CN107409185A - 基于多抽头成像仪的同步多通道tdi成像 - Google Patents

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Abstract

采用多抽头装置的多通道的同步时间延迟积分(TDI)成像方法，包括：转换覆盖被成像样品的视场(FOV)；对于多抽头装置的每个抽头，将FOV的转移方向光学对准为电荷转移方向；和采用适合具体应用的设置读出来自每个通道的图像数据。

Description

基于多抽头成像仪的同步多通道TDI成像
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年4月3日提交的申请号为62/142,687的美国临时专利申请的权益。该美国临时专利申请62/142,687的公开内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明一般涉及时间延迟积分(TDI)成像。本发明尤其涉及基于多抽头装置的多通道的同步时间延迟积分(TDI)成像。
背景技术
虽然TDI是用于对物体(例如显微镜载玻片)成像的有效机制，虽然它相对于成像仪移动，但在其成像多于一个的波长时，存在明显的取舍。
例如，一些基于扫描的TDI多波长方案要依靠多次的、经常是涉及改变光源的顺序扫描，或者依靠扫描之间的开关滤光器。
使用多次扫描的不足包括：
·如果物体从一次扫描移到下一次，那么会产生的是时间上不同时刻的图像。
·机械运行导致很难让不同的扫描校准达到科研成像所需的精度水平。
·多次扫描耗时更长，导致更慢的整体吞吐量。
一些基于扫描的TDI的多波长方案使用了成像仪上的颜色滤光片阵列(CFAs：例如条纹(stripe)、拜耳(Bayer)、柯达全色(Truesense panchromatic)、马赛克(mosaic)以及其他可商用产品)。
使用CFAs的不足包括：
·与使用黑白传感器的扫描相比，降低了空间分辨率。
·它们不适应重叠或并置的光谱的情况。
·使用基于色素或染料并有光谱特征的颜色滤光片阵列的商用传感器，例如(但不仅限于)用于区分并置的荧光，对于科学应用来说并不理想。
因此，有必要提供一种利用TDI成像和利用商用传感器的优势、与科学应用的需求精确匹配的并且没有上述不足的多波长解决方案。
发明内容
本发明描述了一种在其他技术之中，容许使用双抽头单色CCD(电荷耦合器件)的双波长成像的方法。可添加双波长成像至现有扫描仪，例如，目前处于统雷公司(Thorlabs)研发后期的全载玻片扫描仪。
本发明的一个实施例提供了采用多抽头装置的多通道的同步时间延迟积分(TDI)成像的方法,包括：转换一覆盖被成像样品的视场(FOV)；对于多抽头装置的每个抽头，将FOV转移方向光学对准为电荷转移方向；采用适合具体应用的设置读出来自每个通道的图像数据。另一个实施例进一步包括了以适合具体应用的方式处理、重建和显示来自每个通道的图像数据。
在一个实施例中，一些通道获得与FOV的不同光谱特性对应的TDI图像。在一个实施例中，一些通道获得FOV的光谱分散的TDI表示。在一个实施例中，一些通道获得FOV的高光谱分散或多光谱分散的TDI表示。在一个实施例中，一些通道通过一种或者多种滤光器，例如通过偏振器、3D、分析仪、光密度、空间滤光器、颜色滤光片和各种类型的颜色滤光片阵列，来获得FOV的TDI图像。在一个实施例中，一些通道通过使用透视的、反射的、荧光的或光谱的材料或涂层，或者在各自成像区域或光路位置的荧光材料获得FOV的TDI图像。在一个实施例中，一些通道获得对应于不同的位置、朝向、方向、深度、聚焦平面或感兴趣区的不同的FOV的TDI图像。在一个实施例中，一些通道获得FOV的TDI图像，另一些通道获得相同或者不同的FOV的非TDI图像。在一个实施例中，一些通道通过公知的成像、显微镜或者光谱的特定模式获得FOV的TDI图像。
上述方法可以以多种方式进行组合；尽管并非所有的组合均被图示或者详细讨论。
该方法可以被实例于各种形式的成像仪，包括但不限于CCD和CMOS传感器的各种实现形式。
比如，多个TDI读出可以基于同步或者不同步的时间基准。一些通道可以在基于同步或者不同步的时间基准的非TDI模式下运行。
另一个例子是包括如公开文件WO2014059318A1所描述的“快照”TDI的，或者用于连续的(类似于在Hamamatsu Orca R2{带TDI选项}实现的)TDI的多通道支持，或者具有相同或者不同的增益和其他相机参数的TDI方法的组合。
成像仪的水平移位寄存器可以用于分行读出，也可以用于水平合并。读出时也可以执行垂直绑定。
尽管本文件的讨论与图示主要展示双抽头成像仪，但是该技术可以推广至包括具有两个以上抽头的成像仪。可以有以下的空间分离的各种实现方式：各种形式的、单个的或者组合的棱镜、反射镜、光纤耦合器、分束器、透镜。这些元件可以成为FOV的一部分，可以是独立的，或者安装至成像仪的(例如，通过耦合结合至成像仪通道的光纤锥和块)。
可以使用组合的反射镜、分束器、棱镜、透镜和其他的光学工程师所公知的元件来实现FOV的转移方向对于电荷转移方向的对准和朝向。
可以进行所述的多通道的各种后期处理和显示选项。可以在硬件中，或者在嵌入式机器或者关联的PC主机上运行的软件中执行处理。
附图说明
图1图示了单抽头和双抽头的CCD读出；
图2图示了常规的TDI读出；
图3根据实施例图示了双抽头TDI读出；
图4根据实施例图示了分开的多个FOV的一般形式；
图5根据另一实施例图示了基于双抽头成像仪的相同FOV的TDI成像的一般形式；
图6根据实施例展示了通过波长实现的分离；
图7根据实施例展示了TDI高光谱和TDI成像；
图8根据实施例展示了同步产生TDI和“标准的”图像。
具体实施方式
根据本发明的原理对说明性的实施例所进行的描述旨在要结合附图来进行阅读，其将被视作整个书面说明书的一部分。在公开的本发明的实施例的描述中，任何方向或方位的引用仅仅旨在便于说明，而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。相关术语如，“下部的”、“上部的”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”)及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当被解释为下文所述的或在讨论中的附图所示的方位。这些相关术语仅为方便说明之用，而不能要求设备按照特定方位进行构造或操作,除非有明确说明。除非另有明确规定，否则术语，如“附着”、“粘贴”、“连接”、“耦合”、“互连”和类似术语是指多个结构通过介入结构直接地或间接地相互固定或附着的关系，以及可移动或刚性的附着或关系。为了方便，术语如“单抽头”、“双抽头”、“上半部”、“下半部”、“半部”、“双FOV”、“双图像”等文本或者图像中涉及简化案例的术语；本方法的描述适用于具有多FOV产生多图像的多抽头装置。并且，在相当详细地描述了多行间CCD的操作的同时，该方法可被实现于各种形式的成像仪，包括，但不限于CCD和CMOS传感器的各种实现方式。此外，通过结合示例性实施例说明本发明的特征和优点。因此，本发明不应被确切地限制于对可单独存在或在其它特征组合中存在的特征的一些可能的非限制性组合进行说明的示例性实施例；本发明的范围由所附权利要求界定。
正如当前设想，本次公开描述了本发明的最优模式或实践模式。本发明并非旨在从限制层面上进行理解，而是通过结合附图提供仅供说明使用的发明示例，以告知本领域的普通技术人员本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，相同的附图标记指代相同或相似的部件。
图1(a)图示了常规的单抽头行间转移CCD的操作。行间转移CCD可以被直观认为是一台基于H x V像素阵列上开发二维电子电荷矩阵的装置。在曝光周期，每个像素堆积与入射光子数量成比例的电荷。曝光周期后，电荷矩阵的每个元素都被横向移位至被遮光的相邻的元素。储存的电荷被竖直地、一行一行地计时(clock)读进水平移位寄存器。一旦水平移位寄存器上的装有一行电荷，从装置中连续地将这些电荷计时，并转化为电压以产生模拟和/或数字显示。
图1(b)图示了常规的双抽头读出。在双抽头行间转移CCD，有两个水平移位寄存器，如图所示的“上部”和“下部”移位寄存器。
在常规的双抽头读出中，电荷矩阵的上半部和下半部被时钟控制地以不同的方向读出——一半部朝向上部移位寄存器和另一半部朝向下部移位寄存器，并从装置中读出，转化为电压然后数字化。
注意到，具有两个以上抽头的成像仪也是可行的，并且其读出方法跟上述的描述类似。移位寄存器一般都是分开的，以实现更快地从成像仪中分行读出电荷。读出过程中还可以执行垂直和水平绑定。
图2图示了常规TDI读出的操作。由于被成像的物体通过视场(FOV)转换，其位置以定时脉冲的形式编码，用于生成水平线速触发的脉冲至CCD。精准的计算和控制确保在物体和开发电荷矩阵之间没有相对运动。在感光像素中发展多行电荷，该多行电荷和堆积电荷相加并转换以整合成图像，该图像在硬件但更通常的是在PC主机中被读出和重建。
国际专利公开文件W02014059318 A1包含了在TDI和非TDI操作里的CCD操作的更详细描述。W02014059318 A1的全部内容作为参考并入本文。
图3根据实施例图示了双抽头TDI读出的实现方式。推荐的技术利用以下事实：电荷矩阵的上半部310和下半部32O，在双抽头读出时向相反方向移动。在TDI记时方案中构想以相反的方向进行电荷的移位和相加，如图3TDI↑和TDI↓所示。采用合适的反转图像(或者其他有需要的再定向)的手段330，以便将FOV中的运动与被计时的电荷的方向对准，朝向移位寄存器360、370。
注意到，为了清楚起见，在图3中显示了两个不同的FOV340、350，并且成像仪的两半部310、320被显示为通过TDI计时方案读出。
在下述实现方式中，其是规定FOV的选择以及适合的读出方法的应用。如前所述，本技术可被扩展至多抽头成像仪，尽管为了简单起见，本文本中仅展示了双抽头的配置。
原理的实现方式
根据本发明的一些实施例，存在可以独立地或组合地使用以适合于多种应用的几种实现方式。
有需要可将实现方式分为两大类：
A)不同的FOV440、450通过多抽头成像仪的多通道的相同或者不同的光学模态成像。该类型的广义形式如图4所示，其中P1和P2表示各种可能设置于光路中的元件。
B)FOV1＝FOV2为(A)的一种特殊情况。相同的FOV通过多抽头成像仪的多通道的不同的光学模态成像。该类型的广义形态如图5所示。例如，在一个实施例中，使用分束器520和反射镜530将来自FOV510的光进行空间分离。其他技术也被考虑为可能用于创造FOV的表示的空间分离。
图6-8所示的是根据本发明的一些实施例的实例选择。
在图6描述的实现方式中,来自FOV610的光通过单路径反转图像从光谱和空间上分离至双抽头成像仪的两半部。例如，在一个实施例中，两个二向色镜620和630被用来从光谱和空间上分离来自FOV610的光。另外，由于二向色滤光片在低通、高通、单边缘和多边缘变体中有效，色彩并不旨在暗示特定的过滤器或被分离的特定波长。VIS/NIR/SWIR(可见/近红外/短波红外)的不同组合和其它波长和光谱波段皆有可能。其他技术也被考虑为可能用于形成光谱和空间分离的图像。
图7显示了TDI高光谱成像(有时指推扫式高光谱成像)和普通的TDI成像的组合。在一个实施例中，使用分束器720和反射镜730将来自于FOV710的光进行空间分离。例如，在一个实施例中，光栅740和光学750用于在单路径形成光谱。另外，“正常”路径可以被实现为具有宽带或窄带光谱特征。在一个实施例中，成像仪的一个或多个通道也可以在非TDI读出模式中操作。另外，图7显示的ROYGBIV(红橙黄绿青蓝紫)并不旨在限制为对可见光的应用。留意，其他技术也可以用于同步地将高光谱的和正常的FOV表示投影到成像仪。
图8所示的实现方式，包括来自单抽头840的“正常”读出和来自其它抽头850的TDI读出。在一个实施例中，使用分束器820和反射镜830将来自FOV810的光进行空间分离。留意，其他技术也可以用于同步创建的TDI和非TDI图像。
来自多通道的图像数据的专用显示和后处理选项是可行的。可以在硬件中，和/或在嵌入式机器或者关联的PC主机运行的软件中，执行处理。
根据一些实施例，有多种显示选项：
-保持通道分离，
-覆盖和注释，
-显示基于来自多通道图像数据的数学运算的结果。
根据一些实施例，有多种数学运算：
-具有和不具有增益和偏移因素、来自多通道的图像数据的求和及求差，
-具有和不具有增益和偏移因素、来自多通道的图像数据的比值，
-基于多TDI读出的不同时间基准的运算。
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或者任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供最广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预期范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可以代表本发明的等效改动。

Claims (14)

1.采用多抽头装置的多通道的同步时间延迟积分(TDI)成像的方法，包括：转换一覆盖待成像样品的视场(FOV)(340、350)；
对于多抽头装置(310、320)的每个抽头，将FOV的转移方向光学对准(330)为电荷转移方向；和
采用适合具体应用的设置，读出来自每个通道(360、370)的图像数据。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，以适合具体应用的方式处理、重建和显示来自每个通道的图像数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其中一个或多个通道获得与FOV的不同光谱特性对应的TDI图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其中一个或者多个通道获得FOV的光谱分散的TDI表示。
5.根据权利要求4所述的方法，所述的光谱分散的TDI表示是FOV的高光谱分散或多光谱分散的TDI表示。
6.根据权利要求1所述的方法，其中一个或者多个通道通过一种或者多种滤光器获得视场的TDI图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述一种或者多种滤光器至少是以下类型滤光器中的一种：偏振器；3D；分析仪、光密度；空间滤光器；颜色滤光片和各种类型的颜色滤光片阵列。
8.根据权利要求1所述的方法，其中一个或者多个通道通过使用在各自成像区域或光路位置的材料获得FOV的TDI图像。
9.根据权利要求8所述的方法，其中一个或者多个通道获得FOV的TDI图像是使用至少一种以下的材料：透射的、反射的、荧光的或光谱的材料或涂层，或者荧光体。
10.根据权利要求1所述的方法，其中一个或者多个通道获得不同的FOV的TDI图像。
11.根据权利要求10所述的方法，其中不同的FOV基于同步或者异步的时间基准对应
于不同的位置、朝向、方向、深度、聚焦平面或感兴趣区，具有相同或者不同的增益值、偏移、曝光和其他图像采集和读出的设置。
12.根据权利要求1所述的方法，一个或者多个通道获得FOV的TDI图像，且其他通道获得相同或者不同的FOV的非TDI图像。
13.根据权利要求1所述的方法，其中一个或者多个通道获得FOV的快照TDI图像，且其他通道获得相同或者不同的FOV的常规TDI图像。
14.根据权利要求1所述的方法，其中一个或者多个通道获得具有具体增益值和其他设置的TDI图像，且其他通道获得具有不同的增益值、偏移、曝光和其他图像采集与读出设置的图像。
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