CN107077722A - 图像捕获装置及图像捕获方法 - Google Patents

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Abstract

出于图像记录目的，以多个照明角度对物体进行照明。检测器针对所述多个照明角度而捕获所述物体的多个图像(41‑43)。电子评估装置对所述多个图像(41‑43)应用图像校正，所述图像校正包括纠正(T1、T2、T3)，其中所述纠正(T1、T2、T3)取决于在记录相应的所述图像(41‑43)时所使用的所述照明角度。可将经校正图像(44‑46)相组合。

Description

图像捕获装置及图像捕获方法
技术领域
本发明的实例性实施例涉及用于记录图像的设备及方法。具体来说，实例性实施例涉及那些有利于对光学像差进行计算校正的设备及方法。
背景技术
现代光学***应满足在图像品质方面越来越严格的要求。应通过对光学***的配置保持为低的重要像差包括例如场曲率及像散性。在场曲率的情况下，视场点而定，图像是沿着光学轴在不同平面中出现。因此，场相关散焦像差是针对平面像场(例如，照相机芯片)而出现。
可使用高精度及高品质光学单元来减轻此类像差。此常常会产生复杂、大型且昂贵的光学***。此外，大量的透镜可能会提高***的易反射性及/或降低透射性。对于许多应用来说，例如在昂贵专业器具的领域中，此可能是不利的。
另一选择为或另外，可至少在专业应用中利用具有弯曲图像传感器表面的图像传感器，以进行场曲率校正。然而，此并非始终是可行的，且会导致成本增加。另一种用于减轻由场曲率引起的散焦像差的选项便是使用整体场深大于物场曲率的光学***。然而，为达到此目的，需要减小整体***的数值孔径，此会导致分辨率的损失。
另一选择为，可利用更具成本效益的光学单元，并将此与随后进行的后处理相组合。将成本较低的光学单元与随后进行的后处理相组合的设备及方法可在进一步的数字处理中包含去卷积技术。此类技术(例如迭代去卷积技术)常常与高计算成本相关联。此可被认为是不利的，尤其当在显微镜***中例如为实时地显示所记录样品区域而需要对图像进行快速计算时。直接去卷积方法可具有低准确度且具有有限的应用领域。调制传递函数(MTF)的低对比度及/或图像的不良信噪比(SNR)可使得使用去卷积技术所确定的某些空间频率不能被重建或者只能在某些额外假设下被重建。举例来说，此情况可对于其中由于像差而使MTF具有0的空间频率区域。举例来说，在发生像散或散焦的情况下，MTF中可能会出现这些0。纵向色像差可能不能通过去卷积技术来轻易地进行补偿。
发明内容
需要改善用于将物体成像的技术。具体来说，需要允许使用具成本效益的成像光学单元且与去卷积技术相比可降低进一步数字处理中的计算复杂性的设备及方法。具体来说，需要可用以校正场点相关散焦像差的设备及方法。
根据实例性实施例，详细说明其中以多个照明角度对物体进行照明且在每种情况下记录图像的设备及方法。通过计算来进一步处理所述多个图像。此处，可对所述多个图像中的每一图像应用图像校正，所述图像校正包含取决于照明角度的纠正。在应用所述图像校正之后，可将经校正图像进行求和或以不同的方式进行进一步处理。
对图像的纠正可由向量场界定，所述向量场为图像中的像素界定场点相关位移。由此，可将在例如场曲率校正或像散校正的情况下应进行校正的场点相关散焦像差考虑在内。
在根据实例性实施例的设备及方法中，可以计算高效的方式来实施图像校正，而无需通过相应的点扩散函数(PSF)来将图像去卷积。可通过以下方式来减少传统上与使MTF出现0有关的问题：以多个照明角度进行照明并在对图像进行计算处理时将照明角度考虑在内。可通过将以多个照明角度捕获的图像相组合来减少信息损失。可通过例如纠正及加法等运算来实施所述组合，所述运算可以计算高效方式来实施且可满足实时状态。
根据一个实例性实施例，一种图像记录设备包括照明装置，所述照明装置是可控的，以设定用于对物体进行照明的多个照明角度。所述图像记录设备包括检测器，所述检测器包括图像传感器，所述图像传感器用以针对所述多个照明角度而捕获所述物体的多个图像。所述图像记录设备包括电子评估装置，所述电子评估装置用于处理所述多个图像且耦合至所述图像传感器。所述电子评估装置用以对所述多个图像中的每一图像应用图像校正，所述图像校正包括纠正，其中所述纠正取决于在记录相应图像时所使用的照明角度。所述电子评估装置可用以将通过所述图像校正而校正的图像相组合。
所述电子评估装置可用以通过所述纠正来校正场点相关散焦。举例来说，所述场点相关散焦可由图像记录设备的光学***(例如照明装置)的场曲率及/或像散引起。
界定所述纠正的向量场可取决于以下两者：在记录经受所述图像校正的图像时的所述照明角度、以及场点相关散焦。所述场点相关散焦可与照明角度无关。可通过确定物体平面的点的由场点相关散焦引起的偏移来高效地判定界定所述纠正的向量场。
所述电子评估装置可用以通过纠正来校正场曲率。
所述纠正可取决于指派给所述场曲率的物场曲率。可通过以下方式而通过计算来为光学***确定指派给场曲率的物场曲率：判定由图像记录设备的光学***成像至图像传感器的平面中的弯曲表面。
对图像应用的纠正可取决于物体平面的点的场点相关偏移，在所述照明角度下，所述点在其被投影至弯曲表面上时经历所述偏移，所述弯曲表面由图像记录设备的光学***成像至图像传感器的平面上。通过为物体平面中的大量点确定此偏移并将此偏移反转，可界定用于对图像进行纠正的向量场。界定所述纠正的向量场不仅取决于指派给场曲率的物场曲率，而且取决于在记录相应图像时的照明角度。
可针对多个照明角度中的每一个将界定所述纠正的向量场以非易失性方式存储在图像记录设备的存储媒体中。另一选择为或另外，所述电子评估装置也可用以针对所述多个照明角度中的每一个通过计算来判定界定所述纠正的向量场。
所述电子评估装置可用以通过所述纠正来校正像散。作为场曲率校正的替代方案或除场曲率校正以外，也可实施像散校正。
对图像应用的纠正可取决于以照明角度入射的光束相对于像散的至少两个平面的位置。像散的至少两个平面中的每一个可由图像记录设备的透镜的子午线及光学轴界定，其中为不同焦点位置指派子午线。
所述图像传感器可包括多个色彩通道。对于各种色彩通道，对图像应用的纠正可不同。这样一来，可将色像差考虑在内。举例来说，可与进行场曲率校正及/或像散校正同时地校正纵向色像差及/或横向色像差。
图像记录设备的检测器可具有比沿着光学轴的物场曲率小的检测器场深。图像记录设备的检测器可具有比沿着光学轴由像散引起的散焦小的检测器场深。
如果希望通过所述图像记录设备来校正其他光学像差，则图像记录设备的检测器可具有比沿着光学轴由各种光学像差引起的散焦的总和小的检测器场深。举例来说，检测器可具有比由纵向色像差引起的散焦、由场曲率引起的散焦及由像散引起的散焦的总和小的检测器场深。
对于多个照明角度，关于将要被应用的纠正的信息可分别以非易失性方式存储在图像记录设备的存储媒体中。
所述电子评估装置可用以将通过图像校正而校正的图像相加，以计算结果图像。
所述电子评估装置可用以在所述图像校正之后将所述多个图像用于傅里叶叠层成像(Fourier ptychography)。所述电子评估装置可用以根据通过所述图像校正而校正的图像来计算物体的相位及幅值分布。所述电子评估装置可用以在坐标空间中重建所述物体的光谱并通过傅里叶变换来确定物体的相位及幅值分布。
所述电子评估装置可用以在所述图像校正之后根据多个经校正图像来判定相位对比图像。
所述图像记录设备可用以自动地设定聚焦。为此，可使用在以至少两个不同照明角度记录物体时出现的视差。
所述电子评估装置可用以对针对一个照明角度捕获的图像应用图像校正，同时所述检测器针对另一照明角度捕获另一图像。通过使图像校正及以不同照明角度对其他图像的记录并行化，直至提供结果图像时所需的时间可进一步减少。
所述图像记录设备可以是显微镜***。可以透射构造来捕获所述图像。可以反射构造来捕获所述图像。
根据一个实例性实施例，一种用于记录图像的方法包括在以多个照明角度对物体进行照明时捕获多个图像。所述方法包括处理所述多个图像。此处，对所述多个图像中的每一图像应用图像校正，其中所述图像校正包括纠正，所述纠正取决于在记录相应图像时的照明角度。将通过图像校正而校正的所述多个图像相组合。
根据一个实例性实施例，所述方法可由所述图像记录设备自动地实施。
在所述方法中，可通过所述纠正来校正场点相关散焦。举例来说，所述场点相关散焦可由图像记录设备的光学***的场曲率及/或像散引起。
在所述方法中，界定所述纠正的向量场可取决于以下两者：在记录经受图像校正的图像时的照明角度、以及场点相关散焦。所述场点相关散焦可与照明角度无关。可通过确定物体平面的点的由场点相关散焦引起的偏移来高效地判定界定所述纠正的向量场。
在所述方法中，可通过所述纠正来校正场曲率。
在所述方法中，所述纠正可取决于指派给场曲率的物场曲率。可通过以下方式而通过计算来为光学***确定指派给场曲率的物场曲率：判定由图像记录设备的光学***成像至图像传感器的平面中的弯曲表面。
在所述方法中，对图像应用的纠正可取决于物体平面的点的场点相关偏移，在所述照明角度下，所述点在其被投影至弯曲表面上时经历所述偏移，所述弯曲表面由所述图像记录设备的光学***成像至图像传感器的平面上。通过为物体平面中的大量点确定此偏移并将此偏移反转，可界定用于对图像进行纠正的向量场。界定所述纠正的向量场不仅取决于指派给场曲率的物场曲率，而且取决于在记录相应图像时的照明角度。
在所述方法中，可将针对所述多个照明角度中的每一个界定所述纠正的向量场以非易失性方式存储在图像记录设备的存储媒体中，并出于图像校正目的而从所述存储媒体检索。另一选择为或另外，在所述方法中，可针对所述多个照明角度中的每一个通过计算来判定界定所述纠正的向量场。
在所述方法中，可通过所述纠正来校正像散。作为场曲率校正的替代方案或除场曲率校正以外，也可实施像散校正。
在所述方法中，对图像应用的纠正可取决于以照明角度入射的光束相对于像散的至少两个平面的位置。像散的至少两个平面中的每一个可由图像记录设备的透镜的子午线及光学轴界定，其中为不同焦点位置指派子午线。
用以捕获所述多个图像的图像传感器可具有多个色彩通道。在所述方法中，对于各种色彩通道，对图像应用的纠正可不同。这样一来，可将色像差考虑在内。举例来说，可与进行场曲率校正及/或纵向色像差校正同时地校正纵向色像差或横向色像差。
用于捕获所述多个图像的检测器可具有比沿着光学轴的物场曲率大的检测器场深。所述检测器可具有比沿着光学轴由像散引起的散焦大的检测器场深。
如果希望通过所述图像记录设备来校正其他光学像差，则检测器可具有比沿着光学轴由各种光学像差引起的散焦的总和小的检测器场深。举例来说，检测器可具有比由纵向色像差引起的散焦、由场曲率引起的散焦及由像散引起的散焦的总和小的检测器场深。
对于多个照明角度，关于将要被应用的纠正的信息可分别以非易失性方式存储在所述图像记录设备的存储媒体中，且出于图像校正目的而被从所述存储媒体检索。
在所述方法中，对图像的纠正可包括将场点相关向量舍入成整数像素间隔。
在所述方法中，对图像的纠正可包括：如果对像素应用的场点相关位移不等于图像传感器的整数像素间隔，则在多个像素值之间进行内插。
在所述图像校正之后将所述多个图像相组合可包括将通过图像校正而校正的图像相加，以计算结果图像。
在所述方法中，可在所述图像校正之后将所述多个图像用于傅里叶叠层成像。可计算物体的相位及幅值分布。可在坐标空间中重建所述物体的光谱，其中可通过傅里叶变换来确定物体的相位及幅值分布。
在所述方法中，可在所述图像校正之后根据多个经校正图像来判定相位对比图像。
所述方法可包括自动地设定聚焦。为此，可使用在以至少两个不同照明角度记录物体时出现的视差。
在所述方法中，可对针对一个照明角度捕获的图像应用图像校正，同时针对另一照明角度捕获另一图像。通过使图像校正及以不同照明角度对其他图像的记录并行化，直至提供结果图像时所需的时间可进一步减少。
根据实例性实施例的设备及方法允许使用具成本效益的光学单元。可以快速、能维持分辨率且能减轻伪影(artifact)的方式来处理所记录图像。可对由场曲率及/或像散引起的散焦像差进行场点相关校正。
上文所述的特征及下文所述的特征不仅可以明确陈述的对应组合形式使用，而且可以其他组合形式或以独立形式使用，此并不背离本发明的保护范围。
附图说明
结合以下对实例性实施例的说明，本发明的上述性质、特征及优点以及实现这些性质、特征及优点的方式将变得更加清楚且被更清楚地理解，将结合图式来更详细地解释这些实例性实施例。
图1是根据一个实例性实施例的图像记录设备的示意图；
图2是根据一个实例性实施例的方法的流程图；
图3说明在根据实例性实施例的设备及方法中对多个图像的处理；
图4说明根据实例性实施例的图像记录设备及方法对于场曲率校正的应用；
图5说明根据实例性实施例的图像记录设备及方法对于场曲率校正的应用，其中判定指派给场曲率的物场曲率；
图6说明纠正与照明角度及场点相关散焦的相关性；
图7及图8例示判定在场曲率校正期间反转的场点相关位移；
图9是根据一个实例性实施例用于场曲率校正的方法的流程图；
图10说明根据实例性实施例的图像记录设备及方法对于像散校正的应用；
图11显示界定用于场曲率校正及/或像散校正的纠正的向量场；
图12是根据一个实例性实施例的图像记录设备的框图；以及
图13说明用于纠正图像的不同技术。
具体实施方式
下文将参照图式基于优选实施例来更详细地解释本发明。在各图中，相同的参考符号标示相同或类似的元件。各图均是本发明各种实施例的示意图。各图中所示的元件未必是以真实比例的方式进行例示。而是，各图中所示的不同元件是以使得其功能及用途变得可由所属领域的技术人员理解的方式进行重现。
如图中所示各功能单元及元件之间的连接及耦合也可被实施为间接连接或耦合。可以有线或无线方式来实施连接或耦合。
下文将描述可用以通过计算来校正由对物体的照明的散焦引起的光学像差的技术。此处，对光学像差的“校正(correction及correcting)”被理解为意指可用以改善所产生的结果图像的品质且可减轻至少某些光学像差(例如，由场曲率及/或像散引起的散焦像差)的措施。
如下文将更详细地描述，在本发明的实例性实施例中，循序地记录物体的多个图像。将用于对物体进行照明的照明角度设定成各种值，以记录多个图像。对所述图像中的每一个应用图像校正。所述图像校正可包括其中以场点相关方式使像素在图像平面中移置的纠正。可通过所述纠正来校正场点相关散焦。举例来说，此种场点相关散焦可由场曲率及/或像散引起。
通过计算来处理所捕获图像(包括图像校正)可基于以非易失性方式存储在图像记录设备的存储媒体中的数据。所述数据可包括针对各种照明角度在每种情况下将要被应用的纠正。另一选择为或另外，所述数据可包含电子评估装置用以判定将要被应用的纠正(例如通过计算界定所述纠正的向量场)的信息。
可通过计算预先确定出在图像记录设备为进行计算性图像校正所作的操作期间所使用的数据并将其存储在存储媒体中。也可通过使用参考物体在图像记录设备上进行校准测量来产生所述数据并将其以非易失性方式进行存储。
通过在图像校正之后将所述多个图像相组合，所述电子评估装置能够自动地产生结果图像，所述结果图像包含来自所述多个图像的信息。所述结果图像可以使得其包含对图像的纠正及求和的方式来产生，而不需要通过图像的点扩散函数(PSF)对所述图像中的任一个进行去卷积。
图1是根据一个实例性实施例的图像记录设备1的示意图。图像记录设备1可用以自动地实施根据实例性实施例的方法。图像记录设备1可以是显微镜***或者可包括显微镜，并且具备可控照明装置(将更详细地加以描述)、照相机及电子评估装置，所述照相机包括图像传感器，所述电子评估装置用于校正图像。
图像记录设备1包括照明装置，所述照明装置包括光源11。聚光透镜12可以本身公知的方式使由光源11发射的光偏转至将要被成像的物体2上。所述照明装置是以使得光可以多个不同照明角度4辐射至物体2上的方式来配置。举例来说，出于此种目的，光源11可包括具有多个发光二极管(LED)的LED构造，所述多个LED可以是可个别致动的。所述LED构造可以是LED环形构造。另一选择为，可在传统光源被以放大方式成像至其中的中间图像平面中布置可控元件，以提供不同的照明角度。所述可控元件可包括可移动小孔、微镜构造、液晶矩阵、或空间光调制器。
照明装置可以使得包含光学轴5的照明角度4的绝对值可被修改的方式来配置。照明装置可以使得可用于以照明角度4对物体进行照明的光束3的方向也可在极方向上围绕光学轴5移动的方式来配置。
在每种情况下，图像记录设备1的检测器14针对物体2被照明的多个照明角度中的每一个而捕获物体2的至少一个图像。举例来说，检测器14的图像传感器15可被配置为CCD传感器、CMOS传感器、或TDI(“时间延迟与积分”)CCD传感器。成像光学单元(例如，仅被示意性绘示的显微镜物镜13)可在图像传感器15处产生物体2的放大图像。图像传感器15可包括用于图像记录目的的平面表面。
图像记录设备1包括电子评估装置20。电子评估装置20进一步处理针对多个照明角度为物体捕获的多个图像。电子评估装置20对所捕获图像应用图像校正。如参照图2至图13更详细地描述，在每种情况下，图像校正均包含取决于记录图像时的照明角度的纠正。出于图像校正目的而进行的纠正可减小由场曲率或像散或另一场点相关散焦像差引起的场点相关偏移。为此，可根据场点相关散焦来设定使像素在图像平面中移置的场点相关位移。可通过不同的纠正来校正图像的不同色彩通道，以产生经校正图像。
图像记录设备1包括具有校正信息的存储媒体21。电子评估装置20耦合至所述存储媒体或可包括所述存储媒体。电子评估装置20可根据存储媒体中的校正信息来判定针对每一照明角度将分别应用的图像校正。
可以不同方式将分别指派给多个照明角度中每一个的经校正图像相组合。举例来说，可在图像校正之后将各图像相加。为重建物体2的幅值及相位信息，可将图像用于傅里叶叠层成像中。可使用经校正图像来判定焦点位置、或以任一其他方式自动地对图像记录设备1进行设定。可由电子评估装置20自动地实施对应的处理。
由于电子评估装置20能够通过对图像进行纠正来实施图像校正，因而处理能够实时地进行。图像记录设备1可包括由光学输出装置实现的用户界面，电子评估装置20可在运作期间在所述用户界面上输出所产生的结果图像。通过个别图像的点扩散函数对所述图像进行去卷积不再是必须进行的，此去卷积运算从计算观点来看是复杂的。通过将来自在以多个照明角度进行照明的情况下捕获的各图像的信息相组合，也可获得关于物体2的那些使照明角度中的每一个的MTF具有0的坐标空间频率的信息。
将参照图2至图13更详细地描述根据实例性实施例的图像记录设备的功能。
图2是根据一个实例性实施例的方法30的流程图。所述方法可由图像记录设备1自动地实施。
在步骤31中，以第一照明角度对物体进行照明。举例来说，电子评估装置20可以使得物体被以第一照明角度进行照明的方式来致动照明装置。图像传感器15捕获第一图像。
在步骤32中，以第二照明角度对物体进行照明。第二照明角度可不同于第一照明角度。为此，可相应地致动照明装置。图像传感器15捕获第二图像。
可重复以不同照明角度循序地对物体进行照明并进行图像记录的步骤。
在步骤33中，以第N照明角度对物体进行照明，其中N是＞1的整数。为此，可相应地致动照明装置。图像传感器15捕获第N图像。
在步骤34中，对N个图像中的每一个应用图像校正。所述图像校正包括纠正。所述纠正可由向量场界定，可根据所述向量场以空间相关方式对像素进行移置及/或内插。对图像校正的应用可与对其他图像的捕获在时间上重叠。举例来说，可通过对第一图像的图像校正来判定经校正第一图像，而同时，以步骤32或33进行对下一图像的记录。
在步骤35中，可通过计算将在以不同照明角度进行物体照明时所捕获的图像相组合。为此，可将各图像相加。可进行更复杂的处理。举例来说，可根据多个图像通过计算来确定物体2的相位信息。可将通过图像校正而校正的图像用于傅里叶叠层成像算法。
图3是用于更详细地解释图像记录设备1的操作模式的示意图。
当以第一照明角度对物体进行照明时捕获第一图像41。当以第二照明角度对物体进行照明时捕获第二图像42。当以第三照明角度对物体进行照明时捕获第三图像43。
电子评估装置20通过变换T1来纠正第一图像41，以产生经校正第一图像44。变换T1可包含图像平面中像素的场点相关位移。可根据变换T1对第一图像44的像素进行内插。变换T1可包含为变成经校正第一图像44而对所记录第一图像41的像素进行的线性映射，可通过所述线性映射再次校正由场点相关散焦引起的失真，如将基于图4至图13更详细地进行描述。
电子评估装置20通过变换T2来纠正第二图像42，以产生经校正第二图像45。变换T2可包含图像平面中像素的场点相关位移。可根据变换T2来对第二图像45的像素进行内插。变换T2可包含为变成经校正第二图像45而对所记录第二图像42的像素进行的线性映射，可通过所述线性映射再次校正由场点相关散焦引起的失真，如将基于图4至图13更详细地进行描述。由于图像校正的照明角度相关性，第二变换T2不同于第一变换T1。
电子评估装置20通过变换T3来纠正第三图像43，以产生经校正第三图像46。变换T3可包含图像平面中像素的场点相关位移。可根据变换T3对第三图像46的像素进行内插。变换T3可包含为变成经校正第三图像46而对所记录第三图像43的像素进行的线性映射，可通过所述线性映射再次校正由场点相关散焦引起的失真，如将基于图4至图13更详细地进行描述。由于图像校正的照明角度相关性，第三变换T3不同于第一变换T1及第二变换T2。
可将经校正图像44-46彼此相组合。举例来说，可通过将经校正图像44-46相加来判定结果图像47。所述加法可用于将经校正图像44-46平均化。
另一选择为或另外，可根据经校正图像44-46来判定关于被成像物体的相位及/或幅值信息。可实施通过计算对物体的自动聚焦。为此，举例来说，可根据针对不同照明角度确定的视差来判定物体相对于检测器14的焦平面的距离及位置。
如参照图4至图13更详细地描述，可通过根据实例性实施例的图像记录设备及方法来校正由场曲率及/或像散引起的光学像差。为此，可以使得物体点在垂直于光学轴5的方向上的偏移通过计算被再次补偿的方式来界定纠正，所述偏移是由沿着光学轴5发生的散焦引起。
图4及图5说明就根据实例性实施例的设备及方法而论所进行的场曲率校正。图4及图5示意性显示图像记录设备的光学***，所述光学***包括用于将物体成像至图像传感器上的多个透镜51、52。由于光学像差，物体的平面表面53可由光学***成像至弯曲表面54中。为解释场曲率，图4示意性显示光束路径55-57。
如果所利用的图像传感器包括用于图像记录目的平面表面，则表面54的曲率会引起物体的失真。
为补偿此类失真，可将纠正确定为在根据所捕获图像重建物体时使用的场点相关校正。给场曲率指派物场曲率，所述物场曲率设定垂直于光学轴的偏移，藉此，物场的场点看上去移置了所述偏移。可通过计算由纠正来再次补偿此偏移，如将参照图5至图8来更详细地进行解释。
图5说明指派给场曲率的物场曲率。由于光学像差，弯曲表面63由图像记录设备的光学***成像至平面表面64中，所述平面表面表示图像传感器15的敏感平面。可通过计算以本身公知的方式来判定弯曲表面63。为此，可模拟光学***的光学性质，以确定被成像至图像传感器15的平面表面64中的弯曲表面63。另一选择为或另外，也可对参考物体进行测量，以确定可用于校正由于弯曲表面63的曲率而由z散焦引起的偏移的纠正。关于弯曲表面63的信息无需在图像记录与处理期间确定，而是可预先判定并随后在图像处理期间使用。
如所描述，在根据实例性实施例的设备及方法中，在以多个照明角度进行照明时捕获物体的图像。于所述照明角度中的每一个，通过计算来加以补偿的场点相关偏移会自弯曲表面63的曲率出现。此处，检测器的检测器场深大于沿着光学轴5的最大散焦，所述最大散焦是通过沿着光学轴的物场曲率68而确定。
图6说明在根据实例性实施例的设备及方法中校正的偏移是如何在垂直于光学轴的平面中出现。物场的多个点71-73排列在平面70中。由于场曲率，点71-73看上去并非位于其实际位置处，而是在图像平面中偏移。可通过将点71-73投影至由光学***成像至图像传感器15的平面64中的弯曲表面63上来确定所述偏移。
以照明角度4对物体的照明是以实例性方式绘示。所述物体由可与光学轴5成某角度的平行光束3照明。由于场曲率及指派给所述场曲率的物场曲率，物场的第一点71在图像中看上去并非位于其实际位置处，而是位于由第一点71沿着以照明角度4入射的光束3在弯曲表面63上的投影74设定的位置处。此在图像记录中引起偏移77。可在图像校正期间校正偏移77。为此，可对图像的对应像素逆向地应用用以校正偏移77的纠正。
由于场曲率及指派给所述场曲率的物场曲率，第二点72在图像中看上去并非位于其实际位置处，而是位于由第二点72沿着以照明角度4入射的光束3在弯曲表面63上的投影75设定的位置处。此在图像记录中引起偏移78。
由于场曲率及指派给所述场曲率的物场曲率，第三点73在图像中看上去并非位于其实际位置处，而是位于由第三点73沿着以照明角度4入射的光束3在弯曲表面63上的投影76设定的位置处。此在图像记录中引起偏移79。
可将可通过计算为平面70中的多个点所确定的偏移77-79反转。这样一来，可确定出用于界定纠正并出于图像校正目的而对图像应用的向量场。
尽管图6仅显示穿过弯曲表面63的剖面，但曲率可在不止一个方向上存在。沿着正交于光学轴的x方向及y方向的曲率半径可彼此不同。因此，在每种情况下，通过沿着由照明角度4所界定的光束方向3将物场70的点投影至弯曲表面63上而判定的偏移77-79可以是二维向量。偏移的方向及幅值可以场点相关方式变化，且在每种情况下均取决于照明角度。因此，所述纠正界定是场点相关的且由场点相关散焦结合照明角度而界定的变换。
图7及图8说明确定通过纠正而校正的二维偏移。由于场曲率，物场的点具有z散焦Δz。照明角度是以入射光束3所包含的与yz平面成的角度81(由θx表示)的方式来设定。照明角度是以入射光束3所包含的与xz平面成的角度82(由θy表示)的方式来设定。可如下确定在重建物体期间被再次考虑在内的横向偏移83、84：
在x方向上，Δx＝tan(θx)·Δz(x，y) (1)
以及
在y方向上，Δy＝tan(θy)·Δz(x，y) (2)
此处，散焦Δz(x，y)是场点相关的。当重建物体时，可对每一图像应用取决于照明角度及场点相关散焦的纠正，所述纠正至少校正此失真。
在色像差情况下，对于不同波长，物场曲率可不同。在此种情况下，可针对多个波长中的每一个来实施所描述的处理，举例来说，所述多个波长可以是图像传感器15的多个色彩通道的质心波长。可通过在色彩通道中的每一个中进行纠正来校正图像，所述纠正取决于照明角度、以及色彩通道的质心波长下的场点相关散焦。
图9是用于校正场曲率的方法90的流程图。所述方法可由电子评估装置20自动地实施。
在步骤91中，可判定出于纠正目的应对图像应用何种变换。所述纠正取决于记录图像时的照明角度。举例来说，如参照图3至图9所述，所述纠正可取决于场点相关散焦及照明角度。
可以各种方式来判定纠正。在一种配置中，可将关于场曲率或指派给所述场曲率的物场曲率的信息以非易失性方式存储在图像记录设备的存储媒体中。电子评估装置可随后针对照明角度中的每一个来计算纠正。在另一种配置中，可能已在特性场基础上存储了纠正本身。举例来说，可针对多个照明角度中的每一个将线性映射以非易失性方式存储在图像记录设备中，所述线性映射用于根据所捕获图像来计算经校正图像。举例来说，所述线性映射可以矩阵的形式存储，所述矩阵界定包含所记录图像像素值的向量至包含经校正图像像素值的向量的映射。在每种情况下，所述线性映射均可取决于场点相关散焦及照明角度。
在步骤92中，出于图像校正目的而对图像应用所述纠正。所述纠正可以如下方式来实施：除图像边缘上的像素以外，将来自被纠正图像的像素在图像平面中再次与图像传感器的像素一致地排列。为此，可例如在纠正期间实施内插，如将基于图13更详细地描述，其中将经校正图像的像素作为所记录图像的像素的经加权叠加来计算。
可对N个图像中的每一个实施步骤91及92，所述N个图像是针对N个不同照明角度而捕获，其中N＞2、且尤其N＞＞2可适用。
在步骤93中，可将N个经校正图像相组合。可将该等图像进行求和。可在坐标空间中或在傅里叶空间中判定幅值及/或相位信息图像。
作为纵向色像差校正的替代方案或除纵向色像差校正以外，也可使用根据实例性实施例的图像记录设备及方法来校正其他光学像差，例如校正像散，如基于图11更详细地描述。
图11显示根据一个实例性实施例的图像记录设备的局部视图，其中照明装置的例如仅被示意性绘示的光学单元具有像散。第一子午线101在像散的第一平面中延伸。像散的第一平面可界定第一焦点位置102。第二子午线106在像散的第二平面中延伸。像散的第二平面可界定第二焦点位置107。第一平面可以是最小焦距出现的平面。第二平面可以是最大焦距出现的平面。
焦点位置102、107中的一个或多个可相对于由检测器***对焦地成像的z＝0平面移置。焦点位置102、107可沿着光学轴具有z散焦112、117。z散焦可以场点相关方式变化。
当以某一照明角度对物体进行照明时，光可沿着光束90入射，光束90的方向是由被分别设定的照明角度决定。出于校正像散的目的，可向像散的平面中进行投影。以照明角度入射的光束90在第一平面中的投影103与光学轴5成角度104。角度104也可被表示为角度θa。以照明角度入射的光束90在第二平面中的投影108与光学轴5成角度109。角度109也可被表示为角度θb。由像散的第一平面界定的平面无需与图像传感器的x轴或y轴重合。然而，通过本身公知的在图像传感器的平面中进行的坐标变换，也可将坐标轴界定成例如使得像散的第一平面与图像传感器的平面的相交线对应于x轴且像散的第一平面与图像传感器的平面的相交线对应于y轴。
可出于像散校正目的而对图像应用取决于照明方向的纠正。所述纠正可取决于针对像散的多个平面出现的z散焦112、117。
举例来说，将要通过纠正进行补偿的偏移可由以下界定
在由像散的第一平面与传感器平面的相交线界定的方向上：
tan(θa)·Δza (3)
以及
在由像散的第二平面与传感器平面的相交线界定的方向上：
tan(θb)·Δzb (4)
此处，Δza表示像散的第一平面的z散焦112，且zb表示像散的第二平面的z散焦117。
可通过纠正的场点相关性而将像散的场点相关性考虑在内。界定纠正的向量场可在图像传感器的平面中变化。
图11说明可界定对图像的纠正的向量场119。此处，向量的长度及方向规定了为对所记录图像进行纠正而使像素移置的方向及绝对值。如上所述，可根据场点相关散焦及照明角度来确定纠正。
尽管参照图1至图11以实例性方式描述了可用以实施场曲率校正及/或像散校正的图像记录设备及方法，然而，本文所述的技术也可用于校正其他光学像差，例如用于校正色像差。
图12是根据一个实例性实施例的图像记录设备的框图120。所述图像记录设备可用以进行自动场曲率校正及/或像散校正。
所述图像记录设备包括可控照明装置121。可通过照明装置121以多个不同照明角度循序地对物体进行照明。照明控制器122可控制被循序设定的照明角度。照明装置121可包括LED构造。照明装置121可包括位于中间图像平面中的可控光学元件，所述可控光学元件例如能够包括可移动小孔、微镜构造、液晶矩阵、或空间光调制器。
图像传感器123针对物体被照明的照明角度中的每一个而捕获至少一个图像。所述图像可包括多个色彩通道中的信息。图像传感器123可包括至少一个CCD芯片或CMOS芯片。
图像校正模块124可实施图像校正。所述图像校正可取决于在图像记录期间所使用的照明角度。所述图像校正可包括对图像的一个、数个或全部色彩通道进行的纠正。所述纠正可由从所记录图像的像素至经校正图像的像素的线性映射界定。对一个图像所应用的纠正可与在对其他图像进行图像记录期间所使用的照明角度无关。
具有校正信息的存储媒体125可以各种形式存储由图像校正模块124使用的信息。所述校正信息可包含关于由于场曲率引起的场点相关散焦及/或针对像散的不同平面的散焦的信息，图像校正模块124通过所述信息来计算将要对图像应用的纠正。所述校正信息可规定针对不同照明角度进行的纠正。所述校正信息可例如以成像矩阵的形式来界定线性映射，在图像校正期间，根据所述线性映射将原始图像的像素映射至经校正图像的像素。
图像校正模块124可被配置为应用专用专业电路、控制器、微控制器、处理器、或微处理器。图像校正模块124可与图像传感器123组合成一个结构单元，所述结构单元会自动地计算经校正图像。因此，可将图像校正编码在硬件中。
所述图像记录设备可以使得校正信息是通过在图像记录设备本身上进行测量而判定的方式来配置。所述图像记录设备可包括校准模块128，校准模块128自动地判定校正信息。为此，可记录并通过计算来进一步处理多个已知参考物体，以确定为重建物体而需要如何对图像进行纠正。
所述图像记录设备可包括图像组合模块126，可通过图像组合模块126将N个经校正图像相组合。可将在图像校正之后所判定的图像进行求和或以任一其他方式来进行进一步处理。图像组合模块126可用以实施傅里叶叠层成像算法。图像组合模块126可用以在傅里叶空间中判定物体的幅值及/或相位信息。
所述图像记录设备可包括其他单元。举例来说，可存在用于设定自动聚焦的单元。
一般来说，出于纠正目的，根据图像I来判定经校正图像Ic。在简单的实施方案中，可如下来计算经纠正图像
Ic(u，v)＝I(u-Δx(u，v)，v-Δy(u，v)) (5)
此处，u及v表示图像传感器中沿着x方向及y方向的像素坐标。场点相关向量场(Δx(u，v)，Δy(u，v))界定纠正。为进一步改善图像校正，可将以下情况考虑在内：将要被校正的失真可能不能始终通过将像素在x方向及y方向上移置整数个像素数来校正。在此种情况下，可实施舍入或内插。
举例来说，可提供舍入运算，使得
Ic(u，v；j)＝I(u-round(Δxj)，v-round(Δyj)；j) (6)
用于判定经校正图像。此处，round(.)表示舍入函数。在方程式(6)中，也可使用下取整函数或上取整函数而非舍入函数。如果位移以非易失性方式存储在图像记录设备中，则也可能已将舍入运算考虑在内。
也可在不同像素值之间实施内插。此处，举例来说，为在图像校正期间判定经纠正图像，也可对四个像素值、否则多于四个像素值进行内插。可如下来计算经校正图像的像素
Ic(u，v)＝∑m，nw(u，v，m，n)·I(m，n) (7)
此处，w(u，v，m，n)表示用以在纠正之后将所记录图像的点(m，n)处的像素的像素值包含在经校正图像中点(u，v)处的像素值中的加权因数。
图13说明在图像校正期间进行的纠正。图像传感器具有像素构造130。界定纠正的向量场中向量136的分量无需为两个坐标方向137、138上的像素间隔的整数倍。在根据方程式(7)进行内插期间，可对像素132-135的像素值进行线性内插，以判定经校正图像中像素131的像素值。
尽管已参照各图描述了实例性实施例，但也可在其他实例性实施例中实现多种开发形式。尽管根据实例性实施例的图像记录设备具体来说可以是显微镜***，但所述技术也可用于其他成像***中。尽管可使用所述技术来进行场曲率校正及/或像散校正，但另一选择为或另外，也可校正其他光学像差。可以多种不同方式将经校正图像彼此相组合。举例来说，可将经校正图像用于傅里叶叠层成像，或者可将经校正图像相加以判定结果图像。

Claims (15)

1.一种图像记录设备，包括：
照明装置(11、12；121)，是可控的，以设定用于对物体进行照明的多个照明角度(4)；
检测器(14)，包括图像传感器(15；123)(15；123)，所述图像传感器(15；123)用以针对所述多个照明角度(4)而捕获所述物体的多个图像(41-43)；
电子评估装置(20)，用于处理所述多个图像(41-43)，且耦合至所述图像传感器(15；123)，其中所述电子评估装置(20)用以
对所述多个图像(41-43)中的每一所述图像应用图像校正，所述图像校正包括纠正(T1、T2、T3)，其中所述纠正(T1、T2、T3)取决于在记录相应的所述图像(41-43)时所使用的所述照明角度(4)，以及
将通过所述图像校正而校正的所述图像(44-46)相组合。
2.如权利要求1所述的图像记录设备，
其中所述电子评估装置(20)用以通过所述纠正(T1、T2、T3)来校正场点相关散焦。
3.如权利要求2所述的图像记录设备，
其中界定所述纠正(T1、T2、T3)的向量场(119)取决于以下两者：在记录被应用所述图像校正的所述图像(41-43)时的所述照明角度(4)、以及所述场点相关散焦。
4.如前述权利要求中任一项所述的图像记录设备，
其中所述电子评估装置(20)用以通过所述纠正(T1、T2、T3)来校正场曲率(54)。
5.如权利要求4所述的图像记录设备，
其中所述纠正(T1、T2、T3)取决(63)于指派给所述场曲率(54)的物场曲率。
6.如权利要求4或权利要求5所述的图像记录设备，
其中对图像应用的所述纠正(T1、T2、T3)取决于物体平面(70)的点(71-73)的场点相关偏移(77-79)，在所述照明角度(4)下，所述点(71-73)在其被投影至弯曲表面(63)上时经历所述偏移，所述弯曲表面(63)由所述图像记录设备(1)的光学***成像至所述图像传感器(15；123)的平面上。
7.如权利要求4至6中任一项所述的图像记录设备，
其中所述电子评估装置(20)用以根据在记录相应的所述图像时所使用的所述照明角度(4)来计算界定所述纠正(T1、T2、T3)的向量场(119)。
8.如前述权利要求中任一项所述的图像记录设备，
其中所述电子评估装置(20)用以通过所述纠正(T1、T2、T3)来校正像散。
9.如权利要求8所述的图像记录设备，
其中对图像应用的所述纠正(T1、T2、T3)取决于以所述照明角度(4)入射的光束(3)相对于所述像散的至少两个平面的位置。
10.如前述权利要求中任一项所述的图像记录设备，
其中对于所述多个照明角度(4)，关于将要被应用的所述纠正(T1、T2、T3)的信息分别以非易失性方式存储在所述图像记录设备的存储媒体中。
11.如前述权利要求中任一项所述的图像记录设备，
其中所述电子评估装置(20)用以将通过所述图像校正而校正的所述图像(44-46)相加，以计算结果图像(47)。
12.如前述权利要求中任一项所述的图像记录设备，
其中所述电子评估装置(20)用以对针对一个照明角度(4)捕获的图像应用图像校正，同时所述检测器(14)针对另一照明角度(4)捕获另一图像。
13.如前述权利要求中任一项所述的图像记录设备，
其中所述图像记录设备(1)是显微镜***。
14.一种用于记录图像的方法，包括：
当物体(2)被以多个照明角度(4)照明时，捕获多个图像(41-43)；以及
处理所述多个图像(41-43)，其中所述处理步骤包括：
对所述多个图像(41-43)中的每一所述图像应用图像校正，其中所述图像校正包括纠正(T1、T2、T3)，所述纠正(T1、T2、T3)取决于在记录相应的所述图像时的所述照明角度(4)，以及
在应用所述图像校正之后，将所述多个图像(41-43)相组合。
15.如权利要求14所述的方法，
由所述图像记录设备(1)如权利要求1-13中任一项叙述般执行。
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