CN1961568A

CN1961568A - 成像系统

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Publication number: CN1961568A
Application number: CNA2005800180215A
Authority: CN
Inventors: M·A·A·奈尔; P·M·W·弗伦奇
Original assignee: Imperial College Innovations Ltd
Current assignee: Ip2ipo Innovations Ltd
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: GB0412197D0; US20070273784A1; US8269881B2; ATE517508T1; JP2008501268A; GB2414881A; WO2005120044A1; EP1751972B1; CN1961568B; JP4589965B2; EP1751972A1

Abstract

一种成像装置，包括：空间光调制器(30)，其可操作用来接收表示入射光图像的入射光(34)，并且对所述入射光进行强度调制以形成空间调制光(38)；以及图像捕获装置(42)，其可操作用来接收所述空间调制光，并且检测所述空间调制光的不同部分的强度值以从其中形成调制光的图像；其中所述空间光调制器按不同比例衰减所述入射光的不同部分，以使所述入射光图像的强度值通过由所述图像捕获装置所捕获的所述调制光图像的强度值和表示通过所述空间光调制器施加到所述入射光图像的相应部分的衰减比例的数据的组合来给出。

Description

成像系统

本发明涉及一种成像装置和方法。

目前，存在许多宽视场成像装置，例如电荷耦合器件(CCD)照相机和图像增强器。许多这种成像装置具有可用来改善所得到的输出图像的质量的可控设置。这些设置允许成像装置被用于各种类型的入射图像。一种这样的设置是成像装置的“增益”，其充当强度倍增器，并且可以用于帮助区分具有相似值的入射强度，从而曝光细节。另一种装置设置是“曝光时间”或“积分时间”，其控制入射光促成所得到的图像的时间周期。当捕获微弱物体或暗物体时，增益和曝光的设置特别有用。

附图中的图1是由诸如CCD照相机之类的成像装置捕获的入射图像的光强度的示例曲线图。该入射图像具有宽范围的强度值。大多数强度采样10具有相对较低的强度值，从而表示相对较暗的区域。然而，存在表示高强度级的入射光的强度采样12的区域。附图中的图2是穿过图1的曲线图的示例横截面。

当入射图像同时具有低光强度的暗区域和高光强度的亮区域时，如图1所示，可能出现问题。如果成像装置的积分时间太长，则有可能使其变得饱和，即对于高光强度12的区域，该成像装置失去它对入射光的(线性)响应度，并且与高光强度12的区域相关的强度采样值采用最大值。附图中的图3是在出现饱和时强度值的示例曲线图。线20是曝光期间入射在成像装置上的光的(积分)强度的曲线。值I_max是成像装置可精确记录的最大(积分)强度值。因此，线22表示所得到的捕获的入射光(积分)强度，其中(积分)强度值被限制成至多是I_max，从而导致细节的损失。

当积分时间被设置得太长时，可能出现更多的问题。对于诸如CCD照相机之类的一些成像装置，可能出现称为“散焦(blooming)”的效应，其中一旦对于一些采样的强度值已经达到了饱和水平，就把高值错误地赋予饱和区域周围的采样。

因此，重要的是确保成像装置的积分时间被正确地设置，这取决于入射光图像。附图中的图4是类似于图3的(积分)强度值的示例曲线图，但是其中减少了积分时间。线24表示由成像装置在减少的积分期间内捕获的(积分)强度值。因为减少了积分时间，所以现在最大的捕获(积分)强度接近于最大可能的捕获(积分)强度I_max。

图4还表示在成像装置利用可控增益设置时(积分)强度值的示例曲线，该增益设置充当强度倍增器。代替调节积分时间，可以调节该增益设置来减少捕获的(积分)强度值，从而产生根据线24的捕获的(积分)强度值。

虽然减少成像装置的积分时间或增益设置对于精确地捕获具有高强度值的入射图像区域是有用的，但是，这种调节对于具有低强度值的入射图像区域的捕获可能具有负面影响。附图中的图5是来自图4的强度值范围26的强度值的特写曲线，该范围26对应于具有低(积分)强度值的入射图像的不大明亮的部分。当已经将成像装置设置成采用了减少的积分时间或减少的增益设置时，入射光20的(积分)强度的信号水平比捕获的光24的强度的信号水平大得多。这会导致细节的显著丢失。例如，如果捕获的强度被数字化，那么用来描述低强度区域的有效位数少于如果对于成像装置已经选择了较长积分时间或较高增益设置而将使用的有效位数。此外，低水平信号会受到噪声的干扰，以致降低强度信息。

因此难于捕获同时具有高和低光强度区域的入射图像。调节成像装置的增益设置或积分时间以适应高光强度可能对与低光强度区域对应的捕获的强度的质量/分辨率具有不利影响。

通过其动态范围来描述成像探测器具有的精确地记录图像内的高强度和低强度信号的信息的能力。

当一系列电子记录的图像要被处理以产生最终图像时，可能恶化有限的动态范围这一问题。不变地，由于强度通常需要被归一化以说明一系列图像之间的变化，所以处理一系列图像将进一步减小最终图像的动态范围。例如，这可能在荧光寿命成像中出现，其中诸如标记染料之类的荧光分子用于标识具有确定特性的区域，并且光学成像技术用于产生荧光团随着时间的定位图。

由有限的动态范围产生的另一问题可能在例如将背景从图像中除去的处理期间出现。它可能是背景具有比感兴趣区域更大幅度的情况。因此，当背景被除去时，所得到的图像具有的动态范围是原始成像装置的动态范围的一小部分。

解决这一问题的已知方法是利用具有尽可能大的动态范围的成像装置，从而在允许以足够细节再现微弱区域或暗区域的同时允许再现亮区域。CCD照相机通常限于16位的像素位深。通常，较高动态范围的成像装置更昂贵且更慢。

因此，需要一种能够以足够的动态范围再现具有宽范围的强度值的入射图像的成像系统，所述入射图像例如是其中微弱物体或暗物体接近亮物体的图像。

根据一个方面，本发明提供一种成像装置，该成像装置包括：

空间光调制器，其可操作用来接收表示入射光图像的入射光，并且对所述入射光进行强度调制以形成调制光；以及

图像捕获装置，其可操作用来接收所述空间调制光，并且检测所述调制光的不同部分的强度值以从其中形成调制光图像；其中

所述空间光调制器按不同比例衰减所述入射光的不同部分，以使所述入射光图像的强度值通过由所述图像捕获装置所捕获的所述调制光图像的强度值和表示由所述光调制器施加到所述入射光图像的相应部分的衰减比例的数据的组合来给出。

本发明认识到：通过将入射图像强度调制成减少的动态范围的调制图像，较低动态范围的成像装置可用来记录图像。这允许更廉价和更快速的较低动态范围的成像装置的使用。光调制器的动态范围有效地增大了图像捕获装置的动态范围。可以记录在调制过程期间所使用的设置，以用于稍后对捕获的图像的解释。

在优选实施例中，空间光调制器被用来产生调制光，该调制光与入射光的强度值范围相比具有减少的强度值范围。这种实施例允许使用具有小于入射光的强度值范围的动态范围的图像捕获装置来捕获调制光。由于诸如CCD照相机之类的具有大动态范围的捕获装置既昂贵又慢，所以以这种方式使用了光调制器的本发明的实施例比下述成像装置既廉价又快速，该成像装置使用了具有大得足以精确地捕获未调制的入射光的全部范围的动态范围的图像捕获装置。

此外，虽然本发明的实施例可以使用光调制器来产生具有强度值的任意动态范围的调制光，但是，本发明的优选实施例使用光调制器来产生具有与捕获装置的动态范围相匹配的强度值的动态范围的调制光。在这种情况下，捕获装置被最有效地使用。如果调制光的强度值范围小于捕获装置的动态范围，那么将浪费与捕获的图像相关的带宽，并且捕获的图像可能没有其他可能的方式详细。如果调制光的强度值范围大于捕获装置的动态范围，那么有可能仍然存在同样的问题，即能够精确地捕获具有大强度值范围的图像。

本发明进一步优选的实施例包括反馈控制器，该反馈控制器对由图像捕获装置捕获的调制光图像的强度值进行响应，并且可操作用来控制由光调制器实施的衰减。该反馈控制器提供了附加的优点，因为它能够控制光调制器如何根据入射光图像来衰减入射光图像的不同部分。因此，它能够控制光调制器，以企图产生最适合于图像捕获装置的调制光图像。例如，该反馈控制器可以控制光调制器，以使调制光的强度值的动态范围匹配图像捕获装置的动态范围。该反馈控制器可操作用来基于每幅图像来控制光调制器，从而允许成像装置适当地适应任何给定的入射光。

在优选实施例中，图像捕获装置是2维阵列探测器，例如CCD阵列或CMOS探测器阵列。对于利用相干光成像，优选实施例包括(a)单个或几个通道的探测器，例如光电二极管或光电倍增管，或(b)双光子探测器，用来采样指示入射光强度分布均匀程度的光信号。优选的相干成像实施例将利用在光圈后面的单个或几个通道单光子探测器或者位于空间调制光图像的傅里叶平面的双光子(强度相关的)探测器。提供对调制器的反馈以使它产生均匀的输出图像的单个或几个通道的探测器的应用，开启了能够探测在宽视场成像中通常不可能的波长的可能性，例如在只有单个或几个通道的探测器可用的波长。

从另一方面来看，本发明提供一种成像方法，该方法包括以下步骤：

接收表示入射光图像的入射光；

对所述入射光进行强度空间调制以形成调制光；

捕获所述调制光；以及

探测所述捕获的调制光的不同部分的强度值以从其中形成调制光图像；其中

所述强度空间调制按不同比例衰减所述入射光的不同部分，以使所述入射光图像的强度值通过所述捕获的调制光图像的强度值和表示施加到所述入射光图像的相应部分的衰减比例的数据的组合来给出。

现在将参考附图仅用示例的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1是要由成像装置捕获的入射图像的光强度的示例曲线图；

图2是穿过图1的曲线图的示例横截面；

图3是在出现饱和时强度值的示例曲线图；

图4是类似于图3的强度值的示例曲线图，但是其中减少了积分时间；

图5是来自图4的强度值范围的强度值的特写曲线图；

图6示意性地说明连接到光调制器的捕获装置；

图7是空间光调制器可以如何调制入射光的示例曲线图；

图8示意性地说明在调制光图像的傅里叶平面内利用位于光圈后面的单通道探测器的成像装置；以及

图9示意性地说明在调制光图像的傅里叶平面内利用双光子探测器的成像装置。

图6示意性地说明设置成从空间光调制器(SLM)30接收光的捕获装置42。SLM 30接收入射光34，调制该入射光34(减少强度)并输出调制光38。基本上，动态范围的(一些)负担从捕获装置42被转移到SLM 30。一个示例应用可以是在着火的建筑物中成像。还有许多生物医学应用，例如在视场中存在多于一种的荧光物质并且一种物质发荧光比另一种亮得多时的荧光成像。具体的应用包括光谱分辨成像和荧光寿命成像，对于它们而言，存在最小的动态范围需要以允许记录的荧光分布图的准确拟合。这在一种荧光物质可能是微弱的而另一种正在使成像探测器饱和时极富挑战性。

将会理解，存在许多不同类型的光调制器，并且它们可与捕获装置42一起使用。在该示例实施例中，使用了SLM 30。SLM是本技术领域公知的，并且这里将不进行更加详细的描述。不过简单地说，SLM30可操作用来根据入射光图像中的入射光采样的空间位置来调制入射光强度的值。例如，SLM 30可被配置成将入射光34的左一半调制成比入射光34的右一半更大的范围。SLM 30还能够基于逐个像素有选择地调制光。

图7是入射光34可以如何被SLM 30调制的示例曲线图。曲线图7a是与图1中相同的入射图像的强度值的曲线图。正如在图1中，在入射图像中存在低强度值的区域10，并且在入射图像中存在高强度值的区域12。

曲线图7b是要由SLM 30施加的调制的程度的曲线图。注意，SLM30已被设置成对较高入射光强度的区域12施加较高水平的调制。然而，该调制水平不必精确地匹配入射光强度，并且有可能将低强度级调制成比较高强度级更大的范围，因为调制水平取决于空间位置。

对于根据曲线图7b设置的SLM 30的调制水平，调制光38的强度级在曲线图7c中进行说明。可以看出，调制光38的动态范围明显低于入射光34的动态范围。

因此，可以设置SLM 30来产生比入射光34具有更低动态范围的调制光38，从而允许使用减少的动态范围的捕获装置42。通常，具有减少的动态范围的这种捕获装置42比具有较高动态范围的类似装置更廉价且更快速。当然，为了解释捕获的调制光，有必要知道施加于入射光34的调制程度。因此，SLM 30具有其固有的动态范围，并且图6的布置可以看作是将一些动态范围“负担”从捕获装置42转移到SLM30。例如，32位的捕获图像可以与来自捕获装置42的16位动态范围和来自SLM 30的16位动态范围相对应。

如果调制光38的动态范围匹配捕获装置42的动态范围，那么这是优选的。如果SLM 30调制入射光34过多，那么捕获装置42的动态范围未被最有效地使用。然而，如果SLM 30没有充分地调制入射光34，那么捕获装置42有可能仍将难以精确地捕获具有宽范围强度级的入射图像。

图6中还示出了反馈通道43。捕获装置42通过连接46被连接到计算机44。计算机44分析由捕获装置42捕获的调制光38，并通过反馈通道43发送控制信号给SLM 30。计算机44进行工作以通过调节SLM 30如何调制入射光34来改善所得到的捕获图像。这些调节的目的是产生最适合于捕获装置42的调制光38。例如，计算机44可以反复控制由SLM 30施加的调制，直到调制光38的强度值的动态范围匹配捕获装置42的动态范围。

当SLM 30有选择地使对应于序列中一个接一个的各个像素的光通过时，图8的示例实施例使用一个或多个单通道探测器50来记录从SLM 30输出的信号，并提供适当的反馈以实现准均匀探测强度。因此，可以利用单个或几个通道的探测器50实现相干光成像。在不存在可用的宽视场成像探测器的情况下，这允许利用外来的单个或几个通道的探测器50进行成像。注意，入射图像34被认为是相干的。相干图像的产生可以是所使用的成像系统的自然结果，或者非相干图像可以通过使用光学寻址的空间光调制器或光折变(photo-refractive)装置被转换成相干图像。

单通道探测器50可以是位于空间滤波器之后的探测器，平面波(准均匀图像)通过该空间滤波器将被最有效地耦合。例如，这可以是光纤耦合探测器。空间滤波器简单地是在焦(傅里叶)平面具有孔径(针孔)53的透镜51。第二探测器可以用来探测由该针孔拒绝的光以提供第二信号，与第一信号(通过该针孔收集的)相比，该第二信号可用来给出与空间光调制器的总衰减无关的调制图像的均匀性的更好测量。

可替换地，调制光38可通过透镜51被聚焦到傅里叶平面的2光子探测器52上，如图9所示。2光子探测器52的输出是入射强度的非线性函数，因此，当入射图像是平面波或均匀图像时，这将产生最大信号。这种方法已经被用来在共焦显微镜实验中提供有效的“针孔探测器”(例如，参见“Transmission confocal laser scanning microscopy witha virtual pinhole based on nonlinear detection”，C.Yang and J.Mertz，OPTICS LETTERS/Vol.28(2003)224-6)。

这种方法还具有下述有用的特征，即探测器对入射辐射波长的一半将是敏感的。因此，例如它可以用于近中红外成像应用。

图8和图9的示例实施例的主要应用将是，在没有适当的成像探测器可用的情况下，或者在它们非常昂贵或者不是很灵敏的情况下，采用单通道探测器或2光子探测器来实现全视场成像。一个应用将是中红外成像(长于1.8μm)，其中存在非常少可用的探测器，这些的确存在的探测器往往是非常昂贵的。

在没有成像探测器可用的情况下，双光子探测器可以允许在半波长处适当的探测器的使用。

还可以利用非线性和频产生方案，其中功率本地振荡器与输入辐射进行混合以产生可探测的信号。在成像探测器中的单通道探测器中实施这点将容易得多。

Claims

1、一种成像装置，包括：

空间光调制器，其可操作用来接收表示入射光图像的入射光，并且对所述入射光进行强度调制以形成空间调制光；以及

图像捕获装置，其可操作用来接收所述空间调制光，并且检测所述空间调制光的不同部分的强度值以从其中形成调制光图像；其中

所述空间光调制器按不同比例衰减所述入射光的不同部分，以使所述入射光图像的强度值通过由所述图像捕获装置所捕获的所述调制光图像的强度值和表示通过所述空间光调制器施加到所述入射光图像的相应部分的衰减比例的数据的组合来给出。

2、如权利要求1所述的成像装置，其中所述空间光调制器被控制以便减少所述调制光图像的强度值的动态范围。

3、如权利要求1和2中任何一项所述的成像装置，其中所述空间光调制器被控制以便使所述调制光图像的强度值的动态范围与所述图像捕获装置的动态范围相匹配。

4、如在前权利要求中任何一项所述的成像装置，包括反馈控制器，该反馈控制器对由所述图像捕获装置所捕获的所述调制光图像的强度值进行响应，以控制由所述空间光调制器施加到所述入射光图像的相应不同部分的衰减比例。

5、如在前权利要求中任何一项所述的成像装置，其中所述图像捕获装置包括CCD阵列。

6、如权利要求1到4中任何一项所述的成像装置，其中所述图像捕获装置是单个或几个通道的探测器，以及所述光调制器选择所述入射光的一部分来探测。

7、如权利要求6所述的成像装置，其中所述单通道探测器是下述之一：

光电二极管；以及

光电倍增管。

8、如权利要求1到4中任何一项所述的成像装置，其中所述图像捕获装置是双光子探测器，以及所述光调制器选择所述入射光的一部分来探测。

9、如在前权利要求中任何一项所述的成像装置，其中入射的非相干光图像被转换成入射到该空间光调制器上的相干光图像。

10、如在前权利要求中任何一项所述的成像装置，其中利用下述之一来将入射的非相干光图像转换成入射到该空间光调制器上的相干光图像：

(i)光学寻址的空间光调制器；或

(ii)光折变装置。

11、一种成像方法，包括以下步骤：

接收表示入射光图像的入射光；

对所述入射光进行强度空间调制以形成空间调制光；

捕获所述空间调制光；以及

检测所述捕获的调制光的不同部分的强度值以从其中形成调制光图像；其中

12、如权利要求11所述的成像方法，其中通过空间光调制器来执行所述强度空间调制。

13、如权利要求11和12中任何一项所述的成像方法，其中控制所述强度空间调制以便减少所述调制光图像的强度值的动态范围。

14、如权利要求11、12和13中任何一项所述的成像方法，其中控制所述强度空间调制以便使所述调制光图像的强度值的动态范围与捕获所述调制光的所述步骤相关的动态范围相匹配。

15、如权利要求11到14中任何一项所述的成像方法，包括根据所述调制光图像的强度值来控制由所述强度空间调制施加到所述入射光图像的相应不同部分的衰减比例的另一步骤。

16、如权利要求11到15中任何一项所述的成像方法，其中通过CCD阵列来执行捕获所述调制光的所述步骤。

17、如权利要求11到15中任何一项所述的成像方法，其中通过单个或几个通道的探测器来执行捕获所述调制光的所述步骤，以及所述强度调制还包括选择所述入射光的一部分来探测。

18、如权利要求17所述的成像方法，其中所述单通道探测器是下述之一：

光电二极管；以及

光电倍增管。

19、如权利要求11到15中任何一项所述的成像方法，其中通过双光子探测器来执行捕获所述调制光的所述步骤，以及所述强度调制还包括选择所述入射光的一部分来探测。

20、如权利要求11到19中任何一项所述的成像方法，其中入射的非相干光图像被转换成入射到该空间光调制器上的相干光图像。

21、如权利要求11到20中任何一项所述的成像方法，其中利用下述之一来将入射的非相干光图像转换成入射到该空间光调制器上的相干光图像：

(i)光学寻址的空间光调制器；或

(ii)光折变装置。