CN102788644B - 光学微扫描显微热成像***的自适应微扫描位置标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学微扫描显微热成像***的自适应微扫描位置标定方法，旨在使各个位置的标定精度都有提高，其技术方案的要点是：基于光学微扫描显微热成像***，微扫描四个位置构成一个四边形，分别以四边形对角点为一组将四个位置点分成两组，每组中的两个位置点以间隔180°旋转光学平板，然后基于图像之间的微位移计算标定角度来进行标定；标定每组为支点的初始位置：当一组对角点标定完成后以间隔90°旋转光学平板来进行下一组的标定，最终将四个点标定出来；基于光学微扫描显微热成像***，微扫描的四个位置点在分组进行标定时，事先对标定角设定一个阈值，对每个标定位置处的标定角分别进行自适应位置标定。

Description

光学微扫描显微热成像***的自适应微扫描位置标定方法

技术领域

本发明属于光电成像技术领域，涉及一种光学微扫描显微热成像***的2×2微扫描各位置自适应标定方法。

背景技术

显微热成像能够获得物体细部的微弱温度分布，在大规模集成电路芯片设计与检测、MEMS/MOEMS器件的热分析、生物医学方向诊断等领域具有广泛的应用前景。由于焦平面探测器空间离散采样以及探测器单元的空间积分效应等的影响，显微热成像一般属于欠采样成像，甚至接近光学衍射限成像。利用微扫描技术可在不改变探测器结构(增加探测器数目和减小探测器像元尺寸)的情况下，减小空间采样间距，增加了空间抽样率，从而减小图像中的频谱混淆，提高分辨率，改善热成像的图像质量。

在整个成像过程中，微扫描技术对同一场景进行多次采样，在保持视场不变的前提下焦平面阵列每次位移的尺寸是相同的，都是探测器间距的1/N（N为整数），最后得到的微扫描图像的像素数目是原来的N²倍，获得了场景的更多信息，从而大大提高***空间分辨率。

北京理工大学光电成像技术与******重点实验室采用光学平板旋转微扫描技术，实现了带有光学微扫描的显微热成像实验***(如图1所示)。在该***中，光学平板支座保证光学平板与成像***光轴保持一定倾角θ，当平板绕光轴进行方位角旋转时，会集光束的聚焦点将在成像面上形成以原像点为中心，Δ为半径的圆周(如图2所示)。如果以探测器阵列的直角坐标系为基准，旋转光学平板使其分别在45°、135°、225°和315°等4个位置进行图像采样，四个标准位置构成一个正立的正方形(如图3中粗实线)，且根据光学平板的折射率n，设计平板厚度d和倾斜角度θ，使(其中L为探测器单元的中心距)，则由此获得标准2×2微扫描模式下的4幅低分辨力欠采样图像。

但不论是***安装还是检测之后，由于各次安装属于可拆卸模式的成像组件的方位角不完全一致，每次安装后探测器方向与电控旋转平台的零点定位均存在一定的偏差。如果仍按安装位置来确定后续的旋转位置，进行2×2微扫描，则4个微扫描位置够不成正立的正方形(如图3中的双点划线)，因此难以得到标准2×2的微扫描模式下相互之间水平和垂直错位1/2探测器间距的4幅低分辨力图像，直接影响后续高分辨力图像的重构，无法提高***空间分辨力，有时分辨力甚至会降低。因此，需要对2×2微扫描零点(角度)位置进行新的标定，否则所采集的4幅图像微位移位置偏离标准2×2微扫描的正立正方形，过采样重构的图像质量比双线性放大的质量差，光学平板微扫描***的设计功亏一篑，***的空间分辨力得不到提高。

为解决上述问题，专利号为ZL200810183262.0的发明专利《零点定标方法及在光学微扫描显微热成像***中的应用》中提出了一种利用图像配准方法对相继旋转90°的两幅图像计算其微位移，继而利用几何方法标定微扫描初始位置点的方法，然后采用间隔90°的方法确定其它3个微扫描位置。该方法由于各种误差积累，造成四个微扫描位置所成的四边形偏离正立正方形。为此，同样根据图像配准理论和几何方法的申请号为2010106171933.7的发明专利《光学微扫描显微成像***的微扫描定标方法》中提出了一种基于相继旋转180°的两幅图像之间的微位移标定微扫描初始位置的方法，然后在每旋转90°后得到的其他位置上也进行一次标定，提高了微扫描器位置的标定精度。但在实验中我们发现：相继旋转180°标定初始位置后，虽然按照每旋转90°的方法进行标定但微扫描位置仍然会产生误差。这主要因为两方面，一方面是光学平板旋转的轨迹并不是一个标准的圆周；另一方面虽然在每个位置进行了标定，但是由于微扫描器旋转时角度不精确及环境温度变化的影响，使得实际微扫描位置与理想位置还是有偏差的，需要反复校正。因此，本专利将根据微位移成像的原理，利用几何方法，研究光学平板旋转微扫描***的各个扫描位置确定方法，提出了自适应位置标定方法。

发明内容

本发明针对《零点定标方法及在光学微扫描显微热成像***中的应用》（专利号为ZL200810183262.0）和《光学微扫描显微成像***的微扫描定标方法》（申请号为2010106171933.7）的不足之处，利用其微扫描位置标定原理，并依据《光学微扫描显微成像***的微扫描定标方法》之方法建立坐标系，并在其初始位置标定方法的基础上，提出了一种位置标定方法，目的是为了提供一种更为精确的微扫描各个位置的标定方法，从而更进一步提高***的空间分辨力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种光学微扫描显微热成像***的自适应微扫描位置标定方法，其步骤如下：

1）基于光学微扫描显微热成像***，微扫描四个位置构成一个四边形，分别以四边形对角点为一组将四个位置点分成两组，每组中的两个位置点以间隔180°旋转光学平板，然后基于图像之间的微位移计算标定角度来进行标定；

2）基于光学微扫描显微热成像***，微扫描的四个位置点在分组进行标定时，微扫描器旋转的角度越小所产生的误差越小，因此事先对标定角设定一个阈值，对每个标定位置处的标定角分别进行自适应位置标定，以得到更高的标定精度。

3）标定每组为支点的初始位置，微扫描安装位置P可能位于各个象限中，以P点在第一象限为例具体说明初始位置和对角线位置的标定方法：

①获得微扫描装置安装位置P(x_P，y_P)的图像I_P，旋转装置180°得到新位置Q(x_Q，y_Q)的图像I_Q，且Q点位于第三象限，则圆心O(x₀，y₀)的坐标如式(1)：

$x_0=\frac{x_Q-x_P}{2},$ $y_0=\frac{y_Q-y_P}{2}---\left(1\right)$

②将离Q点最近的C点作为微扫描初始位置点，基于图像配准计算I_P和I_Q之间的微位移，利用微位移求出∠QOC的大小就可求出初始标定角α，完成微扫描初始位置标定；为求该角度的大小过点P和Q分别做一条垂直线和水平线交于E点，得到初始位置标定角α：

③根据α与x₀／y₀的符号判定光学平板的旋转方向，如果α与x₀／y₀同号时逆时针旋转光学平板；当他们异号时顺时针旋转光学平板；

④设定一个标定角阈值，如果第②步中计算出的|α|大于此阈值，则光学平板按照第③步中确定的方向旋转|α|角，重新得到Q点图像I_Q，再次利用式(2)计算标定角α；如果|α|小于此阈值，则完成初始点自适应位置标定得到位置点C的图像I_C；

⑤初始位置标定完成后旋转光学平板180°找到其对角点，旋转后的点位于A点附近的M点，得到图像I_M。基于图像配准计算I_C和I_M之间的微位移，利用微位移求出∠MOA的大小就可求出与初始标定位置对应的位置标定角β。为求该角度的大小过点M和C分别做一条垂直线和水平线交于N点，得到标定角β：

⑥根据β与x₀／y₀的符号判定光学平板的旋转方向，如果β与x₀／y₀同号时逆时针旋转平板折射镜；当他们异号时顺时针旋转平板折射镜；

⑦如果第⑤步中计算出的|β|大于设定的阈值，则光学平板按照第⑥步中确定的方向旋转|β|角，重新得到M点图像I_M，再次利用式(3)计算标定角β；如果|β|小于此阈值，则完成与初始点相对角点位置的自适应标定得到位置点A的图像I_A；

4）当一组对角点标定完成后以间隔90°旋转光学平板来进行下一组的标定，最终将四个标准位置点自适应标定出来。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种光学微扫描显微热成像***的自适应微扫描位置标定方法，与现有技术相比，具有这样的有益效果：

实验证明光学平板旋转的轨迹并不是一个标准的圆周，因此本发明利用每间隔180°的位置点成对进行标定，而且每个位置的标定为自适应标定。本发明相对于现有技术在各个位置的标定精度都有提高，这样获得的四幅过采样图像经过合成，就可以得到原物体清晰的像，提高***的分辨力。

附图说明

图1是光学平板旋转微扫描显微热成像***；

图2是光学平板旋转微扫描示意图；

图3是2×2光学平板旋转微扫描器位置图；

图4是微扫描初始位置点标定示意图，其中(a)到(d)分别为初始位置位于第一、二、三、四象限的情况；

图5是与微扫描初始位置对角点标定示意图；

图6为另一组微扫描位置点的标定示意图；

图7为微扫描位置标定实验结果，其中细实线代表未标定的位置点，粗虚线代表本申请发明专利中所述方法的标定结果，粗实线为本发明方法的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

在图3中，虚线的圆是平板折射镜的理想运动轨迹，圆心是***光轴也是微扫描装置的旋转中心，OX与OY轴分别平行于探测器的边长，微扫描安装位置P可能位于各个象限中，如图4所示，以P点在第一象限为例具体说明各个位置的标定方法。

1)获得微扫描装置安装位置P(x_P，y_P)的图像I_P，旋转装置180°得到新位置Q(x_Q，y_Q)的图像I_Q，且Q点位于第三象限，则圆心O(x₀，y₀)的坐标如式(4)：

$x_0=\frac{x_Q-x_P}{2},$ $y_0=\frac{y_Q-y_P}{2}---\left(4\right)$

2)因为Q点位于第三象限，为避免微扫描装置旋转角度越大产生的误差越大，将离Q点最近的C点作为微扫描初始位置点。基于图像配准计算I_P和I_Q之间的微位移，利用微位移求出∠QOC的大小就可求出初始标定角α，完成微扫描初始位置标定。为求该角度的大小过点P和Q分别做一条垂直线和水平线交于E点，得到初始位置标定角α：

3)根据α与x₀／y₀的符号判定光学平板的旋转方向，如果α与x₀／y₀同号时逆时针旋转光学平板；当他们异号时顺时针旋转光学平板；

4)设定一个标定角阈值，如果第2)步中计算出的|α|大于此阈值，则光学平板按照第3)步中确定的方向旋转|α|角，重新得到Q点图像I_Q，再次利用式(2)计算标定角α；如果|α|小于此阈值，则完成初始点自适应位置标定得到位置点C的图像I_C；

5）初始位置标定完成后旋转光学平板180°找到其对角点，由于外界环境条件的不确定性，以及旋转台精密控制器或高精度自动旋转平台等的机械原因，即使初始位置点标定在理想位置点C，光学平板旋转180°后也不一定与理想位置点A重合。如图5所示，旋转后的点位于A点附近的M点，得到图像I_M。基于图像配准计算I_C和I_M之间的微位移，利用微位移求出∠MOA的大小就可求出与初始标定位置对应的位置标定角β。为求该角度的大小过点M和C分别做一条垂直线和水平线交于N点，得到标定角β：

6)根据β与x₀／y₀的符号判定光学平板的旋转方向，如果β与x₀／y₀同号时逆时针旋转平板折射镜；当他们异号时顺时针旋转平板折射镜；

7)同样，如果第5)步中计算出的|β|大于设定的阈值，则光学平板按照第6)步中确定的方向旋转|β|角，重新得到M点图像I_M，再次利用式(6)计算标定角β；如果|β|小于此阈值，则完成与初始点成对角位置点的自适应标定得到位置点A的图像I_A；

以上从第1)步到第7)完成了一组中两个点的自适应位置标定，此时光学平板在位置点A处。之后，以90°间隔逆时针旋转光学平板理论上应该到达B点，同样因为误差因素的影响使得该位置点也会产生偏差，我们将按照上述第1)到第4)的初始点位置自适应标定方法标定D点(如图4(b))，然后旋转光学平板180°按照上述第5)到第6)的对角点位置自适应标定的方法标定B点(如图6)。

总之，无论微扫描器的安装位置点P位于任何象限，我们将A、B、C、D四个微扫描位置点分成两组A、C和B、D，当完成一组位置点的标定以后，旋转光学平板90°，再来完成下一组位置点的标定。每一组第一点按初始位置自适应标定方法进行标定，标定角的计算如式(5)，光学平板旋转方向判断如第3)步所述；第二个点要旋转光学平板180°，按对角点自适应标定方法进行标定，标定角的计算如式(6)，光学平板旋转方向判断如第7)步所述。按照此方法，将两组位置点均标定出来。

至此，完成微扫描器四个位置点的全部自适应标定，标定结果如图7所示。

本发明的核心是解决已研制光学平板旋转微扫描显微热成像***的2×2微扫描4个点标定问题，并在此四个点采集4幅图像完成过采样重构，从而提高显微热成像***的空间分辨力。

Claims (1)

1.一种光学微扫描显微热成像***的自适应微扫描位置标定方法：其步骤如下：

1）基于光学微扫描显微热成像***，微扫描四个位置为A、B、C、D，微扫描四个位置构成一个四边形，分别以四边形对角点为一组将四个位置点分成两组A、C和B、D，每组中的两个位置点以间隔180°旋转光学平板，然后基于图像之间的微位移计算标定角度来进行标定；

2）基于光学微扫描显微热成像***，微扫描的四个位置点在分组进行标定时，微扫描器旋转的角度越小所产生的误差越小，因此事先对标定角设定一个阈值，对每个标定位置处的标定角分别进行自适应位置标定，以得到更高的标定精度；

3）标定每组为支点的初始位置，微扫描安装位置P可能位于各个象限中，以P点在第一象限为例具体说明初始位置和对角线位置的标定方法：

①获得微扫描装置安装位置P(x_P，y_P)的图像I_P，旋转装置180°得到新位置Q(x_Q，y_Q)的图像I_Q，且Q点位于第三象限，则圆心O(x₀，y₀)的坐标如式(1)：

圆心O是***光轴也是微扫描装置的旋转中心，OX与OY轴分别平行于探测器的边长；

②将离Q点最近的C点作为微扫描初始位置点，基于图像配准计算I_P和I_Q之间的微位移，利用微位移求出∠QOC的大小就可求出初始标定角α，完成微扫描初始位置标定；为求该角度的大小过点P和Q分别做一条垂直线和水平线交于E点，得到初始位置标定角α：

③根据α与x₀／y₀的符号判定光学平板的旋转方向，如果α与x₀／y₀同号时逆时针旋转光学平板；当他们异号时顺时针旋转光学平板；

④设定一个标定角阈值，如果第②步中计算出的|α|大于此阈值，则光学平板按照第③步中确定的方向旋转|α|角，重新得到Q点图像I_Q，再次利用式(2)计算标定角α；如果|α|小于此阈值，则完成初始点自适应位置标定得到位置点C的图像I_C；

⑤初始位置标定完成后旋转光学平板180°找到其对角点，旋转后的点位于A点附近的M点，得到图像I_M；基于图像配准计算I_C和I_M之间的微位移，利用微位移求出∠MOA的大小就可求出与初始标定位置对应的位置标定角β；为求该角度的大小过点M和C分别做一条垂直线和水平线交于N点，得到标定角β：

⑥根据β与x₀／y₀的符号判定光学平板的旋转方向，如果β与x₀／y₀同号时逆时针旋转平板折射镜；当他们异号时顺时针旋转平板折射镜；

⑦如果第⑤步中计算出的|β|大于设定的阈值，则光学平板按照第⑥步中确定的方向旋转|β|角，重新得到M点图像I_M，再次利用式(3)计算标定角β；如果|β|小于此阈值，则完成与初始点相对角点位置的自适应标定得到位置点A的图像I_A；

4）无论微扫描器的安装位置点P位于任何象限，将A、B、C、D四个微扫描位置点分成两组A、C和B、D，当完成一组位置点的标定以后，旋转光学平板90°，再来完成下一组位置点的标定；每一组第一点按初始位置自适应标定方法进行标 定，标定角的计算如式(2)，光学平板旋转方向判断如第③步所述；第二个点要旋转光学平板180°，按对角点自适应标定方法进行标定，标定角的计算如式(3)，光学平板旋转方向判断如第⑦步所述；按照此方法，将两组位置点均标定出来，最终将四个标准位置点自适应标定出来。