扫描成像中像素分辨率的恢复制造技术

本发明专利技术描述了一种用以借助于亚像素采样来提高高速激光扫描成像的像素分辨率的技术，其适用于一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）成像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】扫描成像中像素分辨率的恢复
本专利技术的领域涉及成像系统中的数据获取方法。
技术介绍
受由高采样率操作带来的困境的激励，我们的专利技术是一种像素超分辨率（像素-SR）技术，其提高了以较低采样率的高速激光扫描成像（例如，时间拉伸成像或自由空间角度啁啾增强延迟（FACED）成像）的像素分辨率（即，抗锯齿），任何商业级数字转换器都可轻松支持该技术。它基于像素-SR的一般概念，其中可以根据通过较低采样率捕获的多个亚像素移位的低分辨率（LR）图像来恢复高分辨率（HR）图像信息。与像素-SR技术方面的现有技术不同，我们的专利技术利用了以下事实：即连续线扫描的亚像素移位（在成像期间）是由激光扫描重复频率与后端数字化器的采样频率之间的不匹配自然生成的——一种出现在全部类型的激光扫描成像模式中的特征。因此，它不需要以超快速率有效地同步控制用于精确的亚像素移位操作的照明或检测。与任何经典的像素-SR成像技术不同，由于高度精确和可重新配置的像素漂移，我们的专利技术不需要用于受控亚像素移位运动的任何附加硬件（例如，检测器平移、照明射束控制）或用于不受控制的运动的复杂图像像素配准算法。在不牺牲以高速扫描速率的空间分辨率的情况下，我们的专利技术可以有益于在超快和/或高通量成像应用中应用的任何激光扫描成像，范围从工业制造中的表面检查和质量控制（例如，网络检查的机器视觉、半导体VLSI芯片制造）、非接触式计量到基础生命科学中（生物医学和环境研究中）的单细胞分析和临床诊断（例如，基于细胞的测定和组织微阵列（TMA）、整个载玻片成像（WSI））。
技术实现思路
即使以较低采样率——对于（以超过亚MHz的线扫描率的）超快成像也提高或恢复高速激光扫描成像的像素分辨率，而不损害空间分辨率。其中连续线扫描的亚像素移位（在成像期间）由激光扫描重复频率与数字转换器的采样频率之间的不匹配自然生成的通用的像素-SR技术适用于1D、2D和3D激光扫描成像策略。全部无源的像素-SR技术不需要用于受控亚像素移位运动的任何附加硬件或用于不受控制的运动的复杂的图像像素配准算法。高精度且可重新配置的像素漂移和独特的像素配准算法。附图说明图1示出了1D、2D和3D激光扫描策略的示意图；图2示出了根据本专利技术的实施例的标本[3]的即时线扫描成像的示意图；图3描绘了根据本专利技术的实施例的图像扭曲配准的图形表示；图4示出了根据本专利技术的实施例的时间拉伸图像的示意图及其在示波器的不同采样率下的恢复；图5展示了在基于高通量成像的自动化分类中的像素-SR成像的实施例；图6示出了根据本专利技术的实施例的以像素-SR算法恢复HR时间拉伸图像的像素分辨率的改进的示意图；图7示出了根据本专利技术的实施例的以不同锁相环比率P/Q的前6个亚像素样本的示意图。具体实施方式我们的专利技术是一种像素-SR技术，其提高了以较低采样率的高速激光扫描成像（例如，时间拉伸成像或自由空间角度啁啾增强延迟（FACED）成像）的像素分辨率（即，抗锯齿），任何商业级数字转换器都可轻松支持该技术。它可适用于1D[1]、2D[5]和3D[6]激光扫描策略（图1）。在一个实施例中，通过采样时钟偏移的时间交错测量源于数字转换器采样时钟从激光扫描频率解锁的事实（例如，脉冲激光源[7]，或通常是扫描元件）。通过以较低采样率利用该效应，本专利技术能够提取多个LR图像，每个LR图像是以高时间精度（例如，时间拉伸成像或FACED成像中的数十皮秒）自动地亚像素移位的。在一个实施例中，标本[3]的单向运动的1D线扫描[1]，例如微流体流[2]中的生物细胞。通过数字堆叠捕获的线扫描[1]来重建2D图像[11]，使得得到的2D图像[11]的快轴[4]是线扫描方向，并且慢轴[2]对应于样本运动方向。在一个实施例中，2D线扫描[5]通过沿慢轴[8]扫描线扫描射束来实行，而与沿慢轴[8]的线扫描速度相比，标本[3]处于固定方位处或者处于慢速运动中。通过数字堆叠捕获的线扫描[5]来重建2D图像[11]。在一个实施例中，3D线扫描[6]通过以2D（即，沿慢轴[6]和轴向轴线[8]两者）来扫描线扫描射束来实行。与沿慢轴[6]和轴向轴线[8]的线扫描速度相比，标本[3]处于固定方位处或者处于慢速运动中。为了演示，我们考虑最常见形式的激光扫描成像，其是1D线扫描[1]成像。它已经在广泛的应用中得到证实，从流式细胞术到表面检查，即，标本[3]的即时（on-the-fly）线扫描成像（图2）。在1D线扫描[1]成像的一个实施例中，成像标本[3]是微流体流[2]中的生物细胞。在这种情况下，沿快轴[4]的像素分辨率是线性流速υy和激光脉冲重复率F的乘积，即，。另一方面，沿慢轴[2]的像素分辨率由成像设置的分辨能力和扫描速度独立地确定，即，其中C是系统的扫描速度（或基本上是空间到时间的转换因子）；并且f是数字转换器的采样率。当以低采样率操作时，超快流[2]的激光扫描成像生成细长的像素[9]（图2）。例如，我们发现，原先的LR像素[9]的纵横比，被定义为(1)在超过MHz操作的典型超快激光扫描成像配置（例如，时间拉伸成像或FACED成像）中小到10-2数量级。理想地，如果数字转换器的采样时钟频率f被锁定到激光脉冲重复率F，则线扫描将沿慢轴完美对准。实际上，每个线扫描的平均像素数（）不是整数。线扫描[1]似乎沿着慢轴[2]“漂移”，因此2D图像[11]看起来是高度扭曲的，特别是在低采样率下（图2）。具体地，由于采样率f是根据激光脉冲重复速率F解锁的，所以观察到相邻时间拉伸线扫描[1]之间的像素漂移，并且其可以被表达为(2)其中整数N是舍入到最接近的整数的每个线扫描的像素数。可以示出的是。因此，扭曲角被给出为，如图2中图示的。使图像去扭曲的常见且直接的方法是重新对准2D图像[11]（图2）。然而，如之后示出的，这将导致图像混叠和伪像，它们在较低采样率下特别严重（图2）。此外，数字上采样并不添加额外的图像信息，因此沿快轴并不提供分辨率上的改进。我们的专利技术利用扭曲效应在快轴[4]和慢轴[2]两者上产生相对“亚像素移位”，因此恢复高分辨率2D图像[12]（图2）。我们专利技术的独特之处在于图像扭曲配准方法。我们首先记录网格[13]的精确扭曲角θ（图2）。这可以通过使用线扫描[1]的有意的非均匀照明背景（例如，时间拉伸成像中的激光光谱，或者在扫描期间改变/调制照明强度）作为参考来完成。所测量的扭曲角的精度严重影响像素-SR算法的性能（图3）。具体地，需要为系统中引入的非均匀照明分布的准确提取来补偿该扭曲，其被评估为(3)其中，M是扭曲图像的线扫描的数量，函数是以角度θ的图像去扭曲滤波器。注意在3D激光扫描的情况下，还应该评估沿轴向-慢轴平面（即，图1中的[4]和[8]）的扭曲角θ。理想地，可以通过从去扭曲图像[11]中直接减去背景来获得“干净的”前景。扭曲角θ的值中的误差会在所估计的背景中引起失真，从而导致被叠加到前景标本[3]上的带状伪像。然而，可以利用该属性来通过最大化所提取的前景的“清洁度”（即，通过最小化前景的能量）来获得准确的值，被表达为(4)其中整数N是每个线扫描的像素数。图3描绘了图像扭曲配准的图形表示。在该步骤之后，可以通过减去具有高带宽1D参考照明信号背景的中间“去扭曲”图像来容易地抑制非均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高高速激光扫描成像的像素分辨率的方法，用以借助于亚像素采样来提高高速激光扫描成像的像素分辨率，适用于一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）成像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.28 US 62/4009261.一种提高高速激光扫描成像的像素分辨率的方法，用以借助于亚像素采样来提高高速激光扫描成像的像素分辨率，适用于一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）成像。2.如权利要求1所述的方法，其中借助于亚像素采样来提高高速激光扫描成像的像素分辨率包括：根据多个亚像素移位的低分辨率（LR）图像来恢复高分辨率（HR）图像信息，所述多个亚像素移位的低分辨率（LR）图像通过数字转换器的较低采样率捕获，这借助于在成像期间由高速激光扫描成像的激光扫描重复频率与数字转换器的采样率之间的不匹配自然生成的连续线扫描的亚像素移位。3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述高速激光扫描成像包括标本的即时线扫描成像，其中即时线扫描指代所述标本与所述激光线扫描射束之间的相对运动。4.如权利要求3所述的方法，其中所述标本的即时线扫描成像包括：利用单向运动对所述标本应用1D线扫描，并且通过数字堆叠所捕获的1D线扫描来重建2D图像，并且其中得到的2D图像的快轴对应于线扫描方向，并且慢轴对应于标本运动方向。5.如权利要求3所述的方法，其中所述标本的即时扫描线成像包括：通过沿着所述慢轴扫描所述线扫描射束来对所述标本应用2D线扫描，并且通过数字堆叠所捕获的1D线扫描来重建2D图像，并且其中得到的2D图像的快轴对应于所述线扫描方向，并且慢轴对应于线扫描射束运动方向。6.如权利要求3所述的方法，其中所述样本的即时扫描成像包括：通过沿所述慢轴和轴向轴线扫描所述线扫描射束来对所述样本应用3D线扫描，并且通过数字堆叠沿着所述慢轴和轴向轴线的所捕获的1D线扫描来重建3D图像，并且其中得到的3D图像的快轴对应于所述线扫描方向，并且慢轴和轴向轴线对应于所述线扫描射束运动方向。7.如权利要求4所述的方法，进一步包括：利用得到的2D或3D图像的扭曲效应来在所述快轴、慢轴和轴向轴线上产生相对亚像素移位，以恢复高分辨率的2D或3...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢坚文，陈志诚，
申请(专利权)人：港大科桥有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81