CN110187582A - 一种亚像素位移的成像装置及其应用 - Google Patents

一种亚像素位移的成像装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学成像技术领域，本发明目的之一是提供了一种亚像素和/或像素位移的成像装置，包括图像传感器和亚像素位移装置，所述亚像素位移装置包括灌入具有电控双折射效应的液晶的液晶盒、脉冲信号发生器，所述脉冲信号发生器用于与所述液晶盒的电极连接，所述图像传感器设置在所述亚像素位移装置的后端。本发明另一个目的是提供一种获取超分辨率图像的方法，该方法主要利用了本发明提供的亚像素位移的成像装置，使得光场进行平移，然后图像传感器获取到这些图片，处理模块对这些图片进行超像素合成，即可得到超分辨率图像。本发明为现有的亚像素位移方法开辟了一条新途径，本发明提供的这种亚像素位移装置具有造价低，结构简易小巧的优点，有较好的市场前景。

Description

一种亚像素位移的成像装置及其应用
技术领域
本发明属于光学成像领域，更具体地，涉及一种亚像素位移的成像装置。
背景技术
近年来，显微镜变得越来越先进，但是，却不得不面临一些极限。最明显的极限是成像视野范围，它由空间带宽积决定。类似于海森堡不确定性原理，空间带宽积是对成像系统信息承载能力的衡量。实际上对于传统含透镜显微镜，为了提高空间带宽积的数值，需要寻找低放大倍率(<10x)和高的NA(>0.5)透镜,但花费往往数千美元，因为需要在大视场校正光学像差。同时，具有高NA数值的透镜往往非常庞大。而目前新兴的无透镜显微镜具有几何成像芯片，样品被放置在光电传感阵列上，样品与传感平面的距离常常小于1mm。这一系统的空间带宽积可以达到一百万到一千万。
无透镜芯片式显微镜去除了镜片的束缚，通过采用传感器，采集样品的数字信息，对数字信息进行运算重建，依托现代数码设备强大的计算能力，可以瞬间分析大量数据。这对工业和医学具有极大的意义，其商业化也在稳步进行。然而，目前的所有无透镜成像系统的分辨率均受限于光检测器CMOS或者CCD的像元尺寸。理论上越小的像元尺寸，能够接受到的信息就越微小。目前市面上普遍的CMOS或者CCD的像元尺寸均在um量级，而普通光学显微镜的分辨率一般接近衍射极限，也就是百纳米级。如果能提高无透镜显微镜的分辨率达到波长量级，这种简便的显微系统将能得到广泛的应用。
就目前技术而言，亚像素位移的方式都在尝试平移光源，例如：
1.平移LED光源
通过平移光源来实现和物体之间的相对位移，物体的阴影将在平面上移动。这种办法有两种实现方式，一种是直接机械移动，这要求极高的机械对准；第二种是搭建光纤LED阵列，这样的办法要求极为精密的光纤安装过程，而且安装完成之后无法再更改移动的距离。这些办法会增加无透镜系统的成本和体积。
2.通过镜面移动光源
通过镜面移动光源，和平移LED光源不同，不是通过安装更多的LED或者是移动LED，而是通过镜面来移动光源发出的光线，但其本质上仍然是平移光源，从物体的角度看相当于一个移动的光源虚像。它仍然需要一定的机械校准精度，需要牺牲无透镜系统一定的工作距离，并且会增加无透镜系统的成本和体积。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一个目的是提供一种亚像素和/或像素位移的成像装置，实现该发明目的的技术方案是：
本发明提供的这种亚像素位移和/或像素位移的成像装置(本发明提供的这种装置可以根据需要进行亚像素位移、像素位移，因而在本发明中称为亚像素位移和/或像素位移的成像装置)，包括图像传感器和亚像素位移装置，所述亚像素位移装置包括灌入具有电控双折射效应的液晶的液晶盒、脉冲信号发生器，所述液晶盒设置有电极，所述脉冲信号发生器用于与所述液晶盒的电极连接，能够给所述液晶盒施加电场，从而使所述液晶产生双折射效应，所述图像传感器设置在所述亚像素位移装置的后端(依光路，依次设置有亚像素位移装置、图像传感器)。
所述具有电控双折射效应的液晶可以是近晶相液晶或向列相液晶。
一般认为，仅将光场在图像传感器x轴或y轴方向的移动只能提升这一个方向的图像清晰度，为了实现光场在图像传感器的x轴和y轴方向均有位移，需要有如下考虑：
图像传感器一般为矩形，当图像传感器为矩形时，施加电场的方向不与图像传感器的任意一条矩形边缘垂直或平行，这样仅需要一个电场即可实现；若施加电场的方向与图像传感器的任意一条矩形边缘垂直或平行，这时候需要施加两个电场(原理如附图4-图6所示)，且这两个电场的方向不平行，才可以使光场在图像传感器x轴或y轴均发生位移。
因此采用的技术手段为：
(1)所述图像传感器为矩形，所述施加电场的方向不与图像传感器的任意一条矩形边缘垂直或平行。
(2)可在所述液晶盒侧面设置有两对电极，且所述两对电极都分别接入脉冲信号发生器，继而能够产生两个电场，所述两个电场的方向不平行。
进一步优化本装置，还可以设置一偏振装置，所述的偏振装置设置在所述液晶盒与图像传感器之间，当脉冲信号发生器产生信号后，所述的偏振装置能够过滤脉冲信号发生器产生信号后，通过所述液晶盒的o光，所述偏振装置可优选为可控偏振薄膜；除此之外还可以直接通过处理模块运用软件过滤脉冲信号发生器产生信号后，通过所述液晶盒的o光。
本发明另一目的是提供一种实现像素和/或亚像素位移的方法，包括以下步骤：
(1)设置本发明提供的这种亚像素位移和/或像素位移的成像装置：将具备电控双折射效应的液晶灌入设置有电极的液晶盒，将电极接入脉冲信号发生器，脉冲信号发生器能够给所述液晶盒施加电场，从而使所述液晶产生双折射效应，然后将接入脉冲信号发生器的液晶盒设置在图像传感器和光源之间(依照光路依次设置液晶盒，图像传感器)；
(2)在脉冲信号发生器不产生信号时，图像传感器进行采集，得到样品的初始图像；
(3)脉冲信号发生器产生多个信号，导致所述的液晶盒所处的电场强度发生改变，所述脉冲信号发生器产生信号时，图像传感器对其进行采集，每一次采集，由于所述液晶盒具有双折射特性，所述图像传感器得到一对图像，每对图像中的两幅图像相同；连续地改变脉冲信号发生器产生的信号，使所述液晶盒所处的电场的强度发生改变，液晶的光轴将旋转不同的角度，所述每对图像具有不同的物理距离，当改变脉冲信号时，图像传感器对具有不同的物理距离的图像行采集；
(4)分析步骤(3)中图像传感器采集的图像，将不随脉冲信号改变物理位置的图像删去，保留随脉冲信号改变物理位置的图像，即得到亚像素位移和/或像素位移图像。
步骤(4)中所述的将不随脉冲信号改变物理位置的图像删去的具体方法可以为：在液晶盒和图像传感器之间设置有偏振装置，所述的偏振装置能够过滤脉冲信号发生器产生信号后通过所述液晶盒的o光同时保留e光，即能过滤掉不随脉冲信号改变物理位置的图像，同时保留随脉冲信号改变物理位置的图像，所述偏振装置可优选为可控偏振薄膜；还可以直接用软件进行删除或是直接人工删除。
本发明又一个目的是提供了一种获取超分辨率图像的方法，包括以下步骤：
S1：设置本发明提供的这种亚像素位移和/或像素位移的成像装置：将具备电控双折射效应的液晶灌入设置有电极的液晶盒，将电极接入脉冲信号发生器，脉冲信号发生器能够给所述液晶盒施加电场，从而使所述液晶产生双折射效应，然后将接入脉冲信号发生器的液晶盒设置在图像传感器和光源之间(依照光路依次设置液晶盒，图像传感器)；
S2：在脉冲信号发生器不产生信号时，图像传感器进行采集，得到样品的初始图像；
S3：连续地改变脉冲信号发生器产生的信号，使所述液晶盒所处的电场的强度发生改变，在每一次改变脉冲信号时，图像传感器均对图像进行采集；
S4：分析步骤S3中图像传感器采集的图像，将脉冲信号发生器产生信号后，不随脉冲信号改变物理位置的图像删去，保留随脉冲信号改变物理位置的图像，即得到亚像素位移和/或像素位移图像；
S5：利用像素超分辨率(PSR)算法将步骤S4中所述保留随脉冲信号改变物理位置的图像进行合成，得到超分辨率图像。
本发明还提供了一种超分辨率无透镜显微成像系统，包括依光路依次布置的光源照明模块、载样台，还包括本发明提供的这种亚像素和/或像素位移装置，所述载样台设置在所述亚像素位移装置和光源之间，所述载样台用于放置拍摄样品。
所述的载样台可以包括：透光性载物板和调节装置，所述的透光性载物板上设置有透明或镂空形式的样品放置区，所述的调节装置用于驱动所述述载物板以改变与图像传感器之间的距离。
本发明提供的这种超分辨率无透镜显微成像系统还可以设置有控制处理模块，所述的控制处理模块用于接收和处理所述图像传感器获取的图像数据，经计算获取显微图像。所述的控制处理模块能利用像素超分辨率(PSR)算法对传感器获取的原图像数据以及亚像素位移图像数据进行合成。
与现有技术相比，本发明通过在无透镜成像系统中添加了本发明提供的亚像素位移装置，为现有的亚像素位移和/或像素位移方法开辟了一条新途径，可运用于无透镜成像系统，例如全息无透镜系统。传统的方法是通过平移光源来实现和物体之间的相对位移，物体的阴影在平面上移动，本发明提供的这种亚像素位移装置是对广场进行平移，这种亚像素位移装置结构小巧，只需要一块两侧接入脉冲信号发生器的较小的液晶盒，将其中灌入具有电控双折射效应的液晶，例如向列相液晶即可实现。
本发明优势在于低成本、便携和可调节，以往的方法比如光纤阵列，安装完成之后就不能更改，但是本发明提供的这种像素或亚像素位移装置可以随便根据需求更改亚像素位移的尺寸，比如像素单位长度的1/10，移动十次，也可以是像素单位长度的1/20，移动二十次，以往的光纤阵列设置好了1/10就不能再进行改变。就现有技术而言，本发明提供的这种像素或亚像素位移装置能够在基本不牺牲工作距离的前提下实现亚像素级的位移，且位移距离是可以调控和任意更改的，不需要过于复杂的机器对准，也不会使系统的体积过于庞大，保留了无透镜系统特有的简便和小巧的特性，并且能够显著提高无透镜系统的分辨率。这一分辨率提高的效果对于像元尺寸较大的CMOS或CCD成像元件来说更为显著，它使得无透镜系统不需要使用像元尺寸过小的元器件，也因此可以选用像元尺寸合适的、成像面积更大的成像元件。
附图说明
图1是本发明提供的无透镜超分辨率成像系统的示意图，图1中1为图像传感器，可以是CMOS；2为亚像素移动装置；3为载样台；4为光源；
图2是本发明提供的亚像素位移装置的示意图，图2中1为灌注具有电控双折射效应的液晶的液晶盒，2、3为液晶盒的电极，2、3接入脉冲信号发生器，4为光源，5为o光(ordinary wave)，6为e光(extraordinary wave)，当脉冲信号发生器产生信号时，由于电控双折射效应，脉冲信号发生器给液晶施加电场时，液晶会发生双折射，即如图中o光和e光，o光和e光的平移距离可通过函数信号发生器施加的电压控制，过滤掉o光，保留e光，即可得到亚像素位移的图像。
图3为本发明所述的获取超分辨率图像的方法流程图。
图4为光通过液晶盒在x轴和y轴发生位移的光路示意图，图中1为入射光，2为o光(ordinary wave)；当仅在液晶盒C和D两侧施加电场，由于液晶双折射效应，光线入射后，除了射出o光外，在y轴方向还射出了e光(extraordinary wave)，即图中3；当仅在液晶盒A和B两侧施加电场，由于液晶双折射效应，光线入射后，除了射出o光外，在x轴方向还射出了e光(extraordinary wave)，即图中4；当同时在AB和CD两个对侧施加电场，光通过液晶时，在x和y轴方向均发生发生了位移，产生的e光(extraordinary wave)即为图中5。
图5是本发明提供的亚像素位移装置的一种设置情况的俯视图，这种情况下需要给AB、CD分别施加电场，才能使得光场在图像传感器X和Y轴方向都有位移。
图6是本发明提供的亚像素位移装置的另一种设置情况的俯视图，这种情况下只需要给AB或CD施加电场，既可以使得场在图像传感器X和Y轴方向都有位移。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
选取一个盒厚为d＝10um的液晶盒，向其中灌注向列相液晶，将这样的液晶盒接入脉冲信号发生器并作为亚像素位移装置，放置在相干无透镜成像系统之上。由于向列相液晶的性质，在不同的电场下它会产生不同的双折射效应，由双折射的性质，传感器会采集到两幅完全相同的图像，这两幅完全相同的图像在传感器平面上会有一定的物理间距，这个距离由施加的电场控制。一般地，允许液晶产生0.2左右的双折射率差，以便于分离双折射产生的两个图像。该亚像素位移装置使用步骤如下：
1.在脉冲信号发生器不产生信号时，即电压为0V时打开照明单元进行采集，得到样品的初始图像。
2.用脉冲信号发生器产生多个信号，得到多张低分辨的图像；每张图像中包含有两幅完全相同的干涉条纹，且这些条纹和步骤1中的条纹完全一样。具体地，从液晶盒的侧面接入1kHz的方波驱动电压，使电场强度方向平行于CMOS表面，从0V开始逐渐增大电压，初始的干涉图像将在传感器平面上分离成两幅，一幅不随电压变动，另外一幅随电压大小的变化而改变位置。这两幅完全相同的干涉图像将被CMOS完全接收，但它们在空间上有一定距离。基于向列相液晶的性质，液晶盒的光轴将向电场方向靠拢，当电压大小增加到足够大(约5V)时光轴几乎与电场方向平行。基于此，若在0V-5V之间改变电场的强度，光轴将旋转不同的角度，两幅干涉图像也因此将在x和y方向上拉开不同的距离。通过在0-5V之间间隔地取特殊值，使之能满足两幅干涉图像产生的位移值的排列成等差数列，由此得到一系列图像。
3.利用在0V时获得的图像来处理步骤2获得的一系列图像，得到多张低分辨的干涉条纹图像。具体地，将步骤2中采集到的所有图像中的不随电压改变位置的干涉图像删去，只保留随电压改变位置的干涉图像。这一系列图片可等效为同一幅干涉图像在CMOS表面产生了不同的亚像素级别的位移，且这些位移值成等差数列。由于CMOS像素的离散采样特性，这些图像被CMOS采样后保留原有信息的程度均不同，我们可以使用像素超分辨算法来从这一系列同一干涉条纹的不同位置得到的图像中恢复出更高分辨率的干涉条纹图案。
4.利用像素超分辨率(PSR)算法从这一系列同一干涉条纹的低分辨率图像中恢复出高分辨率的图像，实际上，我们相当于依靠亚像素位移的办法补偿了因为CMOS像素离散而导致的欠采样问题。这一图像的处理算法与手机镜头去抖的算法类似，称为PSR算法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种亚像素位移和/或像素位移的成像装置，包括图像传感器和亚像素位移装置，其特征在于，所述亚像素位移装置包括灌入具有电控双折射效应的液晶的液晶盒、脉冲信号发生器，所述液晶盒设置有电极，所述脉冲信号发生器用于与所述液晶盒的电极连接，能够给所述液晶盒施加电场，从而使所述液晶产生双折射效应，所述图像传感器设置在所述亚像素位移装置的后端。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述具有电控双折射效应的液晶为近晶相液晶或向列相液晶。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像传感器感光面为矩形，所述施加电场的方向不与所述矩形的任意一条边缘垂直或平行。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液晶盒设置有两对电极，所述两对电极分别用于与脉冲信号发生器连接，使液晶能够产生两个电场，且所述两个电场的方向不平行。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置，其特征在于，还包括偏振装置，所述的偏振装置设置在所述液晶盒与图像传感器之间，当脉冲信号发生器产生信号后，所述的偏振装置能够过滤掉通过所述液晶盒的o光。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置，其特征在于，还包括处理模块，当脉冲信号发生器产生信号后，所述的处理模块能通过计算过滤掉通过所述液晶盒的o光。
7.一种实现像素和/或亚像素位移的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置权利要求1-4中任一项所述的亚像素位移和/或像素位移的成像装置；
(2)在脉冲信号发生器不产生信号时，图像传感器进行采集，得到样品的初始图像；
(3)连续地改变脉冲信号发生器产生的信号，使所述具有电控双折射效应的液晶所处的电场的强度发生改变，随着电场强度的改变，液晶的光轴将旋转不同的角度，将光场在图像传感器接受面进行不同物理距离的位移，图像传感器在这一过程对图像进行采集；
(4)分析步骤(3)中图像传感器采集的图像，将脉冲信号发生器产生信号后，不随脉冲信号改变物理位置的图像删去，保留随脉冲信号改变物理位置的图像，即得到亚像素位移和/或像素位移图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的将脉冲信号发生器产生信号后，不随脉冲信号改变物理位置的图像删去的具体方法为如下方法A或方法B：
方法A：在液晶盒和图像传感器之间设置有偏振装置，所述的偏振装置能够过滤掉脉冲信号发生器产生信号后，通过所述液晶盒的o光并同时保留e光，即能过滤掉不随脉冲信号改变物理位置的图像，同时保留随脉冲信号改变物理位置的图像；
方法B：通过额外设置的处理模块，将脉冲信号发生器产生信号后，不随脉冲信号改变物理位置的图像删去。
9.一种获取超分辨率图像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置权利要求1-4中任一项所述的亚像素位移和/或像素位移的成像装置；
S2：在脉冲信号发生器不产生信号时，图像传感器进行采集，得到样品的初始图像；
S3：连续地改变脉冲信号发生器产生的信号，使所述具有电控双折射效应的液晶所处的电场的强度发生改变，随着电场强度的改变，液晶的光轴将旋转不同的角度，将光场在图像传感器接受面进行不同物理距离的位移，图像传感器在这一过程对图像进行采集；
S4：分析步骤S3中图像传感器采集的图像，将脉冲信号发生器产生信号后，不随脉冲信号改变物理位置的图像删去，保留随脉冲信号改变物理位置的图像，即得到亚像素位移和/或像素位移图像；
S5：利用像素超分辨率(PSR)算法将步骤S4中所述保留随脉冲信号改变物理位置的图像进行合成，得到超分辨率图像。
10.一种超分辨率无透镜显微成像系统，包括依光路依次布置的光源照明模块、载样台，其特征在于，还包括权利要求1-4中任意一项所述的亚像素位移装置，所述载样台设置在所述亚像素位移装置和光源之间，所述载样台用于放置拍摄样品。
11.根据权利要求10所述的无透镜显微成像系统，其特征在于，所述的载样台包括：透光性载物板和调节装置，所述的透光性载物板上设置有透明或镂空形式的样品放置区，所述的调节装置用于驱动所述载物板以改变与图像传感器之间的距离。
12.根据权利要求10或11所述的无透镜显微成像系统，其特征在于，还设置有控制处理模块，所述的控制处理模块用于接收和处理所述图像传感器获取的图像数据，经计算合成获取超分辨率显微图像。
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