CN111951205A - 一种红外与可见光的双光显微成像系统及其图像融合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种红外与可见光的双光显微成像系统及其图像融合方法,所述双光显微成像系统包括:分光镜,位于分光镜的透射光路上的红外显微物镜、微扫描装置和红外探测器;位于分光镜的反射光路上的且与所述分光镜平行的反射镜,位于所述反射镜的反射光路上的可见光显微物镜和可见光探测器。本发明的双光显微成像系统设置有包含红外显微物镜和红外探测器等用于红外成像的红外成像组件,包含可见光显微物镜和可见光探测器等用于可见光成像的可见光成像组件,及包含微扫描器和光学平板等用于微扫描的微扫描装置,可对同一场景同时完成同一视角的红外和可见光显微成像,并采用对红外图像拉伸的方式降低红外和可见光图像对应特征点准确融合的难度。

Description

一种红外与可见光的双光显微成像系统及其图像融合方法
技术领域
本发明涉及显微热成像技术领域,特别涉及一种红外与可见光的双光显微成像系统及其图像融合方法。
背景技术
显微热成像技术不仅能够反映物体的温度分布情况,同时能够对细微结构进行热成像分析,因此在微型器件无损检测、集成电路板故障检测、医学诊断、科学研究领域得到了广泛应用。显微热成像系统属于无接触式测温,所以同时有着测温速度快、不会损坏待测物的优点。但是红外成像技术是利用物体辐射的红外光线进行成像的,所以只能对待测物的轮廓进行成像,无法清晰的反映待测物的细微结构;而可见光成像具有图像细节清晰、轮廓明显、噪声小等优点。目前主要是通过研究红外和可见光双光融合系统和图像融合方法,兼顾红外图像和可见光图像各自的优点以解决以上问题。
相关技术人员对双光融合系统和图像融合方法进行了大量研究,但是大多数基于望远模式的系统和融合方法研究。望远模式的红外成像系统景深很大,成像视场较宽,所成图像包含丰富的信息。而显微热成像的景深和成像视场都很小,所成图像包含的信息较少,而图像融合需要根据图像所含信息的特征点进行配准,所以显微热图像的图像融合配准难度更大;同时由于红外探测器技术的限制,目前市场上销售的红外探测器和可见光探测器的像素精度有着巨大差距,因此红外图像和可见光图像的尺寸相差较大,很难将红外和可见光图像对应特征点准确融合在一起;除此之外,在对同一场景分别用红外和可见光相机进行成像再融合时,会造成双光图像存在较大的角度偏差、图像扭曲严重等问题。以上问题都严重阻碍了红外和可见光双光融合系统和图像融合方法的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外与可见光的双光显微成像系统及其图像融合方法,以克服在对同一场景分别用红外和可见光相机进行成像再融合时,会造成双光图像存在较大的角度偏差、图像扭曲严重和红外图像和可见光图像的尺寸相差较大,红外和可见光图像对应特征点准确融合困难的技术缺陷。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种红外与可见光的双光显微成像系统,所述双光显微成像系统包括:分光镜,位于分光镜的透射光路上的红外显微物镜和红外探测器;位于分光镜的反射光路上的且与所述分光镜平行的反射镜,位于所述反射镜的反射光路上的可见光显微物镜和可见光探测器。
可选的,所述双光显微成像系统还包括微扫描器和光学平板;
所述光学平板固定在所述微扫描器上,所述微扫描器用于驱动所述光学平板旋转,所述光学平板设置在所述红外显微物镜和红外探测器之间,且与红外显微物镜的夹角为α;其中,α>0。
可选的,所述双光显微成像系统还包括光学平板支架;
所述光学平板通过所述光学平板支架固定在所述微扫描器上。
可选的,双光显微成像系统还包括双光共轴结构;
所述双光共轴结构包括主光筒、红外光筒和可见光光筒,所述分光镜设置于主光筒、红外光筒和可见光光筒的连通部位;
所述反射镜、所述可见光显微物镜和所述可见光探测器设置在所述可见光光筒内;
所述红外显微物镜、微扫描器、光学平板支架、光学平板和红外探测器设置在所述红外光筒内。
可选的,所述双光显微成像系统还包括系统支架;
所述双光共轴结构可调节的设置在所述系统支架上,所述系统支架固定在载物台,所述主光筒与载物台上的待测物体正对。
可选的,所述分光镜为透射红外光线并反射可见光光线的分光镜。
一种红外与可见光的双光显微成像系统的图像融合方法,所述图像融合方法包括如下步骤:
利用双光显微成像系统采集待测物体的具有相同视场和视角的可见光图像和红外图像;
在所述可见光图像的目标区域内选取两个特征点,作为第一特征点;
在所述红外图像的目标区域内选取与两个所述第一特征点相对应的两个特征点,作为第二特征点;
计算两个所述第一特征点之间的距离和两个所述第二特征点之间的距离的比值,作为红外图像的拉伸比例;
根据所述拉伸比例,对所述红外图像进行拉伸变换,获得变换后的红外图像;
将变换后的红外图像与所述可见光图像进行特征融合。
可选的,所述利用双光显微成像系统采集待测物体的具有相同视场和视角的可见光图像和红外图像,具体包括:
将待测物体对准双光显微成像系统的双光共轴结构的主光筒,并调节双光共轴结构在系统支架上的位置,使红外探测器可清晰观测到待测物体,固定双光共轴结构在系统支架上的位置,待可见光物镜完成自动调焦后,采集得到待测物体的可见光图像;
打开双光显微成像系统的微扫描器,使光学平板发生360度旋转,并控制红外探测器,在光学平板每旋转90度的位置采集一幅低分辨率的红外图像,获得4幅具有相对位移的低分辨率的红外图像;
对4幅所述红外图像进行插值融合,获得分辨率为低分辨率的红外图像的4倍的高分辨率的红外图像。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明公开了一种红外与可见光的双光显微成像系统及其图像融合方法,所述双光显微成像系统包括:分光镜,位于分光镜的透射光路上的红外显微物镜和红外探测器;位于分光镜的反射光路上的且与所述分光镜平行的反射镜,位于所述反射镜的反射光路上的可见光显微物镜和可见光探测器。本发明的双光显微成像系统设置有包含红外显微物镜和红外探测器等用于红外成像的红外成像组件,及包含可见光显微物镜和可见光探测器等用于可见光成像的可见光成像组件,可以对同一场景同时完成同一视角的红外和可见光显微成像,并采用对红外图像拉伸的方式降低红外和可见光图像对应特征点准确融合的难度。
本发明的双光显微成像系统还设置了微扫描器和光学平板,通过采集不同相角的多个红外图像并进行插值融合,使获得的红外图像和可见光图像的像素差距减小,降低了红外图像拉伸变换的难度,进一步降低了红外和可见光图像对应特征点准确融合的难度。
根据本发明的双光显微成像系统及其图像融合方法能够得到既包含待测目标清晰的细节还能够反映待测物体温度分布情况的双光融合图像。有利于完成微型电子器件和集成电路板的无损故障检测和性能分析。
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他的附图。
图1为本发明提供的一种红外与可见光的双光显微成像系统的结构图;
图2为本发明提供的4幅低分辨率的红外图像的相对位置示意图;
图3为本发明提供的由4幅低分辨率的红外图像插值融合得到高分辨率的红外图像的过程示意图;
图4为本发明提供的红外与可见光的双光显微成像系统的图像融合方法的流程图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种红外与可见光的双光显微成像系统及其图像融合方法,以克服在对同一场景分别用红外和可见光相机进行成像再融合时,会造成双光图像存在较大的角度偏差、图像扭曲严重和红外图像和可见光图像的尺寸相差较大,红外和可见光图像对应特征点准确融合困难的技术缺陷。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
如图1所示,本发明提供一种红外与可见光的双光显微成像系统,所述双光显微成像系统包括分光镜1、红外显微物镜2、微扫描器3、光学平板支架4、光学平板5、红外探测器6、反射镜7、可见光显微物镜8、可见光探测器9、系统支架10、载物台11。红外显微物镜2位于分光镜1和微扫描器3之间,透过红外光线,经光学平板5由红外探测器6接收;分光镜1位于共轴光路上,透过红外光线,反射可见光光线;所述反射镜7与分光镜1平行,使可见光光线发生二次反射,最后经可见光显微物镜8由可见光探测器9接收;光学平板5固定在光学平板支架4上,光学平板支架4固定在微扫描器3上;整个系统固定在系统支架10上,系统支架10固定在载物台11上。
分光镜1正对载物台11上的待测物体,分离红外光线和可见光,透过红外光线,反射可见光;所述反射镜7位于分光光路上,与分光镜1互相平行,保证可见光发生二次反射,传输到可见光组件(包括可见光显微物镜8、可见光探测器9)上;所述光学平板5固定在光学平板支架4上且具有一定的倾斜角度,由微扫描器3驱动光学平板发生旋转,使红外显微物镜2接收的红外光线在红外探测器6上发生相对位移;所述可见光显微物镜7具有自动调焦功能,能够将反射镜7反射的可见光光线聚焦在可见光探测器9上;所述系统固定在系统支架10上,可沿着支架上下移动,实现对红外成像的定焦。
本发明设置包含微扫描器和光学平板等用于微扫描的微扫描装置,通过采集不同相角的多个红外图像并进行插值融合,使获得的红外图像和可见光图像的像素差距减小,降低了红外图像拉伸变换的难度,进一步降低了红外和可见光图像对应特征点准确融合的难度。
如图4所示本发明还提供一种红外与可见光的双光显微成像系统的图像融合方法,包括以下步骤:
1、首先将待测物体对准双光共轴结构光筒,并调节系统的位置,直到红外组件清晰观测到待测物体为止,然后固定系统位置不动,待可见光物镜完成自动调焦后,得到可见光图像并保存;
2、在保存的可见光图像上选取目标区域,并在目标区域中选择两个特征点A、B;
3、打开微扫描器,使光学平板发生360度旋转,控制红外探测器,在光学平板每旋转90度的位置采集一幅低分辨率的红外图像,共计采集四幅具有相对位移的低分辨率的红外图像并保存,采集的四幅低分辨率红外图像依次标记为a、b、c、d,四幅图像的相对位置如图2所示;
4、将保存的四幅低分辨率红外图像进行插值融合,得到一幅分辨率为原来4倍的高分辨率红外图像,如图3所示的是依据图2所示的四幅低分辨率红外图像插值融合得到高分辨率红外图像过程的示意图;
5、在插值得到的高分辨率红外图像上选取和可见光图像相同的目标区域,并在红外图像上的目标区域中选择与可见光图像的特征点相对应的特征点A′、B′;
6、对高分辨率红外图像进行变换,因为在利用本发明所述的红外和可见光双光融合系统对待测物成像时,能做到红外相机和可见光相机对同一场景进行相同视角的成像,因此所采集的红外图像和可见光图像之间没有角度的偏差,不会造成双光图像的相对扭曲和旋转,仅存在由于红外探测器和可见光探测器像素精度的差距造成的尺寸差距,所以在变换时只需要对红外图像进行拉伸变换,首先计算可见光图像上的两个特征点A、B的距离LAB,然后计算红外图像上选取的与可见光相对应的特征点A′、B′的距离LA′B′,最后根据红外和可见光图像上对应特征点间距离的比值k=LAB/LA′B′,对高分辨率红外图像分别进行水平和竖直方向上的拉伸变换。
7、将变换后的红外图像和可见光图像进行融合。
与现有技术相比,本发明的收益效果是:该系统和方法能够对同一场景同时完成同一视角的红外和可见光显微成像,另外根据该系统采集的红外和可见光图像的像素差距较小,降低了后续伸缩变换的难度,同时根据该系统采集的红外图像分辨率更高,特征点更清晰,降低了后续图像配准的难度。根据该系统和方法能够得到既包含待测目标清晰的细节还能够反映待测物体温度分布情况的双光融合图像。有利于完成微型电子器件和集成电路板的无损故障检测和性能分析。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种红外与可见光的双光显微成像系统,其特征在于,所述双光显微成像系统包括:分光镜,位于分光镜的透射光路上的红外显微物镜和红外探测器;位于分光镜的反射光路上的且与所述分光镜平行的反射镜以及位于所述反射镜的反射光路上的可见光显微物镜和可见光探测器。
2.根据权利要求1所述的红外与可见光的双光显微成像系统,其特征在于,所述双光显微成像系统还包括微扫描器和光学平板;
所述光学平板固定在所述微扫描器上,所述微扫描器用于驱动所述光学平板旋转,所述光学平板设置在所述红外显微物镜和红外探测器之间,且与红外显微物镜的夹角为α;其中,α>0。
3.根据权利要求2所述的红外与可见光的双光显微成像系统,其特征在于,所述双光显微成像系统还包括光学平板支架;
所述光学平板通过所述光学平板支架固定在所述微扫描器上。
4.根据权利要求3所述的红外与可见光的双光显微成像系统,其特征在于,双光显微成像系统还包括双光共轴结构;
所述双光共轴结构包括主光筒、红外光筒和可见光光筒,所述分光镜设置于主光筒、红外光筒和可见光光筒的连通部位;
所述反射镜、所述可见光显微物镜和所述可见光探测器设置在所述可见光光筒内;
所述红外显微物镜、所述微扫描器、所述光学平板支架、所述光学平板和所述红外探测器设置在所述红外光筒内。
5.根据权利要求4所述的红外与可见光的双光显微成像系统,其特征在于,所述双光显微成像系统还包括系统支架;
所述双光共轴结构可调节的设置在所述系统支架上,所述系统支架固定在载物台上,所述主光筒与载物台上的待测物体正对。
6.根据权利要求4所述的红外与可见光的双光显微成像系统,其特征在于,所述分光镜为透射红外光线并反射可见光光线的分光镜。
7.一种红外与可见光的双光显微成像系统的图像融合方法,其特征在于,所述图像融合方法包括如下步骤:
利用双光显微成像系统采集待测物体的具有相同视场和视角的可见光图像和红外图像;
在所述可见光图像的目标区域内选取两个特征点,作为第一特征点;
在所述红外图像的目标区域内选取与两个所述第一特征点相对应的两个特征点,作为第二特征点;
计算两个所述第一特征点之间的距离和两个所述第二特征点之间的距离的比值,作为红外图像的拉伸比例;
根据所述拉伸比例,对所述红外图像进行拉伸变换,获得变换后的红外图像;
将变换后的红外图像与所述可见光图像进行特征融合。
8.根据权利要求7所述的红外与可见光的双光显微成像系统的图像融合方法,其特征在于,所述利用双光显微成像系统采集待测物体的具有相同视场和视角的可见光图像和红外图像,具体包括:
将待测物体对准双光显微成像系统的双光共轴结构的主光筒,并调节双光共轴结构在系统支架上的位置,使红外探测器可清晰观测到待测物体,固定双光共轴结构在系统支架上的位置,待可见光物镜完成自动调焦后,采集得到待测物体的可见光图像;
打开双光显微成像系统的微扫描器,使光学平板发生360度旋转,并控制红外探测器,在光学平板每旋转90度的位置采集一幅低分辨率的红外图像,获得4幅具有相对位移的低分辨率的红外图像;
对4幅所述红外图像进行插值融合,获得分辨率为低分辨率的红外图像的4倍的高分辨率的红外图像。
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