專(zhuān)利名稱(chēng)：零點(diǎn)定標(biāo)方法及在光學(xué)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)的微掃描 零點(diǎn)定標(biāo)方法，屬于紅外熱成像領(lǐng)域，可解決已研制光學(xué)微掃描顯微 熱成像系統(tǒng)實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，提高系統(tǒng)的空間分辨力，該光學(xué)微掃 描顯微熱成像系統(tǒng)可用于微電子芯片及其電路設(shè)計(jì)和故障檢測(cè)、生物 醫(yī)學(xué)顯微熱成像分析、科學(xué)研究等領(lǐng)域，提供高分辨力微細(xì)熱分析的 技術(shù)手段。
背景技術(shù)：
熱成像技術(shù)目前在工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷和科學(xué)研究等領(lǐng)域己獲得 廣泛的應(yīng)用，成為有效的熱診斷工具。但目前大多數(shù)熱成像系統(tǒng)為望 遠(yuǎn)工作模式，不適宜應(yīng)用在需要顯微分析和檢測(cè)的場(chǎng)合，影響了對(duì)事 物的認(rèn)識(shí)和故障的分析。而實(shí)際卻有許多需要顯微熱分析和檢測(cè)的場(chǎng) 合。例如，在微電子集成芯片及其電路的設(shè)計(jì)、可靠性分析以及缺陷 檢測(cè)中，需要利用顯微熱成像技術(shù)進(jìn)行非接觸測(cè)量診斷；在生物醫(yī)學(xué) 診斷中，需要利用顯微熱成像技術(shù)對(duì)癌細(xì)胞的診斷與生長(zhǎng)分析提供技 術(shù)手段等。
為了滿(mǎn)足上述領(lǐng)域的需要，國(guó)外90年代開(kāi)始推出顯微熱成像系 統(tǒng)。由于顯微熱成像屬于放大成像，要求探測(cè)器具有較高的熱靈敏度， 因此，國(guó)外顯微熱成像系統(tǒng)的核心部件大多基于制冷型紅外探測(cè)器， 所以國(guó)外的顯微熱成像系統(tǒng)價(jià)格昂貴、功耗大、體積大、重量重。由 于以上原因，顯微熱成像產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用受到極大的限制。目 前只有幾篇關(guān)于進(jìn)口制冷型熱成像顯微鏡的使用報(bào)道。例如，電子5 所1996年引進(jìn)美國(guó)的EDO/BARNES公司的顯微紅外熱像儀Infra-Sco-pe，它采用液氮制冷的InSb焦平面探測(cè)器，配置10x, 5X, lx， 1/5x的紅外物鏡，最高空間分辨力可達(dá)5(im。清華大學(xué)引進(jìn)TVS-5000
4型顯微熱像儀進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計(jì)。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)顯微鏡熱成像產(chǎn)品 的研發(fā)還比較薄弱，尚無(wú)熱成像顯微鏡產(chǎn)品出現(xiàn)。
非制冷焦平面探測(cè)器具有較高性?xún)r(jià)比、無(wú)需制冷、功耗低、體積 小、重量輕等特性，特別是近年來(lái)隨著熱成像技術(shù)的發(fā)展，非制冷焦 平面探測(cè)器成本大大降低，促進(jìn)了在各種領(lǐng)域的應(yīng)用。但目前尚未見(jiàn) 到基于非制冷焦平面探測(cè)器顯微熱成像系統(tǒng)的專(zhuān)門(mén)報(bào)道或產(chǎn)品。
為此，申請(qǐng)人基于非制冷紅外焦平面探測(cè)器研制了一種新型的顯 微熱像儀，已申請(qǐng)了專(zhuān)利"顯微熱成像方法及其裝置"(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?
2007101001656)。由于探測(cè)器陣列規(guī)模較小(320x240或384x288)以及 探測(cè)器單元尺寸較大(45)imx45iim或38^x38,)，為了獲得更高的空 間分辨力，我們進(jìn)一步研究了一種基于光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描器的高分辨 力顯微熱成像系統(tǒng)(如圖1)，并申請(qǐng)了專(zhuān)利"帶有光學(xué)平板微掃描器的 高分辨力顯微熱成像方法"(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710160758.1)。其通 過(guò)光路中傾斜平板的旋轉(zhuǎn)，獲得2x2微掃描的圖像，進(jìn)而經(jīng)過(guò)過(guò)采樣 重構(gòu)，獲得高分辨力顯微熱圖像。
然而在平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)中，不論是系統(tǒng)安裝還是檢 測(cè)之后，由于各次安裝熱成像組件的方位角不完全一致，需要對(duì)2x2 微掃描零點(diǎn)(角度)位置進(jìn)行新的標(biāo)定，否則所采集的4幅圖像微位移位 置偏離標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描的正立方形，過(guò)采樣重構(gòu)的圖像質(zhì)量比雙線(xiàn)性 放大的質(zhì)量差，光學(xué)平板微掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功虧一簣，系統(tǒng)的空間分辨 力得不到提高。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明基于幾何原理和數(shù)字圖像處 理方法，研究利用兩幀圖像的微位移確定微掃描零點(diǎn)及過(guò)采樣重構(gòu)的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種零點(diǎn)定標(biāo)方法及在光學(xué)微掃描顯微熱 成像系統(tǒng)中的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)人已發(fā)明專(zhuān)利"帶有光學(xué)平板微掃描 器的高分辨力顯微熱成像裝置"中微掃描零點(diǎn)定標(biāo)，從而提高系統(tǒng)空間分辨力。該方法采用兩幀圖像的亞像素級(jí)微位移完成零點(diǎn)定標(biāo)，使 系統(tǒng)空間分辨力明顯提高。
本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一種零點(diǎn)定標(biāo)方法，以旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)，采集第
一幅圖像，然后順時(shí)針選轉(zhuǎn)90°釆集第二幅圖像；利用頻率域圖像配 準(zhǔn)技術(shù)計(jì)算兩幅圖像之間的微位移，然后基于幾何原理和標(biāo)準(zhǔn)2x2微 掃描原理確定到微掃描器零點(diǎn)需要旋轉(zhuǎn)的角度和方向；
角度和方向共分為如下四種情況
① x>0,y>0，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)光學(xué)平板ZhZ4-w"gZ度；
② x>0，y<0，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Zh"Wgtl度；
③ jc<0，><0，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Zl-180。-Zflr"gZ度；
jc<0j>0,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)Z1-18(T-Zwc,g占度；
w
特例
①若x=0,y =1 1則將光學(xué)平板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可；
②〖 一￥，則將光學(xué)平板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可；
③若x2則將光學(xué)平板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°即可;
④若x=0,"〖 f i，'如將光學(xué)平板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可；
其中旋轉(zhuǎn)的角度均是在旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)位置r上開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。
其微掃描零點(diǎn)定標(biāo)的定義為標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式下采集第一幅
欠采樣圖像的位置。
本發(fā)明的一種零點(diǎn)定標(biāo)方法在光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成像
系統(tǒng)的應(yīng)用步驟如下
(1) 通過(guò)紅外顯微物鏡和紅外光學(xué)平板將物體的紅外輻射圖像 成像到紅外焦平面探測(cè)器上；
(2) 利用微掃描控制器旋轉(zhuǎn)光學(xué)平板到旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)位置；(3) 以步驟(2)中的旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)，采集第一幅圖像，然 后順時(shí)針選轉(zhuǎn)90。釆集第二幅圖像；
(4) 利用頻率域圖像配準(zhǔn)技術(shù)計(jì)算兩幅圖像之間的微位移，然后 基于幾何原理和標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描原理確定到微掃描零點(diǎn)所需要旋轉(zhuǎn)的 角度和方向；
(5) 根據(jù)步驟(4)中得到的角度和方向，通過(guò)微掃描控制器控制旋 轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度即完成微掃描零點(diǎn)的定標(biāo)；
(6) 以步驟(5)中的微掃描零點(diǎn)為起點(diǎn)，由控制器控制固定光學(xué)平 板的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使顯微熱圖像通過(guò)光學(xué)平板后，在四個(gè)依次相差90°的 傾角條件下，形成標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式，得到4幀低分辨力圖像；
(7) 通過(guò)圖像采集卡依次將步驟(6)中的4幀低分辨力標(biāo)準(zhǔn)視頻熱 圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，并存于計(jì)算機(jī)中；
(8) 按標(biāo)準(zhǔn)2x2模式采集圖像的方式，將步驟(7)中的4幅圖像直 接插值即可得到高分辨力圖像；
(9) 對(duì)步驟(8)中的高分辨力圖像進(jìn)行顯微熱圖像顯示、分析、 存儲(chǔ)和其它(如超分辨力復(fù)原)處理。
4、如權(quán)利要求3所述的一種零點(diǎn)定標(biāo)方法在光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃 描顯微熱成像系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于所述步驟(6)中，首先旋轉(zhuǎn) 光學(xué)平板到與水平方向成45。的左上方位置1 (微掃描零點(diǎn))，完成第 l次成像；然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)光學(xué)平板90。，使成像位置在探測(cè)器陣列上 向右移動(dòng)I/2，即與水平方向成45。的右上方位置2，完成第2次圖像； 在位置2的基礎(chǔ)上，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。，使成像位置在探測(cè)器陣列向 下位移得到右下方位置3的第3幅圖像；最后再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90 ° 到達(dá)位置4，獲得第4次成像；以上過(guò)程周期循環(huán)進(jìn)行，采用最新的4 幅低分辨力圖像按標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式插值可獲得1幅高分辨力的過(guò) 采樣圖像。 有益效果
本發(fā)明與國(guó)外顯微熱成像方法相比，由于非制冷焦平面探測(cè)器具 有較高的性?xún)r(jià)比、無(wú)需制冷、功耗低、體積小、重量輕等特性，使顯
7微熱成像系統(tǒng)成本大大降低。同時(shí)因?yàn)椴捎脝螇K紅外平行平板的微掃 描器裝置及定位精度高、速度快和易于系統(tǒng)的硬件和實(shí)時(shí)化處理的微 掃描零點(diǎn)定標(biāo)方法，系統(tǒng)的空間分辨力得到明顯提高，可用于需要高 分辨力的顯微熱分析的場(chǎng)合從而促進(jìn)顯微熱成像技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的 應(yīng)用，提高設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)分析和研究的技術(shù)水平，提高診斷的效率與可 靠性。


圖1是光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)照片； 圖2是單塊光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)2x2微掃描示意圖； 圖3是標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式成像位置； 圖4是微掃描零點(diǎn)偏差下的成像位置； 圖5是;o0，j^0微掃描零點(diǎn)確定示意圖； 圖6是1>0，^<0微掃描零點(diǎn)確定示意圖； 圖7是;c < < 0微掃描零點(diǎn)確定示意圖； 圖8是;c < O,y > 0微掃描零點(diǎn)確定示意圖9是實(shí)際光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)微掃描零點(diǎn)定 標(biāo)前后按標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式采集4幅圖像的微位移位置圖，其中
(a) 是零點(diǎn)定標(biāo)前的微位移位置圖，(b)是零點(diǎn)定標(biāo)后的微位移位置 圖IO是高分辨力熱圖像及其微掃描欠采樣圖像；其中(a)是原 始髙分辨力圖像，(b)是4幀低分辨力圖像；
圖ll是熱圖像過(guò)采樣重構(gòu)仿真研究，其中(a)是過(guò)采樣重構(gòu)圖像，
(b) 是雙線(xiàn)性放大圖像；
圖12是實(shí)際采集的顯微熱圖像；
圖13是人民幣一角硬幣顯微熱圖像，其中 (a)是直接過(guò)采樣圖像(SNT =6.0487)， (b)是雙線(xiàn)性放大圖像(SNT =6.0487)。
8
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。 1、定義光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描器及其零點(diǎn)
光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描器包括紅外光學(xué)平板、精密光學(xué)平板支座、 高精度電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及其控制器等。光學(xué)平板支座保證光學(xué)平板與成像 系統(tǒng)光軸保持一定傾角e，當(dāng)平板繞光軸進(jìn)行方位角旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)集光束的聚焦點(diǎn)將在成像面上形成以原像點(diǎn)為中心，A為半徑的圓周(如圖 2)。如果以探測(cè)器陣列的直角坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)光學(xué)平板使其分別在 45° 、 135° 、 225°和315°等4個(gè)位置進(jìn)行圖像采樣，且根據(jù)光學(xué)平 板的折射率/7，設(shè)計(jì)平板厚度d和傾斜角度e，使7^ =丄/2(其中丄為 探測(cè)器單元的中心距)，則由此獲得標(biāo)準(zhǔn)2X2微掃描模式下的4幅低分 辨力欠采樣圖像(如圖3)。定義系統(tǒng)微掃描零點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)2X2微掃描模 式下采集第一幅欠采樣圖像的位置(如圖3采集點(diǎn)1)。
由于系統(tǒng)的熱成像組件屬于可拆卸模式，每次安裝后探測(cè)器方向 與電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的零點(diǎn)定位均存在一定的偏差。如果仍按以前確定的 旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行2x2微掃描，則由于微掃描零點(diǎn)位置的偏差，造成所有 微掃描位置的偏差(如圖4)，難以得到標(biāo)準(zhǔn)2x2的微掃描模式下相互 之間水平和垂直錯(cuò)位1/2探測(cè)器間距的4幅低分辨力圖像，直接影響 后續(xù)高分辨力圖像的重構(gòu)，無(wú)法提高系統(tǒng)空間分辨力，有時(shí)分辨力甚 至?xí)档?。因此，快速?zhǔn)確地獲得系統(tǒng)的微掃描零點(diǎn)成為系統(tǒng)實(shí)用化 的關(guān)鍵。
2、光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)零點(diǎn)定標(biāo)方法
為了獲得微掃描零點(diǎn)，在系統(tǒng)安裝完畢后，以某選定(按探測(cè)器方 向大致確定的方向或上一次標(biāo)定的零點(diǎn))的旋轉(zhuǎn)臺(tái)角度為測(cè)試零點(diǎn)，進(jìn) 行間隔為90。的旋轉(zhuǎn)掃描，獲得4幅低分辨力欠采樣圖像。如圖5，以 光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)0，建立直角坐標(biāo)系《OF,，在掃描圓周上， 正方形1234為標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式下4幅欠采樣圖像的采集位置，其中點(diǎn)1為系統(tǒng)微掃描零點(diǎn)，即校正標(biāo)定需要確定的零點(diǎn)；正方形l'2'3'4' 為以旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)獲得的4幅欠采樣圖像的采集位置，其中點(diǎn)
r為旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)。
以r位置為原點(diǎn)o'，建立相對(duì)《OF,平移的直角坐標(biāo)系;^oT2，
利用改進(jìn)的頻域圖像配準(zhǔn)算法計(jì)算出位置2'圖像相對(duì)于位置l'圖像的
亞像素級(jí)微位移量(JC,力，進(jìn)一步根據(jù)(1，力在％2072坐標(biāo)系的象限確定
微掃描零點(diǎn)l。以下將根據(jù)x， y的正負(fù)四種情況來(lái)研究微掃描零點(diǎn)的 確定問(wèn)題。
x>0，y>0微掃描零點(diǎn)的確定
此時(shí)零點(diǎn)偏移情況如圖5所示。 由圖5可知
Z2 = Z3 (1) 而由標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式知
Zl + Z2 = 45。， Z3 + Z4 = 45° (2)
最后得到
Zl = Z4 = a/r/gZ (3) 即由旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)l'將光學(xué)平板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)Zl = w"gO;/;c)后即得到
微掃描零點(diǎn)l。
以此微掃描零點(diǎn)1為起點(diǎn)釆集第一幅圖像，然后依次間隔卯。完
成其它3次位置的成像，即得到如圖4中藍(lán)色正方形所示的標(biāo)準(zhǔn)2x2 的微掃描模式所需要的沿水平和垂直方向分別移動(dòng)像素間距一半的4 幅欠采樣圖像，從而為后續(xù)的微掃描高分辨力圖像重構(gòu)打下基礎(chǔ)。
特例若;c-0，y-l，則將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)卯。即可。
X>0， y<0微掃描零點(diǎn)的確定
此時(shí)零點(diǎn)偏移情況如圖6所示。推導(dǎo)得
<formula>formula see original document page 10</formula>特例若;c-0,"-夸，則將光學(xué)平板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。即可。
x<0, y<0微掃描零點(diǎn)的確定
此時(shí)零點(diǎn)偏移情況如圖7所示。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得
Zl = 180°-Zfl,Z (5) ;c
特例若1 = _|，"0，則將光學(xué)平板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°即可。
x<0， y>0微掃描零點(diǎn)的確定
此時(shí)零點(diǎn)偏移情況如圖8所示。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得
Zl = 180°-Z3 = 180°-(6)
特例若;c-O，y-l，則將光學(xué)平板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。即可。
本發(fā)明提供的一種零點(diǎn)定標(biāo)方法及在光學(xué)微掃描顯微熱成像系 統(tǒng)中的應(yīng)用的具體步驟如下
(1) 通過(guò)紅外顯微物鏡和紅外光學(xué)平板將物體的紅外輻射圖像 成像到紅外焦平面探測(cè)器上；
(2) 利用微掃描控制器旋轉(zhuǎn)光學(xué)平板到旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)位置；
(3) 以旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)，采集第一幅圖像，然后順時(shí)針選 轉(zhuǎn)90。采集第二幅圖像；
(4) 利用頻率域圖像配準(zhǔn)技術(shù)計(jì)算兩幅圖像之間的微位移，然后
基于幾何原理和標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描原理確定到微掃描器零點(diǎn)需要旋轉(zhuǎn)的 角度和方向；
(5) 根據(jù)(4)中得到的角度和方向，通過(guò)微掃描控制器控制旋轉(zhuǎn)平
臺(tái)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度即完成微掃描零點(diǎn)的定標(biāo)；
(6) 以步驟(5)中的微掃描零點(diǎn)為起點(diǎn)，由控制器控制固定光學(xué)平 板的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使顯微熱圖像通過(guò)光學(xué)平板后，在四個(gè)依次相差90。的 傾角條件下，形成標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式，得到4幀低分辨力圖像；(7) 通過(guò)圖像采集卡依次將步驟(6)中的4幀低分辨力標(biāo)準(zhǔn)視頻熱 圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，并存于計(jì)算機(jī)中；
(8) 按標(biāo)準(zhǔn)2x2模式采集圖像的方式，將步驟(7)中的4幅圖像直
接插值即可得到高分辨力圖像；
(9) 對(duì)步驟(8)中的高分辨力圖像進(jìn)行顯微熱圖像顯示、分析、存 儲(chǔ)和其它(如超分辨力復(fù)原)處理。
本發(fā)明的核心是解決已研制光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成像系 統(tǒng)的微掃描零點(diǎn)定標(biāo)問(wèn)題，并以該零點(diǎn)為起點(diǎn)采集4幅圖像完成過(guò)采 樣重構(gòu)，從而提高顯微熱成像系統(tǒng)的空間分辨力。
實(shí)施例
1、實(shí)際光學(xué)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)微掃描零點(diǎn)定標(biāo) 利用上述微掃描零點(diǎn)定標(biāo)方法對(duì)實(shí)際顯微熱成像系統(tǒng)進(jìn)行零點(diǎn) 定標(biāo)。圖9給出微掃描零點(diǎn)定標(biāo)前后按標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式采集的4 幅低分辨力圖像微位移位置，圖中坐標(biāo)單位均為1個(gè)單位像元。可以 看出經(jīng)過(guò)微掃描零點(diǎn)定標(biāo)后，低分辨力圖像采集位置較定標(biāo)前明顯 接近正立的正四邊形，這表明微掃描系統(tǒng)零點(diǎn)定標(biāo)方法的有效性-。
當(dāng)然，由于實(shí)際加工、裝調(diào)及系統(tǒng)工作中機(jī)械震動(dòng)和環(huán)境等不可 避免的誤差因素，使得目前采集4幅圖像的微位移位置還不是嚴(yán)格的 正立正方形。以下將利用圖9定標(biāo)后微掃描位置模擬和實(shí)際采集的4 幅低分辨力圖像，進(jìn)行過(guò)采樣重構(gòu)的仿真和實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際 顯微熱成像系統(tǒng)光學(xué)微掃描零點(diǎn)定標(biāo)的有效性。
2、紅外熱圖像過(guò)采樣重構(gòu)仿真研究
利用圖9(b)定標(biāo)后微位移位置由高分辨力圖像(圖10(a)，640x512 像素)模擬得到4幅低分辨力圖像(圖10(b)， 320x256像素)。
圖11給出了采用圖10(b)的第1幀低分辨力圖像的雙線(xiàn)性插值放 大法和過(guò)采樣重構(gòu)法(零點(diǎn)定標(biāo)后)進(jìn)行圖像重構(gòu)的結(jié)果。其中過(guò)釆樣
12重構(gòu)法是由圖10(b)的4幀低分辨力圖像按標(biāo)準(zhǔn)2x2過(guò)采樣直接嵌入 的方法。
相應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)如表1所示，其中過(guò)采樣重構(gòu)(定標(biāo)前)是以旋轉(zhuǎn) 臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)進(jìn)行間隔為90。的旋轉(zhuǎn)掃描獲得4幅低分辨力欠采樣 圖像，然后按標(biāo)準(zhǔn)2x2過(guò)采樣進(jìn)行直接過(guò)釆樣重構(gòu)。
從目視效果和評(píng)價(jià)參數(shù)知過(guò)采樣方法重構(gòu)(定標(biāo)后)的細(xì)節(jié)還原能 力(房頂及樓房窗戶(hù)、空調(diào)等細(xì)部)等優(yōu)于雙線(xiàn)性放大法，其圖像信息 更豐富，可分辨的細(xì)節(jié)最多，圖像更清晰；而系統(tǒng)零點(diǎn)定標(biāo)前的評(píng)價(jià) 參數(shù)不僅比定標(biāo)后的差，而且小于雙線(xiàn)性放大法，以上兩者說(shuō)明了實(shí) 際系統(tǒng)零點(diǎn)定標(biāo)的正確性和必要性。
表l紅外熱圖像重構(gòu)的評(píng)價(jià)參數(shù)
圖像處理形式PSNRQSNT
雙線(xiàn)性放大79.21190.99117.6377
過(guò)釆樣重構(gòu)(定標(biāo)前)75.51770.97卯7.6256
過(guò)采樣重構(gòu)(定標(biāo)后)80.46970.99347.6450
利用實(shí)際光學(xué)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)以微掃描零點(diǎn)為起點(diǎn)，進(jìn)行
間隔為90。的旋轉(zhuǎn)掃描，獲得4幅低分辨力欠采樣圖像，然后按照?qǐng)D像 配準(zhǔn)算法計(jì)算微位移。隨后利用lena圖像(170x170像素)模擬上述微位 移得到4幅低分辨力圖像(85x85像素)。利用不同重構(gòu)方法進(jìn)行重構(gòu)， 表2給出了其中幾組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為便于比較，表2中最后兩組微位 移是零點(diǎn)定標(biāo)前的。
表2圖像重構(gòu)評(píng)價(jià)參數(shù)
微位移位置圖像處理方法PSNRQSNT
(0.00,0.00), (0.14,-0.57) (0.53,-0.55)， (0.60， 0.06)直接過(guò)采樣法 雙線(xiàn)性插值法78.4035 75.72880.9873 0.97627.3385 7.3163
(0.00, 0.00) ，(0.04 ,-0.41) (0.49,-0.47)，(0.46，陽(yáng)0.02)直接過(guò)釆樣法 雙線(xiàn)性插值法78.5613 75.72880.9878 0.97627.3411 7.3163
13(0.00, 0.00)， (-0.01,-0.51) (0.41,-0.58),(0.46，-0.07)直接過(guò)釆樣法 雙線(xiàn)性插值法78.5664 75.72880.9878 0.97627.3413 7.3163
(0.00， 0.00) , (0.06,-0.68) (0.92,-0.62),(0.83,0.08)直接過(guò)采樣法 雙線(xiàn)性插值法77.6475 75.72880.9849 0.97627.3385 7.3163
(0.00， 0.00) ，(0.84,0.32) (0.47，-1.23),(-0.29,0.99)直接過(guò)釆樣法 雙線(xiàn)性插值法72.3756 75.72880.9470 0.97627.2969 7.3163
(0.00， 0.00) ，(-0.93, -0.74) (-0.14, 1.37),(0.63,-0.60)直接過(guò)采樣法 雙線(xiàn)性插值法73.09卯 75.72880.9565 0.97627.3212 7.3163
綜合目視效果和表2的評(píng)價(jià)參數(shù)得出如下結(jié)論系統(tǒng)進(jìn)行微掃描 零點(diǎn)定標(biāo)后，直接過(guò)采樣重構(gòu)較微掃描零點(diǎn)定標(biāo)前有很大改善，圖像 質(zhì)量明顯提高，并且好于雙線(xiàn)性插值法。
3、實(shí)際采集顯微熱圖像的重構(gòu)
首先以旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)，采集兩幅圖像，然后利用本章的 改進(jìn)的頻域圖像配準(zhǔn)算法計(jì)算兩幅圖像之間的微位移，隨后按微掃描 零點(diǎn)定標(biāo)的結(jié)論控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度即到達(dá)系統(tǒng)光學(xué)微掃
描零點(diǎn)位置。然后按標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式采集4幅欠采樣低分辨力圖 像(如圖12)。分別采用過(guò)采樣重構(gòu)方法和雙線(xiàn)性插值放大法進(jìn)行重 構(gòu)，得到的重構(gòu)圖像分別如圖13(a)和13(b)所示。
由目視效果可以看出過(guò)釆樣圖像比雙線(xiàn)性插值圖像更清晰、噪 聲更小，而且較原始低分辨力圖像的空間分辨力明顯提高；從評(píng)價(jià)參 數(shù)可以看出，過(guò)采樣圖像包含更多的信息量(SNT較大)，圖像細(xì)節(jié)更 豐富。
以上結(jié)果說(shuō)明實(shí)際光學(xué)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)的空間分辨力得 到提高，證明了實(shí)際系統(tǒng)零點(diǎn)定標(biāo)方法的有效性，解決了系統(tǒng)實(shí)用化 的關(guān)鍵問(wèn)題。而且該微掃描零點(diǎn)確定方法具有定位精度高、速度快、 無(wú)須改變系統(tǒng)硬件、無(wú)須增加成本等優(yōu)點(diǎn)、易于系統(tǒng)的硬件和實(shí)時(shí)化 處理。從而解決了已研制光學(xué)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn) 題。本發(fā)明的微掃描零點(diǎn)定標(biāo)方法還可以應(yīng)用于其它光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描光電成像系統(tǒng)中，具有重要的參考價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。該光 學(xué)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)應(yīng)用于微電子和光電子器件及其應(yīng)用領(lǐng)域， 可提高集成電路芯片及其可靠性設(shè)計(jì)水平，保證微電子和光電子器件
及其產(chǎn)品的性能和質(zhì)量；應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可為醫(yī)學(xué)診斷、癌癥檢測(cè) 等提供新的技術(shù)手段；應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域，可為科技人員提供新的 分析工具；應(yīng)用于公安刑偵領(lǐng)域，可為可疑物證、痕跡的偵別提供新 的技術(shù)手段，具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。該顯微熱成像系統(tǒng)進(jìn) 一步結(jié)合超分辨力圖像處理算法將會(huì)大幅度提高系統(tǒng)的空間分辨力， 從而應(yīng)用于更多的需要高分辨力細(xì)微熱分析的領(lǐng)域。
1權(quán)利要求
1、一種零點(diǎn)定標(biāo)方法，其特征在于以旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)，采集第一幅圖像，然后順時(shí)針選轉(zhuǎn)90°采集第二幅圖像；利用頻率域圖像配準(zhǔn)技術(shù)計(jì)算兩幅圖像之間的微位移，然后基于幾何原理和標(biāo)準(zhǔn)2×2微掃描原理確定到微掃描器零點(diǎn)需要旋轉(zhuǎn)的角度和方向；角度和方向共分為如下四種情況①x>0，y>0，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)光學(xué)平板度；②x>0，y<0，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)度；③x<0，y<0，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)度；④x<0，y>0，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)度；特例①若則將光學(xué)平板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可；②若則將光學(xué)平板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可；③若則將光學(xué)平板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°即可；④若則將光學(xué)平板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可；其中旋轉(zhuǎn)的角度均是在旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)位置1’上開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種零點(diǎn)定標(biāo)方法，其特征在于其微掃描零點(diǎn)定標(biāo) 的定義為標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式下采集第一幅欠采樣圖像的位置。
3、 一種零點(diǎn)定標(biāo)方法在光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)的應(yīng)用，其特 征在于其應(yīng)用步驟如下(1) 通過(guò)紅外顯微物鏡和紅外光學(xué)平板將物體的紅外輻射圖像成像到紅外 焦平面探測(cè)器上；(2) 利用微掃描控制器旋轉(zhuǎn)光學(xué)平板到旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)位置；(3) 以步驟(2)中的旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)，采集第一幅圖像，然后順時(shí)針選轉(zhuǎn)90。采集第二幅圖像；(4) 利用頻率域圖像配準(zhǔn)技術(shù)計(jì)算兩幅圖像之間的微位移，然后基于幾何原理和標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描原理確定到微掃描零點(diǎn)所需要旋轉(zhuǎn)的角度和方向；=180。-i"gZ度；(5) 根據(jù)步驟(4)中得到的角度和方向，通過(guò)微掃描控制器控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn) 相應(yīng)的角度即完成微掃描零點(diǎn)的定標(biāo)；(6) 以步驟(5)中的微掃描零點(diǎn)為起點(diǎn)，由控制器控制固定光學(xué)平板的旋轉(zhuǎn)平 臺(tái)使顯微熱圖像通過(guò)光學(xué)平板后，在四個(gè)依次相差90。的傾角條件下，形成標(biāo)準(zhǔn) 2x2微掃描模式，得到4幀低分辨力圖像；(7) 通過(guò)圖像采集卡依次將步驟(6)中的4幀低分辨力標(biāo)準(zhǔn)視頻熱圖像轉(zhuǎn)化 為數(shù)字圖像，并存于計(jì)算機(jī)中；(8) 按標(biāo)準(zhǔn)2x2模式釆集圖像的方式，將步驟(7)中的4幅圖像直接插值即可 得到高分辨力圖像；(9) 對(duì)步驟(8)中的高分辨力圖像進(jìn)行顯微熱圖像顯示、分析、存儲(chǔ)和其 它(如超分辨力復(fù)原)處理。
4、如權(quán)利要求3所述的一種零點(diǎn)定標(biāo)方法在光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描顯微熱成 像系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于所述步驟(6)中，首先旋轉(zhuǎn)光學(xué)平板到與水平方向 成45。的左上方位置1 (微掃描零點(diǎn))，完成第l次成像；然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)光學(xué)平 板90°，使成像位置在探測(cè)器陣列上向右移動(dòng)i72,即與水平方向成45。的右上方 位置2，完成第2次圖像；在位置2的基礎(chǔ)上，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。，使成像位置 在探測(cè)器陣列向下位移得到右下方位置3的第3幅圖像；最后再繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 90。到達(dá)位置4，獲得第4次成像；以上過(guò)程周期循環(huán)進(jìn)行，釆用最新的4幅低分 辨力圖像按標(biāo)準(zhǔn)2x2微掃描模式插值可獲得1幅高分辨力的過(guò)采樣圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種零點(diǎn)定標(biāo)方法及在光學(xué)微掃描顯微熱成像系統(tǒng)中的應(yīng)用，屬于紅外熱成像領(lǐng)域。本發(fā)明首先以旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試零點(diǎn)為起點(diǎn)，采集兩幅圖像，然后利用改進(jìn)的頻域圖像配準(zhǔn)算法計(jì)算兩幅圖像之間的微位移，根據(jù)微位移按微掃描零點(diǎn)定標(biāo)方法確定旋轉(zhuǎn)角度及方向，控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度即到達(dá)系統(tǒng)光學(xué)微掃描零點(diǎn)位置。然后按標(biāo)準(zhǔn)2×2微掃描模式采集4幅欠采樣低分辨力圖像并按照采集圖像的方式直接插值得到分辨力提高一倍的過(guò)采樣圖像。因?yàn)椴捎脝螇K紅外平行平板的微掃描器裝置及定位精度高、速度快和易于系統(tǒng)的硬件和實(shí)時(shí)化處理的微掃描零點(diǎn)定標(biāo)方法，系統(tǒng)的空間分辨力得到明顯提高，從而促進(jìn)顯微熱成像技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01N25/72GK101487809SQ20081018326
公開(kāi)日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者杰 于, 劉廣榮, 霞 王, 王嶺雪, 金偉其, 高美靜 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)