TWI537876B - Image processing method - Google Patents

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Description

影像處理方法
本發明是有關於一種影像處理方法，特別是指一種數位全像術之合成孔徑的影像處理方法。
數位全像術的超解析概念最早是由在樣本的後端放置一個光柵以轉折較大角度的繞射光波，記錄合成全像以產生突破正向孔徑(Normal Aperture)光學系統之繞射極限下的重建影像之空間解析度(Spatial Resolution)。習知數位全像術之合成孔徑(Synthetic Aperture)技術有透過機械式移動影像感測器、結合空間多工(Spatial Multiplexing)與非同調(Incoherent)、空間光調制器(Spatial Light Modulator；SLM)分光、超短脈衝雷射搭配時間與角度多工(Time-and Angular-Multiplexing)、時間多工、高速振鏡(Galvo Mirror)掃描等方式，產生大量的全像記錄以提升重建影像的空間解析度及相位靈敏度(Phase Sensitivity)。然而，對於有效率地重建影像之空間解析度及相位靈敏度的改善，仍存有改良的空間。
因此，本發明之目的，即在提供一種用於數位 全像術之合成孔徑技術的影像處理方法，以利用少量的全像記錄而提升重建影像的空間解析度及相位靈敏度。
於是，本發明影像處理方法，用於處理複數個相關於一個物件的全像影像並藉由一個影像處理裝置來實施，該等全像影像是由合成孔徑的技術所產生，該影像處理方法包含下列步驟：(a)將該等全像影像分別作傅立葉轉換以產生複數個分別對應該等全像影像的頻譜；(b)將該等頻譜相加以產生一個中間頻譜；(c)將該中間頻譜與一個相關於該頻域的權重函數相乘而獲得一個合成頻譜，該權重函數在該頻域上的每一個位置的值相關於該等頻譜在頻域上的分佈；及(d)將該合成頻譜作反傅立葉轉換以產生一個對應於該物件的重建全像影像。
本發明之功效是藉由該影像處理裝置根據該權重函數及該中間頻譜產生該合成頻譜，以獲得具有更佳的空間解析度及相位靈敏度的重建全像影像。
S1~S4‧‧‧步驟
1‧‧‧影像處理裝置
2‧‧‧雷射源
3‧‧‧第一遠焦成像系統
4‧‧‧第二遠焦成像系統
5‧‧‧影像感測器
6‧‧‧待測樣本
M1~M4‧‧‧面鏡
SF‧‧‧空間濾波器
BS1‧‧‧分光鏡
BS2‧‧‧分光鏡
GM‧‧‧高速振鏡
L1、L2‧‧‧透鏡
CL‧‧‧聚光鏡
MO‧‧‧顯微物鏡
U、V‧‧‧座標軸
O1~O3‧‧‧曲線
A1~A7‧‧‧區域
f1~f2‧‧‧距離
C1~C10‧‧‧曲線
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明影像處理方法之一實施例所適用的一光學系統；圖2是一流程圖，說明本發明影像處理方法之該實施例；圖3是一示意圖，說明該實施例之三個頻譜在頻域上的 分佈；圖4是一影像圖，說明該實施例之一重建全像影像的振幅影像之模擬結果；圖5是一曲線圖，說明該實施例之該重建全像影像的振幅影像之局部剖面結果；圖6是一曲線圖，說明由習知方法獲得的一重建全像影像的振幅影像之局部剖面結果；圖7是一曲線圖，說明分別由本發明及習知方法獲得的重建全像影像的振幅影像之局部剖面結果；圖8是一影像圖，說明該實施例之該重建全像影像的相位影像之模擬結果；圖9是一曲線圖，說明該實施例之該重建全像影像的相位影像之局部剖面結果；圖10是一曲線圖，說明由習知方法獲得的該重建全像影像的相位影像之局部剖面結果；圖11是一曲線圖，說明分別由本發明及習知方法獲得的重建全像影像的相位影像之標準差；及圖12是一曲線圖，說明分別由本發明及習知方法獲得的重建全像影像的相位影像的訊號雜訊比。
參閱圖1，本發明影像處理方法之實施例適用於處理複數個相關於一個待測樣本6的全像影像，且該等全像影像是由如圖1的一個光學系統所產生。該光學系統包含一個二極體泵激固態(Diode-Pumped Solid-State；DPSS)雷 射源2、一個空間濾波器(Spatial Filter)SF、二個分光鏡(Beam Splitter)BS1、BS2、一個高速振鏡(Galvo Mirror)GM、一個第一遠焦成像系統(Telescopic Imaging System)3、一個第二遠焦成像系統4、一個影像感測器5、及四個面鏡M1~M4。該第一遠焦成像系統3包括一個具有焦距為150mm的透鏡L1及一個具有數值孔徑(Numerical Aperture；NA)為1.4的聚光鏡(Oil-Immersed Condenser Lens)CL，該透鏡L1的前後焦距可以相等，也可以實質上相等，但有些微差異，該聚光鏡CL的前後焦距可以相等，也可以實質上相等，但有些微差異。該第二遠焦成像系統4包括一個顯微物鏡(Microscopic Objective)MO及一個具有焦距為150mm的透鏡L2。該顯微物鏡MO的前後焦距可以相等，也可以實質上相等，但有些微差異，該透鏡L2的前後焦距可以相等，也可以實質上相等，但有些微差異。
該二極體泵激固態雷射源2產生一個具有波長為532nm的雷射光，該雷射光先通過該空間濾波器SF以產生一個完成擴束且準直的平面波，再入射至該分光鏡BS1而分別輸出兩道光束。其中一道光束先通過該高速振鏡GM以改變入射的角度(相對於待測樣本6)，再經由該第一遠焦成像系統3進行角度放大，再穿透待測樣本6形成物光(Object Wave)，該物光再經由該第二遠焦成像系統4放大，再經過該分光鏡BS2後，投射(可包含成像或非成像方式)於該影像感測器5。另一道光束作為參考光同時入射至該影像感測器5，並與正向入射的物光維持離軸角度，以進行離 軸式(Off-Axis)全像記錄，並確保當藉由高速振鏡GM改變物光的入射角度時，該參考光仍然能維持在可消除零階與共軛項的離軸記錄架構。此外，如圖1中所示，該四個面鏡M1~M4僅用於改變雷射光的路徑，不在此限。
特別值得一提的是：在本實施例中，藉由該光學系統採用一種改良式的Mach-Zehnder干涉儀來實現一種以時間多工的方式完成掃描式的合成孔徑的技術，而能產生該等數位全像顯微術的全像影像。在其他實施例中，該等全像影像也能透過例如以機械式移動影像感測器、結合空間多工與非同調、空間光調制器分光、超短脈衝雷射搭配時間與角度多工、時間多工等其他合成孔徑的技術產生同軸(In-Line)或離軸架構下的穿透式或反射式全像記錄，不在此限。
參閱圖1與圖2，該影像處理方法是藉由一個影像處理裝置1處理該光學系統的該影像處理器所產生的該等全像影像，並包含步驟S1~S4。
於步驟S1，藉由該影像處理裝置1將該等全像影像分別作傅立葉轉換以產生複數個分別對應該等全像影像的頻譜。在本實施例中，每一頻譜以U、V、W分別表示三個維度，每一頻譜在一個三維(U-V-W)座標系統的一個點之座標(u,v,w)被定義為在二維頻域(U-V)的一個頻域位置(u,v)所對應的一個大小值為w。再參閱圖3，為方便說明起見，以三個全像影像的頻譜為例說明該三個頻譜在二維頻域上的分佈，而不顯示該等頻譜在W軸上的大小值。圓形 曲線O1所形成的範圍即為對應物光以正向入射該待測物體後與參考光形成的全像影像的頻譜之頻域範圍。圓形曲線O2所形成的範圍即為對應物光於一預定方向以入射角度θ x 入射至該待測物體後與參考光形成的全像影像的頻譜之頻域範圍。圓形曲線O3所形成的範圍即為對應物光於該預定方向以入射角度-θ x 入射至該待測物體後與參考光形成的全像影像的頻譜之頻域範圍。其中，圓形曲線O1~O3的半徑f1為該光學系統的截止頻率，圓形曲線O1之圓心與圓形曲線O2之圓心的距離f2及圓形曲線O1之圓心與圓形曲線O3之圓心的距離f2都為sin θ x /λ，也就是說，該距離f2為分別對應圓形曲線O2、O3所形成之範圍的頻譜相對於對應圓形曲線O1所形成之範圍的頻譜的頻譜偏移量，λ為雷射光的波長，在本實施例中為532nm。
於步驟S2，藉由該影像處理裝置1將該等頻譜相加以產生一個中間頻譜。再參閱圖3，該中間頻譜分佈在二維頻域上的頻域範圍即為由圓形曲線O1~O3的聯集所形成之範圍，且在該頻域範圍內的每一頻域位置(u,v)所對應的大小值即為包含該頻域位置(u,v)的全像影像之頻譜所對應的大小值相加。
於步驟S3，藉由該影像處理裝置1將該中間頻譜與一個相關於該頻域的權重函數相乘而獲得一個合成頻譜，該權重函數在該頻域上的每一個位置的值相關於該等頻譜在頻域上的分佈。更具體的說，在該中間頻譜分佈的頻域範圍內，該權重函數對應於每個頻域位置(u,v)的函數 值等於a/N(u,v)，N(u,v)為一個正整數且被定義為該等頻譜中，其頻域範圍會包含該頻域位置(u,v)的頻譜數量，a為一調節係數且0<a≦1。在該中間頻譜分佈的頻域範圍外，該權重函數為零。在本實施例中，以a=1為例作說明。
再參閱圖3，承續前面的例子，當(u,v)在區域A4時，只有被一個頻譜的頻域範圍所包含，即對應圓形曲線O2的頻譜，此時權重函數為1。當(u,v)在區域A5時，只有被一個頻譜的頻域範圍所包含，即對應圓形曲線O3的頻譜，此時權重函數為1。當(u,v)在區域A6、A7時，只有被一個頻譜的頻域範圍所包含，即對應圓形曲線O1的頻譜，此時權重函數為1。當(u,v)在區域A1時，被二個頻譜的頻域範圍所包含，即對應圓形曲線O1、O2的二個頻譜，此時權重函數為1/2。當(u,v)在區域A2時，被二個頻譜的頻域範圍所包含，即對應圓形曲線O1、O3的二個頻譜，此時權重函數為1/2。當(u,v)在區域A3時，被三個頻譜的頻域範圍所包含，即對應圓形曲線O1~O3的三個頻譜，此時權重函數為1/3。當(u,v)在區域A1~A7之外的頻域範圍時，該權重函數為零。
參閱圖1與圖2，於步驟S4，藉由該影像處理裝置1將該合成頻譜作反傅立葉轉換以產生一個對應於該待測樣本6的重建全像影像。特別值得一提的是：步驟S2及步驟S3的順序可以對調，也就是說，先將該等頻譜分別與該權重函數相乘而得到複數個暫時頻譜，再將該等暫時頻譜相加也會得到一樣結果的該合成頻譜。
圖4及圖8是藉由一電腦模擬圖1的該光學系統，以產生三個全像影像後，再藉由該影像處理器實施該影像處理方法所獲得的該重建全像影像之分析。圖11及圖12則是藉由一電腦模擬圖1的該光學系統，在產生不同數量的全像影像的情況下，分別藉由該影像處理器實施該影像處理方法所獲得的該重建全像影像之分析。該待測樣本6為具有3.4微米(μm)、2.6微米(μm)、1.6微米(μm)、0.8微米(μm)四種線寬的振幅影像及相位影像。
參閱圖4與圖5，圖4是該重建全像影像的振幅影像的模擬結果，其中，X軸及Y軸是該待測樣本6在二維空間中的位置，單位為微米(μm)，並以顏色深淺顯示各個位置的振幅大小。圖5是對應圖4中位置Y=22且-7≦X≦7的振幅大小。圖5的曲線C1是該待測樣本6之原始的振幅變化，曲線C2是該重建全像影像的振幅變化。
參閱圖6，圖6類似圖5，差別在於圖6是由習知方法，即相當於步驟S2之中間頻譜作反傅立葉轉換的另一個重建全像影像之振幅影像的局部剖面結果。圖6的曲線C1也是該待測樣本6之原始的振幅變化，曲線C3是該另一個重建全像影像的振幅變化。
參閱圖5至圖7，圖7是圖5及圖6在X軸介於-1.7微米(μm)與0.3微米(μm)之間的局部放大圖。由圖5至圖7可以明顯看出在該待測樣本6之線寬的邊界處，經由該影像處理方法所產生的該重建全像影像之振幅的邊界斜率比習知方法所產生的該另一個重建全像影像之振幅的 邊界斜率更接近該待測樣本6之原始的振幅的邊界斜率。
參閱圖8與圖9，圖8是該重建全像影像的相位影像的模擬結果，其中，X軸及Y軸是該待測樣本6在二維空間中的位置，單位為微米(μm)，並以顏色深淺顯示各個位置的相位大小。圖9是對應圖8中位置Y=22且-7≦X≦7的相位大小。圖9的曲線C4是該待測樣本6之原始的相位變化，曲線C5是該重建全像影像的相位變化。
參閱圖10，圖10類似圖9，差別在於圖10是由習知方法，即相當於步驟S2之中間頻譜作反傅立葉轉換的另一個重建全像影像之相位影像的局部剖面結果。圖10的曲線C4也是該待測樣本6之原始的相位變化，曲線C6是該另一個重建全像影像的相位變化。
參閱圖9與圖10，可以明顯看出在該待測樣本6之線寬變化較密集處(介於X軸的-6及0之間)，經由該影像處理方法所產生的該重建全像影像之相位變化比習知方法所產生的該另一個重建全像影像之相位變化更接近該待測樣本6之原始的相位變化，而達成一種高頻增強的補償效果。而在該待測樣本6之線寬變化較平緩處(介於X軸的0及6之間)，經由該影像處理方法所產生的該重建全像影像之相位變化比習知方法所產生的該另一個重建全像影像之相位變化更接近該待測樣本6之原始的相位變化，而達成一種低頻抑制的補償效果。
由上述的說明及圖4至圖10的比較，可以看出經由該影像處理方法所產生的該重建全像影像相較於習知 方法所產生的該另一個重建全像影像具有較佳的空間解析度。
參閱圖11，圖11是一曲線圖，曲線C7、C8分別說明由該影像處理方法所產生的該重建全像影像及習知方法所產生的另一個重建全像影像之相位影像的標準差。其中，橫軸表示不同數量的全像影像被合成為該重建全像影像，縱軸為相位標準差，單位為徑度(rad.)，其計算方式是將對應的相位影像中，先扣除位於該待測樣本6的原始位置的部分，再將該相位影像的其餘部分作標準差分析而得。
參閱圖12，圖12是一曲線圖，曲線C9、C10分別說明由該影像處理方法所產生的該重建全像影像及習知方法所產生的另一個重建全像影像之相位影像的訊號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio；SNR)。其中，橫軸表示不同數量的全像影像被合成為該重建全像影像，縱軸為訊號雜訊比的比值，其計算方式是將對應的相位影像中，將位於該待測樣本6的原始位置的部分視為訊號，再將該相位影像的其餘部分視為雜訊，再計算訊號與雜訊的比值而得。
由上述的說明及圖11與圖12的比較，可以看出經由該影像處理方法所產生的該重建全像影像相較於習知方法所產生的該另一個重建全像影像，不論是藉由多少數量的全像影像來產生重建全像影像，都能夠在其相位影像的標準差影響很小的情況下，有效提升其相位影像的訊號雜訊比，而具有較佳的相位靈敏度。
綜上所述，藉由該影像處理裝置1實施該影像處理方法，而將複數個經由合成孔徑之技術的全像影像在頻域上根據該權重函數產生該合成頻譜，再將該合成頻譜轉換成該重建全像影像，以實現運用少量的全像記錄就能有效率地獲得具有更佳的空間解析度及相位靈敏度的重建全像影像，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
S1~S4‧‧‧步驟

Claims (5)

  1. 一種影像處理方法，用於處理複數個相關於一個物件的全像影像並藉由一個影像處理裝置來實施，該等全像影像是由合成孔徑的技術所產生，該影像處理方法包含下列步驟：(a)將該等全像影像分別作傅立葉轉換以產生複數個分別對應該等全像影像的頻譜；(b)將該等頻譜相加以產生一個中間頻譜；(c)將該中間頻譜與一個相關於該頻域的權重函數相乘而獲得一個合成頻譜，該權重函數在該頻域上的每一個位置的值相關於該等頻譜在頻域上的分佈；及(d)將該合成頻譜作反傅立葉轉換以產生一個對應於該物件的重建全像影像。
  2. 如請求項1所述的影像處理方法，其中，該等頻譜、該中間頻譜及該合成頻譜的每一者的頻域為一個二維頻域，並以U、V、W分別表示該等頻譜、該中間頻譜及該合成頻譜的每一者的三個維度，該等頻譜、該中間頻譜及該合成頻譜的每一者在一個三維(U-V-W)座標系統的一個點之座標(u,v,w)被定義為在該二維頻域的一個頻域位置(u,v)所對應的一個大小值為w。
  3. 如請求項2所述的影像處理方法，其中：在步驟(a)中，該等頻譜在頻域上分別分佈在對應的頻域範圍；及在步驟(c)中，在該中間頻譜分佈的頻域範圍內，該 權重函數對應於每個頻域位置(u,v)的函數值等於a/N(u,v)，N(u,v)為一個正整數且被定義為該等頻譜中，其頻域範圍會包含該頻域位置(u,v)的頻譜數量，0<a≦1，在該中間頻譜分佈的頻域範圍外，該權重函數為零。
  4. 如請求項3所述的影像處理方法，其中，在步驟(c)中，a=1。
  5. 一種影像處理方法，用於處理複數個相關於一個物件的全像影像並藉由一個影像處理裝置來實施，該等全像影像是由合成孔徑的技術所產生，該影像處理方法包含下列步驟：(a)將該等全像影像分別作傅立葉轉換以產生複數個分別對應該等全像影像的頻譜；(b)將該等頻譜分別與一個相關於該頻域的權重函數相乘而獲得複數個中間頻譜，該權重函數在該頻域上的每一個位置的值相關於該等頻譜在頻域上的分佈；(c)將該等中間頻譜相加以產生一個合成頻譜；及(d)將該合成頻譜作反傅立葉轉換以產生一個對應於該物件的重建全像影像。
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