专利名称：光学微扫描显微热成像系统的微扫描定标方法
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系统的2X2微扫描各点定标方法。
背景技术：
在光学平板旋转微扫描显微热成像系统中，光学平板支座保证光学平板与成像系统光轴保持一定倾角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，且根据光学平
板的折射率η，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2X2微扫描模式下的4幅低分辨力欠采样图像。定义系统微扫描零点为标准2X2微扫描模式下采集第一幅欠采样图像的位置。但不论是系统安装还是检测之后，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。 如果仍按以前确定的旋转位置进行2 X 2微扫描，则由于微扫描零点位置的偏差，造成所有微扫描位置的偏差，难以得到标准2X2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，无法提高系统空间分辨力，有时分辨力甚至会降低。因此，需要对2X2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2Χ 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，光学平板微扫描系统的设计功亏一篑，系统的空间分辨力得不到提高。为解决上述问题，申请号为200810183^2.0
公开日为2009年7月22日的申请 “零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用”基于几何原理和数字图像处理方法，研究利用两帧图像的微位移确定微扫描零点及过采样重构的方法。此申请的方法完成了某一固定理想位置点的定标，即2X2扫描起始点后，直接寻找这两点之间的联系，进而控制光学平板旋转加以调节，将其他三个点通过光学平板分别旋转90°实现。它的不足在于，只有第一个点即微扫描零点完成了定标，后面的三个微扫描点没有完成标定，所以其余三个点存在误差，还需借助后期图像加工处理手段，方可使用。而且不管待定标的点所位何处，倘若校正角度过大，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，都会造成误差。
发明内容
本发明针对申请号为200810183^2. 0的申请“零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用”的不足之处，在继承其优势的基础上加以改进，目的是提供一种更为精确的零点及其他三个微扫描点的定标方法，从而更进一步提高系统空间分辨力。1)选定基准A，A为成像系统刚刚启动时捕捉到的像点，或成像系统工作中光学平板停止任意角度时捕捉到的像点，以A为原点建立坐标系XAY ；2)将光学平板顺时针旋转180°，此时的像点为待定标点B1，计算该待定标点&的坐标；3)以线段AB1的中点为圆心，以线段AB1为直径，建立圆0，以0为原点，建立坐标系 Z0W;4)计算圆心0在坐标系XAY的坐标(Xq，y0)；5)对当前待定标点B1,根据预定的定标规则1确定光学平板的旋转角度和旋转方向，利用所确定的旋转角度和旋转方向，对光学平板进行旋转将待定标点移至理想点，采集第一幅图像；6)将光学平板顺时针旋转90°，此时的像点为待定标点4，计算该待定标点在坐标系XAY的坐标；7)对当前待定标点，根据预定的标定规则2进行定标并对光学平板进行旋转使其到达2X2微扫描的第二个成像位置，采集第二幅图像；8)继续将光学平板顺时针旋转90°，此时的像点为待定标点氏，计算该待定标点在坐标系XAY的坐标；9)对当前待定标点根据预定的标定规则2得到当前微扫描成像位置，采集第三幅图像；10)继续将光学平板顺时针旋转90°，此时的像点为待定标点B4，计算该待定标点在坐标系XAY的坐标；11)对当前待定标点根据预定的标定规则2得到当前微扫描成像位置，采集第四幅图像；所述的预定的定标规则1，具体是1)在以点A为原点的坐标系XAY中，利用图像配准算法，得出当前待定标点的坐标(Xl，yi)，计算它与O点连成的线段与Z轴所成的夹角θ，计算所要旋转的校正角度α为 45° -Θ ；2)计算当前待定标点在坐标系ZOW中的坐标(X。，Y0)；3)当待定标点的坐标(X。，Y0)在坐标系ZOW中位于第一象限或第三象限时当α > 0，对光学平板逆时针旋转，旋转角度为I α | ；当α < 0，对光学平板顺时针旋转，旋转角度为I α | ；当待定标点的坐标(Xtl, Y0)在坐标系ZOW中位于第二象限或第四象限时当α > 0，对光学平板顺时针旋转，旋转角度为I α当α < 0，对光学平板逆时针旋转，旋转角度为I α |。所述的预定的定标规则2，具体是(1)以标定好微扫描零点B点为起点，将光学平板顺时针旋转90°，此时到达一个点C并采集图像，MNPQ为圆0的内接正方形，N、Μ、P、Q分别在坐标系ZOW的第一、二、三、 四象限，R为过C点做的Z轴平行线与直线NR的交点，与内接正方形如果C点在P点下方； 根据图像配准的算法，得到此时C点的坐标(x，y)，根据Q、C两点坐标值计算出Z SOC的大小，计算方法如下根据C点相对Q点的坐标(X，y)，可以计算出
ZQCR = arctg-
XZ PQC = Z QCR而ζ OQP = 45°由图知.ZOCQ= ZOQC = ZOQP+ ZPQC = 45°+arc议Z
χ所以ZS0C= ZQCR = Z0C2 + arct^x = 45° + 2^f然后将光学平板顺时针旋转ZPOC = ZSOC-45°,则从C点转到到ρ
点，得到当前微扫描成像位置。如果C点在P点上方，则有
ZOCQ = AOQC = 45° - arctg^-
χ
ZOCR = ZOCQ - arctgZ = 45° - IarctgL
χχ
ZSOC = ZOCR = 45° - Iarctg^-
X
ZPOC = 45° - ZSOC = Iarctg^-
X此时将光学平板逆时针旋转ZPOC = Iarctg^-，即从C点转到到ρ点，得到当前微
X
扫描成像位置。有益效果相对于申请号为200810183^2. O的专利“零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用”，本发明的方法，不仅第一个点准确，而且，对其余三个点用另一种方法完成了定标，这样就可以直接取得四幅理想位置上的图像，经过合成，就可以得到原物体清晰的像，提高系统的分辨力。这也是此方法最大的创新点和优势所在。另外，本发明的方法是建立待定标点与其附近的理想扫描位置点的关系，其中所涉及到的校正角度皆小于 45°，相对较小，因此精度较高。并且，本发明计算旋转角度大小的算式是一致的，就记忆方面来说，有规律可循， 容易记忆；就操作方面来说，容易使之程序化，减少工作量。
图1是探测器阵列上像点轨迹；图2是单块光学平板旋转2X2微扫描示意图；图3是标准2 X 2微扫描模式成像位置；图4是微扫描零点偏差下的成像位置；
图5是建立坐标系后的扫描位置图样；图6是本发明的\ > 0，Ytl < 0且C点位于P点下方的2X2微扫描第二个点P的定标示意图；图7是本发明的\ > 0，Ytl < 0且C点位于P点上方的2X2微扫描第二个点P的定标示意图；图8是本发明的\ > 0，Ytl > 0微扫描零点的确定示意图；图9是\ > 0，Ytl < 0微扫描零点的确定示意图；图10是本发明的)(。< 0，Y。< 0微扫描零点的确定示意图；图11是实际光学平板旋转微扫描显微成像系统微扫描零点定标前后按标准2X2 微扫描模式采集4幅图像的微位移位置图，其中(a)是零点定标前的微位移位置图，(b)是零点定标后的微位移位置图；图12是本发明微扫描第一个点即零点定标中计算光学平板的旋转方向以及相应的旋转角度的具体流程具体实施例方式图1是探测器阵列上像点轨迹；图2是单块光学平板旋转2X2微扫描示意图；图 3是标准2X2微扫描模式成像位置；图4是微扫描零点偏差下的成像位置；图5是建立坐标系后的扫描位置图样。假设其中A点为系统刚刚启动所捕捉到的，或工作中光学平板停止后的任意角度的像点。若以此点为扫描起始点，则不能够实现标准的2X2微扫描模式。因此，需要对A 点进行标定，使其移动到标准的扫描位置点上，做法如下。以A为原点(0，0)建立直角坐标系，将光学平板旋转180°，目的是要寻找到与A
点距离最大的B点，也就是使+ Y达到最大值的(Xl，yi)，则A、B两点的连线即为圆的
一条直径，线段AB的中点就是圆心0。M、N、P、Q四个点为完成标准2X2微扫描所要求取的四个像点的位置，它们分别分布在第二象限、第一象限、第四象限、第三象限，将这四个点顺序连接起来则是圆的一个内接正方形，且其四边与横、纵坐标轴分别平行。S为X轴负半轴上的一点，Z为X轴正半轴的一点，W为Y轴正半轴上的一点。在以点A为原点的坐标系 XAY中，利用图像配准算法，得出B点的坐标(Xl，Y1)，因为线段AB为圆的直径，根据两点的坐标值(0，0)和(xi; yi)，进而可以得到圆心0的坐标( ，y0)。再由0点和B点的坐标联合计算出Z BOZ的大小，ΔΒΟΖ = arctanj^~
I^i 一 -^o I下面将以B点在坐标系ZOW中坐标(X。，Y0)的不同的位置情况来讨论，其中\ = Xl/2，Y0 = yi/2。 I .X0 > 0, Y0 < 0微扫描零点的确定 如图5所示。因为正方形MNPQ的特殊性，由几何原理可得Z QOZ = 45°。将计算出来的Z BOZ与Z QOZ进行比较，若Z BOZ < 45°，则B点在Q点上方，将此两角作差 45° -Z Β0Ζ,则得到Z BOQ的大小。此时只要将光学平板顺时针旋转Z B0Q, B点和Q点即可重合，达到定标的目的；若Z BOZ > 45°，则B点在Q点的下方，此时只要将光学平板逆时针旋转Z BOQ到达Q点，即可完成定标。这样物体透过光学平板在探测器上所成的像点就落在了 Q点的位置上，至此亦完成了第一个点的定标工作，此时即可采集第一幅图像。Q点定标完成后，再将光学平板顺时针旋转90°。由于光学平板的不平整性、旋转的不均勻性或震动等因素的存在，致使所成像点不能准确的落在P点的位置上，若这时采集图像的话，必然造成误差，影响后续图像重构工作的质量，限制了系统分辨力的提高，最终的图像达不到十分清晰的再现物体的目的。为此，需要再次进行定标，使所成像点调整到 P点的位置。如图6所示，此时所成像点虽不与P点重合，但亦在P点附近的C点，如果C点在 P点下方。根据图像配准的算法，得到此时C点的坐标(x，y)，根据Q、C两点坐标值计算出 Z SOC的大小，计算方法如下根据C点相对Q点的坐标(X，y)，可以计算出
权利要求
1. 一种光学微扫描显微成像系统的微扫描定标方法，其特征在于，该方法的实现过程为1)选定基准A，A为成像系统刚刚启动时捕捉到的像点，或成像系统工作中光学平板停止任意角度时捕捉到的像点，以A为原点建立坐标系XAY ；2)将光学平板顺时针旋转180°，此时的像点为待定标点B1，计算该待定标点B1的坐标；3)以线段AB1的中点为圆心，以线段AB1为直径，建立圆0，以0为原点，建立坐标系ZOff ；4)计算圆心0在坐标系XAY的坐标(Xq，y0)；5)对当前待定标点B1,根据预定的定标规则1确定光学平板的旋转角度和旋转方向， 利用所确定的旋转角度和旋转方向，对光学平板进行旋转将待定标点移至理想点，采集第一幅图像；6)将光学平板顺时针旋转90°，此时的像点为待定标点氏，计算该待定标点在坐标系 XAY的坐标；7)对当前待定标点，根据预定的标定规则2得到当前微扫描成像位置，完成对第二个点的定标，采集第二幅图像；8)继续将光学平板顺时针旋转90°，此时的像点为待定标点B3,计算该待定标点在坐标系XAY的坐标；9)对当前待定标点根据预定的标定规则2得到当前微扫描成像位置，完成对第三个点的定标，采集第三幅图像；10)继续将光学平板顺时针旋转90°，此时的像点为待定标点B4,计算该待定标点在坐标系XAY的坐标；11)对当前待定标点根据预定的标定规则2得到当前微扫描成像位置，完成对第四个点的定标，采集第四幅图像；所述的预定的定标规则1，具体是1)在以点A为原点的坐标系XAY中，利用图像配准算法，得出当前待定标点的坐标 (X1, Y1),计算它与0点连成的线段与Z轴所成的夹角θ，计算所要旋转的校正角度α为 45° -Θ ；2)计算当前待定标点在坐标系ZOW中的坐标0CQ，YQ)；3)当待定标点的坐标(Xtl,Y0)在坐标系ZOW中位于第一象限或第三象限时 当α > 0，对光学平板逆时针旋转，旋转角度为I α I ；当α < 0，对光学平板顺时针旋转，旋转角度为I α I ； 当待定标点的坐标(Xci, Y0)在坐标系ZOW中位于第二象限或第四象限时 当α > 0，对光学平板顺时针旋转，旋转角度为I α 当α < 0，对光学平板逆时针旋转，旋转角度为I α I ； 所述的预定的定标规则2，具体是以标定好微扫描零点B点为起点，将光学平板顺时针旋转90°，此时到达一个点C并采集图像，MNPQ为圆0的内接正方形，N、Μ、P、Q分别在坐标系ZOW的第一、二、三、四象限， R为过C点做的Z轴平行线与直线NR的交点，与内接正方形如果C点在P点下方；根据图像配准的算法，得到此时C点的坐标(X，y)，根据Q、C两点坐标值计算出Z SOC的大小，计算方法如下根据C点相对Q点的坐标(X，y)，可以计算出 ZQCR = arctg-XZPQC=Z QCR 而Z OQP = 45°由图知.ZOCQ 二 ZOQC = ZOQP + ZPQC = 45° + arctg^ χ所以:ZSOC = ZQCR = ZOCQ + arctg= 45。+ 2arctg^XX然后将光学平板顺时针旋转ZPOC = ZSOC - 45° = Iarctg^-，则从C点转到到P点，得χ到当前微扫描成像位置，完成第二个微扫描成像点的定标； 如果C点在P点上方，则有ZOCQ 二 ΖΟβ = 45。- arctgXZOCR = ZOCQ - arctg= 45° — Iarctg^-XχZSOC = ZOCR = 45° -Iarctg^χZPOC = 45° - ZSOC = Iarctg^-X此时将光学平板逆时针旋转ZPOC = Iarctg^-，即从C点转到到P点，得到当前微扫描成像位置，完成第二个微扫描成像点的定标。
全文摘要
本发明涉及一种光学微扫描显微成像系统的微扫描定标方法，属于成像领域。本发明针对申请号为200810183262.0的发明“零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用”的不足之处，在继承其优势的基础上加以改进，相比于专利“零点定标方法及在光学微扫描显微热成像系统中的应用”，本发明不仅完成了准确第一个微扫描点的定标，而且，其余三个采像点也是通过同样的方法定标来的，这样就可以直接取得四幅理想位置上的图像，经过合成，就可以得到原物体清晰的像，因而提供一种更为精确的零点定标方法，从而更进一步提高成像系统空间分辨力。
文档编号G01J5/10GK102183305SQ20101061793
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者张磊, 金伟其, 高美静 申请人:燕山大学