栅等方式产生非线性时间间隔的采样脉冲，使每个采样点的位置等间隔。这类方法虽然实现了正常的扫描成像，但是实现过程中引入了复杂的非线性采样脉冲生成机构，提高了系统的成本和复杂度，而且这种非线性时间间隔的采样方式在每个像素区间内只进行一次采样，没有充分利用到数据采集机构的数据采样能力。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，有必要提供一种成本低且精度高的共聚焦成像畸变校正系统。

本发明还提供一种共聚焦成像畸变校正方法。

本发明解决技术问题提供的技术方案是：

一种共聚焦成像畸变校正系统，其包括共振振镜、检流计振镜、同步控制器和数据采集机构，

所述共振振镜，用于在X轴方向上驱动扫描光斑，并在每一个振动周期中输出一个行同步信号；

所述检流计振镜，用于在Y轴方向上驱动扫描光斑；

所述同步控制器，用于接收来自于所述共振振镜的行同步信号，对所述行同步信号进行校准，产生与所述共振振镜的运动同步的行同步信号，并以校准后的行同步信号为时序基准，生成对所述检流计振镜的控制波形和与所述数据采集机构采样速率相匹配的等时间间隔的采样控制信号；

所述数据采集机构，用于根据所述同步控制器的采样控制信号，采集观测样本的光信号，生成有非线性图像畸变的原始图像。

本发明实施例中，所述同步控制器采用FPGA实现。

本发明实施例中，所述同步控制器采用校准后的行同步信号为时序基准，通过DDS的方式生成对所述检流计振镜的控制波形。

本发明实施例中，所述共聚焦成像畸变校正系统还包括图像压缩处理模块，所述图像压缩处理模块用于对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩。

本发明实施例中，所述图像压缩处理模块采用下述算法对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩：

原始图像任一行的数据为(I₁,I₂,I₃,…,I_N)；校正后图像上对应行的数据为(I′₁,I′₂,I′₃,…,I′_M)，且N远大于M，其中I_i:i＝1…N对应等时间间隔采样时刻为t_i:i＝1…N；I′_i:i＝1…M对应等间隔区间P_j:j＝1…M，即扫描图像一个像素的覆盖区间；

在t_i时刻，扫描光斑位置为p_i＝k*sin(t_i),其中k为与扫描振镜系统与样本区域位置相关的常数，则对于等间隔区间P_j，必有n_j个

位于P_j内，取

本发明还提供一种共聚焦成像畸变校正方法，其包括：

步骤S1：共振振镜在X轴方向上驱动扫描光斑，并在每一个振动周期中输出一个行同步信号给同步控制器；

步骤S2：同步控制器对所述行同步信号进行校准，产生与所述共振振镜的运动同步的行同步信号，并以校准后的行同步信号为时序基准，生成对检流计振镜的控制波形和与数据采集机构采样速率相匹配的等时间间隔的采样控制信号；

步骤S3：检流计振镜根据所述同步控制器的输出的控制波形在Y轴方向上驱动扫描光斑；

步骤S4：数据采集机构根据所述同步控制器的采样控制信号，采集观测样本的光信号，生成有非线性图像畸变的原始图像。

本发明实施例中，步骤S2中，所述同步控制器采用校准后的行同步信号为时序基准，通过DDS的方式生成对所述检流计振镜的控制波形。

本发明实施例中，所述共聚焦成像畸变校正方法还包括：

步骤S5：图像压缩处理模块对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩。

本发明实施例中，步骤S5中，所述图像压缩处理模块采用下述算法对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩：

原始图像任一行的数据为(I₁,I₂,I₃,…,I_N)；校正后图像上对应行的数据为(I′₁,I′₂,I′₃,…,I′_M)，且N远大于M，其中I_i:i＝1…N对应等时间间隔采样时刻为t_i:i＝1…N；I′_i:i＝1…M对应等间隔区间P_j:j＝1…M，即扫描图像一个像素的覆盖区间；

在t_i时刻，扫描光斑位置为p_i＝k*sin(t_i),其中k为与扫描振镜系统与样本区域位置相关的常数，则对于等间隔区间P_j，必有n_j个

位于P_j内，取

与现有技术相比较，上述图像畸变校正系统和方法实现了采用共振振镜-扫描振镜型扫描成像过程中的图像畸变的校正，通过共振振镜的同步信号生成对所述检流计振镜进行控制的控制波形信号，从而保证了所述检流计振镜与所述共振振镜的同步，无需额外采样脉冲生成机构，降低了成本，并且充分利用了数据采集机构的数据采集能力实现了过采样，提高了成像信噪比。

附图说明

图1是本发明实施例的共聚焦成像畸变校正系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的共聚焦成像畸变校正方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供一种共聚焦成像畸变校正系统，其包括共振振镜1、检流计振镜2、同步控制器3、数据采集机构4和图像压缩处理模块5。下面进行详细说明。

所述共振振镜1，用于在X轴(快轴)方向上驱动扫描光斑，并在每一个振动周期中输出一个行同步信号。所述共振振镜1在上电后以共振方式运动。

所述检流计振镜2，用于在Y轴(慢轴)方向上驱动扫描光斑。所述检流计振镜2接收来自所述同步控制器3的控制波形信号进行摆动。

所述同步控制器3，用于接收来自于所述共振振镜1的行同步信号，对所述行同步信号进行校准，产生与所述共振振镜1的运动同步的行同步信号，并以校准后的行同步信号为时序基准，生成对所述检流计振镜2的控制波形和与所述数据采集机构4采样速率相匹配的等时间间隔的采样控制信号。所述同步控制器3采用FPGA实现。进一步地，所述同步控制器3采用校准后的行同步信号为时序基准，通过DDS(Direct digital synthesizer，直接数字频率合成)的方式生成对所述检流计振镜的控制波形。

所述数据采集机构4，用于根据所述同步控制器3的控制信号，采集观测样本的光信号，生成有非线性图像畸变的原始图像。

所述图像压缩处理模块5，用于对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩，所述图像压缩处理模块5采用下述算法对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩：

原始图像任一行的数据为(I₁,I₂,I₃,…,I_N)；校正后图像上对应行的数据为(I′₁,I′₂,I′₃,…,I′_M)，且N远大于M，其中I_i:i＝1…N对应等时间间隔采样时刻为t_i:i＝1…N；I′_i:i＝1…M对应等间隔区间P_j:j＝1…M，即扫描图像一个像素的覆盖区间；

在t_i时刻，扫描光斑位置为p_i＝k*sin(t_i),其中k为与扫描振镜系统与样本区域位置相关的常数，则对于等间隔区间P_j，必有n_j个

位于P_j内，取

对于原始图像的每一行进行上述处理过程，即可得到经过校正的图像。

如图2所示，本发明实施例提供一种共聚焦成像畸变校正方法，其包括如下步骤：

步骤S1：共振振镜在X轴方向上驱动扫描光斑，并在每一个振动周期中输出一个行同步信号给同步控制器；

步骤S2：同步控制器对所述行同步信号进行校准，产生与所述共振振镜的运动同步的行同步信号，并以校准后的行同步信号为时序基准，生成对检流计振镜的控制波形和与数据采集机构采样速率相匹配的等时间间隔的采样控制信号；

步骤S3：检流计振镜根据所述同步控制器的输出的控制波形在Y轴方向上驱动扫描光斑；

步骤S4：数据采集机构根据所述同步控制器的采样控制信号，采集观测样本的光信号，生成有非线性图像畸变的原始图像；

步骤S5：图像压缩处理模块对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩。

步骤S2中，所述同步控制器采用校准后的行同步信号为时序基准，通过DDS的方式生成对所述检流计振镜的控制波形。

步骤S5中，所述图像压缩处理模块采用下述算法对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩：

原始图像任一行的数据为(I₁,I₂,I₃,…,I_N)；校正后图像上对应行的数据为(I′₁,I′₂,I′₃,…,I′_M)，且N远大于M，其中I_i:i＝1…N对应等时间间隔采样时刻为t_i:i＝1…N；I′_i:i＝1…M对应等间隔区间P_j:j＝1…M，即扫描图像一个像素的覆盖区间；

在t_i时刻，扫描光斑位置为p_i＝k*sin(t_i),其中k为与扫描振镜系统与样本区域位置相关的常数，则对于等间隔区间P_j，必有n_j个

位于P_j内，取

对于原始图像的每一行进行上述处理过程，即可得到经过校正的图像。

综上所述，本发明的图像畸变校正系统和方法实现了采用共振振镜-扫描振镜型扫描成像过程中的图像畸变的校正，通过共振振镜的同步信号生成对所述检流计振镜进行控制的控制波形信号，从而保证了所述检流计振镜与所述共振振镜的同步，无需额外采样脉冲生成机构，降低了成本，并且充分利用了数据采集机构的数据采集能力实现了过采样，提高了成像信噪比。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种共聚焦成像畸变校正系统，其特征在于，包括共振振镜、检流计振镜、同步控制器和数据采集机构，

所述共振振镜，用于在X轴方向上驱动扫描光斑，并在每一个振动周期中输出一个行同步信号；

所述检流计振镜，用于在Y轴方向上驱动扫描光斑；

所述同步控制器，用于接收来自于所述共振振镜的行同步信号，对所述行同步信号进行校准，产生与所述共振振镜的运动同步的行同步信号，并以校准后的行同步信号为时序基准，生成对所述检流计振镜的控制波形和与所述数据采集机构采样速率相匹配的等时间间隔的采样控制信号；

所述数据采集机构，用于根据所述同步控制器的采样控制信号，采集观测样本的光信号，生成有非线性图像畸变的原始图像；

还包括图像压缩处理模块，所述图像压缩处理模块用于对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩；

所述图像压缩处理模块采用下述算法对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩：

原始图像任一行的数据为(I₁,I₂,I₃,…,I_N)；校正后图像上对应行的数据为(I′₁,I′₂,I′₃,…,I′_M)，且N远大于M，其中I_i:i＝1…N对应等时间间隔采样时刻为t_i:i＝1…N；I′_i:i＝1…M对应等间隔区间P_j:j＝1…M，即扫描图像一个像素的覆盖区间；

在t_i时刻，扫描光斑位置为p_i＝k*sin(t_i),其中k为与扫描振镜系统与样本区域位置相关的常数，则对于等间隔区间P_j，必有n_j个

位于P_j内，取

2.根据权利要求1所述的共聚焦成像畸变校正系统，其特征在于，所述同步控制器采用FPGA实现。

3.根据权利要求1所述的共聚焦成像畸变校正系统，其特征在于，所述同步控制器采用校准后的行同步信号为时序基准，通过DDS的方式生成对所述检流计振镜的控制波形。

4.一种共聚焦成像畸变校正方法，其特征在于，包括：

步骤S1：共振振镜在X轴方向上驱动扫描光斑，并在每一个振动周期中输出一个行同步信号给同步控制器；

步骤S2：同步控制器对所述行同步信号进行校准，产生与所述共振振镜的运动同步的行同步信号，并以校准后的行同步信号为时序基准，生成对检流计振镜的控制波形和与数据采集机构采样速率相匹配的等时间间隔的采样控制信号；

步骤S3：检流计振镜根据所述同步控制器的输出的控制波形在Y轴方向上驱动扫描光斑；

步骤S4：数据采集机构根据所述同步控制器的采样控制信号，采集观测样本的光信号，生成有非线性图像畸变的原始图像；

还包括：

步骤S5：图像压缩处理模块对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩；

步骤S5中，所述图像压缩处理模块采用下述算法对所述非线性图像畸变的原始图像进行校正和压缩：

原始图像任一行的数据为(I₁,I₂,I₃,…,I_N)；校正后图像上对应行的数据为(I′₁,I′₂,I′₃,…,I′_M)，且N远大于M，其中I_i:i＝1…N对应等时间间隔采样时刻为t_i:i＝1…N；I′_i:i＝1…M对应等间隔区间P_j:j＝1…M，即扫描图像一个像素的覆盖区间；

在t_i时刻，扫描光斑位置为p_i＝k*sin(t_i),其中k为与扫描振镜系统与样本区域位置相关的常数，则对于等间隔区间P_j，必有n_j个

位于P_j内，取

5.根据权利要求4所述的共聚焦成像畸变校正方法，其特征在于，步骤S2中，所述同步控制器采用校准后的行同步信号为时序基准，通过DDS的方式生成对所述检流计振镜的控制波形。

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