CCD高分辨率成像技术_一_

技术讲座CCD高分辨率成像技术(一)

谈新权

(华中理工大学电子与信息工程系,武汉,430074)

摘　要　CCD成像技术已在众多领域得到广泛应用。本讲座首先评价了CCD像传感器和电子束摄像管的性能,CCD像传感器的优点及技术难点。然后论述了CCD的成像特点,重点讨论了国外最新研究的几种CCD的高分辨率成像技术及整机性能、发展趋势。

关键词　电荷耦合器件　CCD成像　HDT V　CCD摄像机　高分辨率CCD成像器

1.　电子束摄像管与CCD像传感器

1.1　引言

自1931年第一个真空摄像管(电子束摄

像管)问世以来,在广播电视摄像及其它光电

成像系统中,曾使用过的摄像管有光电像管、

超光电像管、超正析像管、视像管以及性能优

良的氧化铅管等。成熟的工艺和优良的光电

导材料大大拓展了电子束摄像管及其成像系

统的众多应用领域,从可见光延伸到非可见

光谱(红外、紫外、X射线等)。成像器件与成

像系统相互促进、相互依存,构成了许多特殊

应用的成像系统。例如,使用低残像、高灵敏

度摄像管的高速电视摄像技术,其曝光时间

可在微秒、纳秒范围,具有很强的“冻结”能

力,从而消除高速目标所带来的模糊。由于给

出了高速变化过程的空间—时间信息,在科

研部门具有重要应用价值。

1970年提出利用电荷耦合器件(CCD)

作为模拟移位寄存器构成固体成像新概念以

来,随着新型半导体材料的出现及微细加工

技术的发展,CCD像感器得到了广泛的应

用。它已在各种光电成像领域对传统摄像管提出了全面挑战。1987年报告了第一代广播用CCD摄像机,立即成为广播领域中的一个转折点。仅仅几年以后,在我国广播电视领域使用的标准清晰度电视(SDTV)摄像机已普遍采用CCD摄像机。1990年,研制成功使用三片2.54厘米(1英寸)各有200万像素的CCD成像器的高清晰度电视(HDTV)摄像机。可以肯定,

HDT V摄像机的趋势是:抛弃长期使用的真空摄像管而转向CCD。

当前,CCD成像技术的迅速发展,已成为现代光电子学、自动化技术和影视技术等领域中最为关注的热点。CCD的高分辨率成像技术已广泛用于SDT V和HDT V广播、自动测量与控制、图像通信、医学和科学成像、文件拍摄以及出版印刷等领域。

1.2　CCD像感器与摄像管的性能评价

图1表示对固体像感器CCD与摄像管性能的主观定性评价结果。图中,从中央点向外辐射对应每一种特性的改善。总的说来,对于工作在特殊场合的电子新闻采访(ENG)来说,CCD ENG摄像机占有压倒优势。在其它许多方面,CCD的性能也明显优于摄像管。CCD也有不足之处:分辨率稍低。由于CCD的空间抽样成像存在混叠(或称虚假)而使分辨率降低(以后将要讨论);当出现强光时,易产生垂直拖尾,有时会损伤电视图像的总体质量。CCD摄像机的信噪比性能也稍低于高性能的1.7厘米(2/3英寸)氧化铅/硒砷碲管摄像机。

图1　1.7厘米CCD与1.7厘米

摄像管的性能比较

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—电子与自动化1999年第2期

图1中,忽略了CCD像感器的一些对视频图像质量的总体产生影响的其它参数,如动态范围、光晕、动态分辨率等,但传统摄像机(包括高性能的演播室摄像机)的技术规格中没有这些参数,而且,这些性能相对于摄像管来说,固体像传感器都有显著改善。

此外,还要特别指出的是:CCD像感器是一种低压自扫描器件,因此,它在以下两方面占独特优势:1重量明显低于摄像管摄像机,因为它免除了笨重磁偏转机构及高压电源。例如,1994年销售的HDT V4CCD摄像机,1.7厘米摄像头重量仅5700克。o隔行析像好。大家知道,摄像管摄像机的隔行性能取决于摄像机的电磁参数以及偏转线圈的加工工艺,而CCD像感器的隔行性能只取决于CCD芯片的微细加工精度,批量生产时,其一致性好,稳定性也好。这种成熟的工艺使得它的隔行析像容易保证,而良好的隔行析像性能可最大限度地提高成像系统的垂直分辨率。

1.3　CCD像感器与摄像管的工作原理比较

摄像管成像的机理是:利用光电导材料将光像变成电荷像,再通过电子束扫描拾取电荷,变成图像信号。摄像管主要由靶和电子枪组成。靶的外层是很薄的光电导层,它由光敏半导体材料构成,厚度为1～3L m。当无光照时,光敏半导体材料的体电阻很大,一般

在10128以上。当有光照射到靶面外层时,光敏半导体材料的电阻变小,且变化量与光通量成正比。若景物通过镜头在靶的外侧形成光学图像,则光敏材料的电阻构成了电荷像。由于靶平面的横向电阻远远大于靶剖面的纵向(光传播方向)的电阻,故电荷不会在靶的平面上横向扩散。当摄像管电子枪的阴极发出的电子束在靶压所形成的电场作用下射向靶的里侧,靶面被具有一定截面积的扫描电子束分解成无数个独立的单元像素。每个像素可等效为一个光敏电阻

R和一个电容C。当电子束照射靶且扫过靶上的某一像素时,在阴极、靶单元、信号电极、外接负载电阻R L 及靶压电源构成的回路中,R L上的交流电压——信号电压与R成反比,而R又与光强成反比。因此,信号电压的大小反映了光的强弱,从而完成了光电转换和信号传输。

值得指出的是:由光学图像变成电荷图像这一过程是在靶平面上进行的;电荷图像的拾取和传输是由扫描电子束完成的,而扫描电子束垂直于靶平面。因此,光电转换与电信号的传输是在一个三维空间进行的。换言之,电子束摄像管的靶平面只是用来完成光电转换,其电信号的传输则要依靠电子束扫描来完成。由于靶面的横向电阻极大,所以水平方向不需要像素分离,输出的信号为连续的光电信号。

CCD像感器则与上述完全不同,它的结构在二维空间要具备三种功能:光电转换、信息存贮和电荷转移。CCD的光电转换可用图2来解释。在P型硅衬底上生长一层SiO2;在SiO2表面上蒸镀一层金属电极,在金属电极上加有正偏压V+。在P型硅中,多数载流子为空穴,少数载流子为电子。由于V+的存在,排斥P型硅中的多数载流子空穴,形成没有空穴、只有电子的区域。由于该区域中耗尽了多数载流子而称为“耗尽区”。耗尽区对电子来说,势能很低,故又称为“势阱”。V+越大,电子越多,势阱也越深。因此,势阱的深度

图2　CCD的基本结构

正比于V+。P型硅衬底材料决定了CCD器

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1999年第2期电子与自动化

件所具有的光谱特性(例如响应波长等)。图2中,光从底部投射到CCD 的光敏面上,所产生的光电子被势阱收集。势阱收集到的电荷叫“电荷包”。因此,势阱中所存贮的光生电子数正比于光强和光照时间。

上述过程只是完成了光电成像的第一步,接下去是产生的光电子必须转移出去。图3解释了CCD 的电荷转移过程。图3具有与图2相同的基本结构,但有两个或两个以上的电极,在各极加上脉冲序列,不受光照。图中,若V B >V A ,则势阱B 深于势阱A,少数载流子(电子)从A 区流向B 区,这种流动称为电荷转移。从理论上讲,这种电荷的转移可以从CCD 器件平面上的一点转移到平面上

的任何地方。

图3　CCD 的电荷转移

需要指出的是单个光敏单元无实用意义,必须将许多光敏单元做成阵列(线阵或面

阵),而在成像领域中用得较多的是面阵CCD 像感器。

从以上分析我们知道,CCD 像感器的结构和成像过程不同于电子束摄像管。CCD 完成光电转换的光敏单元和CCD 完成电信号传输的电荷转移单元(CCD 移位寄存器)是设置在同一平面上,为了完成各自的任务而互不干扰,两者必须彼此独立,相互隔开。以后将会看到,正是这种结构,使得CCD 摄像机与电子束摄像管摄像机的成像系统有许多不同之处。

1.

4　高分辨率C CD 像感器的技术难点

由图1可知,CCD 性能略差于摄像管的

主要是分辨率稍低和存在拖尾。分辨率是CCD 的一项重要指标,它主要取决于微细加工技术和信号处理技术。CCD 的像素数的多少决定了分辨率。对于SDT V,0.63～1.27厘米(1/4～1/2英寸)的CCD 像感器都能满足系统的分辨率要求。

图4示出了CCD 像感器的像素尺寸与像素数之间的关系。由此图可看出,光学格式越小或像素数越多,像素尺寸也就越小。对于HDT V 来说,CCD 像感器的像素数应为200万,而200万像素的1.7厘米CCD 像感器的尺寸几乎是2.54厘米CCD 的一半。像素尺寸越小,饱和电流随之降低,读出放大器的噪声越大;同时,像感器动态范围减小,灵敏度降低。一般说来,HDTV CCD 像感器的动态范围需要80dB ,而用SDTV 的像感器的工艺和信号处理技术只能获得60dB 的动态范围。因此,需要研究特别的工艺和处理方法。此外,像素数的增加还将导致激励功耗的增加和由此带来的器件发热、暗电流增加等问题。这要求研究特别的驱动方法。

图4　像素尺寸与像素数的关系

基于以上原因,目前多采用2.54厘米CCD 像感器组成HDT V 摄像机。1.7厘米200万像素的HDT V 成像器目前正处于研究中。研究小尺寸(例如1.7厘米、1.27厘米)的CCD HDTV 摄像机是当前的热门课题。

(待续)

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54—电子与自动化1999年第2期

突破衍射极限地超高分辨率成像技术发展 (修改)

结课论文 题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展 学生 学号 学院 专业 班级 二〇一五年十二月

一引言 1.1选题意义 光学显微成像具有极为悠久的历史，但一直以来，光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来，超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用，并对诸位大师致以敬意。 1.2技术指标 显微 技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z轴分辨率大小来判定，分辨率越高数值越小。下表是各种显微成像技术的分辨 率指标。

普通光学显微镜200-300 500-700 4Pi显微镜100-150 STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜0.05 X光衍射仪0.03-10

二衍射极限 2.1 衍射极限 我们能看到什么？看到多小的围？看得有多清楚？几百年来，依靠不断进步的科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以看得越来越“小”，进而可以进行研究。 人的肉眼能分辨0.1毫米尺度的物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜，用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一起，这就是“细胞”一词的由来。 此后，显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么，光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小？科学家为此做了很多尝试，最终发现，存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近，弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一团模糊的图像。 阿贝提出，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（0.2微米）左右。如果物体小于0.2微米，你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间，光学显微镜的分辨极限——衍射极限。

超高分辨活细胞成像系统技术

GE超高分辨活细胞成像系统 利用活细胞成像工作站进行细胞和基因的功能研究，是生物医学研究的最新趋势。固定细胞观察仅能提供固定瞬间细胞的静态信息，无法反映细胞在正常生理生化条件下的状态。活细胞观察，对处于正常生理状况下的细胞进行全程扫描和记录，获得其连续、全面、动态过程由于其显示的正常细胞动态的活动过程，很容易发现和确定细胞间相互作用和信号传导的过程，以及在活细胞水平上的生物分子间的相互作用，不仅可以解决长期以来悬而未解的问题，更为未来的研究提出新的问题，指出新的方向。 一、活细胞成像系统原理 目前主流的活细胞成像系统从原理上可以分为两大类： 基于宽场反卷积技术 基于共聚焦技术 两种技术作为目前最流行的活细胞成像技术，均可以实现在维持细胞存活的情况下，快速获取单一焦平面的信号，在具体性能上则各有擅长。 宽场反卷积技术 对光线进行反卷积运算是光学成像领域的成熟技术，最早由美国国家航空航天局开发并成为观察微弱天体信号的标准技术。去卷积和共聚焦技术是光学显微镜领域获得单一焦平面光线的两大主流技术(J.M.Murray, live cell imaging, 2010)。通过将非焦平面的光线还原至焦平面上，大大提高了样品信号的强度以及图像的信噪比。由于去卷积技术设计到大量的后期运算，因此在高性能计算机发明以前，一直受制于运算能力，没有得到大规模的推广。随着近年来计算机性能的大幅提升和价格的下降，去卷积技术逐渐成为光学显微镜的主流技术。一个点光源经过显微镜的光路，由于镜片对光线的衍射和散射，最终呈现在观察者面前的是一个模糊的点，所以点光源变成模糊的点的过程即为卷积。反卷积就是把模糊的点还原成点光源的过程。 以API 公司的DeltaVision系统为例，其反卷积过程经历以下几步： 1)首先通过无数的计算和实验，得到点光源经过显微镜物镜后变模糊的规律，建立模型。 2)选择完美的物镜，保证样品信号经过物镜后变模糊的规律符合步骤一中得到的模型。 3)将通过显微镜光路的所有的光信号进行收集，因为点光源经过显微镜光路后会变成一个空 间中的倒圆锥形，所以在收集信号的时候需要很准确的记录信号的Z 轴信息。 4)对收集到的所有光信号按照步骤一中的模型进行还原，最终将模糊的点还原成清晰的点， 客观反映它在空间的位置和强度。 目前去卷积技术越来越广泛地应用于生物学图像的研究中。 共聚焦技术 共聚焦显微镜它采用点光源(point lightsource) 照射标本,在焦平面上形成了一个轮廓分明 的小的光点(light spot ) ,该点被照射后发出的荧光被物镜收集,并沿原照射光路回送到探测器。探测器前方有一个针孔(pinhole) ,几何尺寸可调。这样,来自焦平面的光,可以会聚在探 测针孔范围之内,而其它来自焦平面上方或下方的散射光,都被挡在探测针孔之外而不能成象。 光束扫描器又分为单光束、多光束或狭缝扫描器几种。其中单光束扫描获得的图像质量最好, 狭缝扫描器虽然产生图像的速率很高(可达实时水平) ,但其图像信噪比低于单光束扫描,这是 因为从狭缝长轴来的漫射光不能被有效遮挡。多光束扫描如碟片式共聚焦是由电动马达驱动

高分辨率遥感成像仿真关键技术研究

高分辨率遥感成像仿真关键技术研究 随着越来越多的高分辨率卫星的陆续发射升空,对地遥感观测早已进入“高分时代”。使用计算机仿真技术模拟遥感器对地观测过程,可直观而准确地分析、评测成像过程中影响图像质量的内外因素和作用机制,为传感器设计、遥感数据处理、图像质量评价、目标特性研究等研究提供依据和指导,具有十分重要的应用价值。高分辨率遥感影像像元覆盖尺寸小,对地物的几何、辐射特性辨识度更高,相较于中低分辨率,高分辨率遥感成像仿真过程应考虑的因素更加复杂。因此,本文结合计算机仿真技术和遥感成像机理,针对高分辨率遥感成像仿真过程中涉及的若干关键技术展开了研究。 具体研究工作体现在:高精细度数字场景的辐射特性模型研究。基于真实场景建立了高精细度的三维数字场景。提出一种BRDF模型特征参数反演方法,修正了大气散射对BRDF特征参数反演的影响,获取了地物本征的方向反射特性。提出一种材质纹理映射方法,将不同材质的本征方向反射特性与高精细度模型进行关联,从而建立了高精细度三维数字场景的辐射特性模型,为后续计算不同光照、大气和观测条件下的入瞳处辐射场提供基础。 高分辨率遥感成像的入瞳处辐射亮度计算。提出一种基于神经网络的光辐射参数快速计算方法,以不同条件下MODTRAN计算的光辐射参数为样本,构建并训练了神经网络以快速计算大气下行辐射、透过率、程辐射、光学厚度等光辐射参数,为并行的辐射传输计算提供必要的输入参数。通过蒙特卡洛方法发射大量的光线并追踪光线与大气和三维场景的交互过程,模拟了地表辐射的多次反射作用,以及大气对地表辐射场的空间调制作用,并最终计算传感器入瞳处辐射亮度,得到理想传感器输出的高分辨率辐亮度图像。基于上述关键技术的研究结果,编制了高分辨率遥感成像仿真程序,将仿真结果与GF-2卫星获取的辐亮度图像进行了对比验证,结果显示仿真的入瞳处辐射亮度图像与实拍的卫星图像之间具有较高的辐射一致性和空间一致性。 本文对高分辨率遥感成像仿真中的若干关键技术进行了系统性的研究。论文的研究成果对发展遥感成像仿真平台、促进仿真技术的工程化应用具有十分重要的意义。

米级车载高分辨率光电成像系统光学设计_刘莹奇

第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011 米级车载高分辨率光电成像系统光学设计 刘莹奇1,2，王志1，刘欣悦1，卫沛峰1 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033； 2.中国科学院研究生院，北京100049) 摘要：研究了一套能实现机动式布站的米级车载可见光和红外高分辨率光学成像系统新方案。主系统口径1.2m，采用无焦卡塞格林形式，遮拦比1:10；机上中、长波红外成像通道采用共口径光谱分光、二次成像的形式，冷阑匹配效率100％，F数为4；机下成像光学系统焦距47m，F数为39，光学设计满足高分辨率与白天成像的要求，且成像质量达到衍射极限；各通道光学系统结构紧凑。光学设计与分析结果表明：该套光学系统能够用于空中和空间目标的全天时移动式高分辨率可见、红外成像。 关键词：大口径望远镜；高分辨率成像；白天成像；移动式光电跟踪系统；光学设计 中图分类号：TB133文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1512-05 Optical design of vehicle-based high resolution E-O imaging system using meter class telescope Liu Yingqi1,2,Wang Zhi1,Liu Xinyue1,Wei Peifeng1 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China; 2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China) Abstract:A set of meter class aperture and vehicle-based optical system including visible,infrared imaging, which was used for motional E-O imaging,was studied.The main system aperture was1.2m,the form of afocal Cassegrain was adopted,and obstruction ratio was1:10.The front aperture of on-vehicle imaging system was shared by MWIR and LWIR,then the spectrum was separately reimaged in the terminal.The F number was4,and100%cold shield efficiency was realized.The focal length of the off-vehicle imaging system was47m and the F number was39.The optical design meet the requiement of high resolution and daylight imaging,and the imaging quality of each channel reached diffraction limit in the off-vehicle imaging system.The optical system configuration of each channel was compact.The design and analysis results indicate that mobile high resolution imaging and all-day imaging of targets in the air and space can be realized with the optical system. Key words:large aperture telescope;high resolution imaging;daylight imaging; mobile E-O tracking system;optical design 收稿日期：2010-12-05；修订日期：2011-01-03 基金项目：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所三期创新研究项目专项资金 作者简介：刘莹奇（1984-），男，研究实习员，博士研究生，主要从事新型光学系统设计工作。Email:a1032510210@https://www.sodocs.net/doc/5d3425914.html, 导师简介：卢振武(1955-),男,研究员,博士生导师,主要从事衍射光学等方面的研究。Email:luzw@https://www.sodocs.net/doc/5d3425914.html,

超分辨成像技术的新发展

超分辨显微成像技术的新发展 马利红 引言 人类获得信息的主要器官是眼睛，然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4 ′米，客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。显微成像技术将310- 微观过程或结构成放大图像，以便于人眼能够直接观察。研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛，有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等，微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的，因而显微学是跨多学科的，其发展也是无止境的。 1665年，Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体，它的出现为人类打开了微观世界的大门。光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞，由此奠定了细胞学和组织学的基础，并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。但传统光学显微镜有以下两个主要缺点：(1)受衍射极限的限制，其分辨率与照明波长是同一个数量级，具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜，分辨极限l，称之为瑞利判据；(2)由于使用的是场光源，观测到的是一个宽视野图像，为0.61/NA 从而降低了信噪比，影响了图像的清晰度和分辨率。随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求，不仅希望其具有更高的分辨率，而且能对样品进行无损成像，甚至希望可观察其三维图像。因此，传统的显微镜已不能满足要求。 电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜，但它需要在真空条件下工作，因此很难观察活的生物样品，另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求，迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究，利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。

突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展(修改)

突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展(修改) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

结课论文 题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展 学生姓名 学号 学院 专业 班级 二〇一五年十二月

一引言 1.1选题意义 光学显微成像具有极为悠久的历史，但一直以来，光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来，超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用，并对诸位大师致以敬意。 1.2技术 指标 显微技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z 轴分辨率大小来判定，分辨率越高数值越 小。下表是各种显微成像技术的分辨率指标。

STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜 X光衍射仪

二衍射极限 衍射极限 我们能看到什么看到多小的范围看得有多清楚几百年来，依靠不断进步的科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以看得越来越“小”，进而可以进行研究。 人的肉眼能分辨毫米尺度的物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜，用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一起，这就是“细胞”一词的由来。 此后，显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么，光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小科学家为此做了很多尝试，最终发现，存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近，弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一团模糊的图像。 阿贝提出，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（微米）左右。如果物体小于微米，你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间内，光学显微镜的分辨极限——衍射极限。

高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid

高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid 北京四维空间数码科技有限公司 一、概况介绍 高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid（以下简称“PixelGrid”）是由中国测绘科学研究院自主研发的“十一五”重大科技成果，获得2009年度国家测绘科技进步一等奖。 为将这一重大科技成果实现产业化，2008年开始，由中国测绘科学研究院参股单位北京四维空间数码科技有限公司进行成果转化和产品化，并开展销售。 该软件是我国西部1:5万地形图空白区测图工程以及第二次全国土地调查工程的主力软件， 被誉为国产的“像素工厂”。 PixelGrid以其先进的摄影测量算法、集群分布式并行处理技术、强大的自动化业务化处理能力、高效可靠的作业调度管理方法、友好灵活的用户界面和操作方式，全面实现了对卫星影像数据、航空影像数据以及低空无人机影像数据的快速自动处理，可以完成遥感影像从空中三角测量到各种比例尺的DEM/DSM、DOM等测绘产品的生产任务。 PixelGrid软件主界面。 二、主要特点 PixelGrid系统以现代摄影测量与遥感科学技术理论为基础，融合计算机技术和网络通讯技术，采用基于RFM通用成像模型的大范围遥感影像稀少或无控制区域网平差、基于旋转/缩放不变性特征多影像匹配的高精度航空影像自动空三、基于多基线/多重特征的高精度DEM/DSM自动提取、等高线数据半自动采集及网络分布式编辑、基于地理信息数据库等多源控制信息的高效影像地图制作、基于松散耦合并行服务中间件的集群分布式并行计算等一系列核心关键技术，是中国测绘科学研究院研制的一款类似“像素工厂”（ISTAR PixelFactoryTM）的新一代多源航空航 天遥感数据一体化高效能处理系统。

(完整word版)计算成像

计算成像 1.为何要研究计算成像？ 计算成像能够实现传统成像无法完成的任务，例如：去除运动模糊、超分辨率重建等。 2.用计算成像的方法怎样提高图像分辨率？ 增加空间分辨率最直接的解决方法就是通过传感器制造技术减少像素尺寸（例如增加每单元面积的像素数量）。然而，随着像素尺寸的减少，光通量也随之减少，它所产生的散粒噪声使得图像质量严重恶化。不受散粒噪声的影响而减少像素的尺寸有一个极限，对于0.35微米的CMOS处理器，像素的理想极限尺寸大约是40平方微米。当前的图像传感器技术大多能达到这个水平。 另外一个增加空间分辨率的方法是增加芯片的尺寸，从而增加图像的容量。因为很难提高大容量的耦合转换率，因此这种方法一般不认为是有效的。在许多高分辨率图像的商业应用领域，高精度光学和图像传感器的高价格也是一个必须考虑的重要因素。因此，有必要采用一种新的方法来增加空间分辨率，从而克服传感器和光学制造技术的限制。 （1）超分辨率重建 图像超分辨率是指由一幅低分辨率图像或图像序列恢复出高分辨率图像，高分辨率图像意味着图像具有高像素密度，可以提供更多的细节，这些细节往往在应用中起到关键作用。图像超分辨率技术分为超分辨率复原和超分辨率重建。超分辨率重构的基本过程为：先进行图像退化分析，然后进行图像的配准，最后根据配准的信息对图像进行重构。目前，图像超分辨率研究可分为3个主要范畴：基于插值、基于重建和基于学习的方法。具体方法有：规整化重建方法，均匀空间样本内插方法，迭代反投影方法(IBP)，集合理论重建方法(凸集投影POCS)，统计重建方法(最大后验概率MAP和最大似然估计ML)，混合ML/MAP/POCS 方法，自适应滤波/维纳滤波/卡尔曼滤波方法，确定性重建方法基于学习和模式识别的方法。 超分辨率重建，即通过硬件或软件的方法提高原有图像的分辨率，通过一系列低分辨率的图像来得到一幅高分辨率的图像。超分辨率重建的核心思想就是用时间带宽（获取同一场景的多帧图像序列）换取空间分辨率，实现时间分辨率向空间分辨率的转换。在基于超分辨率重建的空间分辨率增强技术中，其基本前提是通过同一场景可以获取多幅低分辨率细节图像。在超分辨率重建中，典型地认为低分辨率图像代表了同一场景的不同侧面，也就是说低分辨率图像是基于亚像素精度的平移亚采样。如果仅仅是整数单位的像素平移，那么每幅图像中都包含了相同的信息，这样就不能为高分辨率图像的复原提供新的信息。如果每幅低分辨率图像彼此之间都是不同的亚像素平移，那么它们彼此之间就不会相互包含，在这种情况下，每一幅低分辨率图像都会为高分辨率图像的复原提供一些不同的信息。为了得到同一场景的不同侧面，必须通过一帧接一帧的多场景或者视频序列的相关的场景运动。我们可以通过一台照相机的多次拍摄或者在不同地点的多台照相机获取多个场景，例如在轨道卫星一类可控制的图像应用中，这种场景运动是能够实现的；对于局部对象移动或者震荡一类的不可控制的图像应用也是同样能实现的。如果这些场景运动是已知的或者是在亚像素精度范围了可估计的，同时如果我们能够合成这些高分辨率图像，那么超分辨率重建图像复原是可以实现的。

高分辨率活细胞成像系统

高分辨率活细胞成像系统 一总体要求 ★1满足科研科室要求，凡涉及设备安装及施工由中标方负责，按照科室要求提供交钥匙工程 2投标时要求提供原厂家的检验报告、技术参数表及产品彩页 3投标产品应为国际知名品牌，最先进机型及配置，适用于科研、教学并满足将来科研发展需要。 ★4仪器配备所有软件使用最新版本且终身免费升级，端口免费开发，能够与我院各信息系统无缝对接 5数量：1台 二技术要求 1光源部分 1.1固态激发光源，由不少于7个独立单色激发光源组成，发射端能量22-89mW；包括如下光源 1.1.1381-399nm（DAPI，BFP），能量＞50mW 1.1.2426-450nm（CFP，Pacific Blue）能量＞80mW 1.1.3461-489nm（GFP，EGFP）能量＞50mW 1.1.4505-515nm（YFP）能量＞20mW 1.1.5529-556nm（OFP，RFP，DsRed）能量＞80mW 1.1.6563-588nm（mCherry）能量＞80mW 1.1.7621-643nm（Cy5）能量＞40mW 1.2瞬时开关，光源通电至稳定工作间隔时间低于100微秒，非工作时光源自动关闭。光源工作寿命＞10000小时 1.3激发光经过光纤传输，通过光强探测器实时监测入射光强变化 2显微镜部分 2.1高性能减震台 2.2研究型倒置显微镜 ★2.3提供科勒照明和临界照明两种照明方式并可根据用户是目镜观察还是成像自动电动切换 2.4物镜配备：60X平场复消色差物镜（油镜），数值孔径＞1.42 40X平场半复消色差物镜（油镜），数值孔径＞1.3 40X长工作距离（2.7-4mm）半复消色差物镜，数值孔径＞0.6 20X长工作距离（6.6-7.8mm）半复消色差物镜，数值孔径＞0.45 10X平场复消色差物镜，数值孔径＞0.4

突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展 (修改)

结课论文 题目突破衍射极限得超高分辨率成像得技术进展 学生姓名 学号 学院 专业 班级 二〇一五年十二月 一引言 1.1选题意义 光学显微成像具有极为悠久得历史,但一直以来，光学成像一直受到衍射极限得限制而分辨率无法突破２0０nm.后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备,但就是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺得就是近年来，超高分辨率显微技术得发展使得光学显微成像分辨率达到了2０nm以下。其中德国科学家Stｅfａn Helｌ、美国科学家ErｉｃＢetzig与Wiｌｌiam Mo ｅｒｎer因其在超高分辨率显微技术方面得突出贡献获得了2014年得诺贝尔化

学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术得发展与应用,并对诸位大师致以敬意. 1.2 技术指标 显微技术成像优劣一般通过X-Y 平面分辨率与Ｚ轴分辨率大小来判定,分辨率越高数值越小.下表就是各种显微成像技术得分辨率指标。 二 衍射极限 2、1 衍射极限 我们能瞧到什么?瞧到多小得范围?瞧得有多清楚？几百年来,依靠不断进步得科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以瞧得越来越“小”,进而可以进行研究。 人得肉眼能分辨0、１毫米尺度得物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究得光学显微镜,用它观察薄薄得软木塞切片。虎克瞧到了残存得植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一 起,这就就是“细胞”一词得由来。 此后，显微 镜 制造与显微 观察技术得 迅速发展,帮 助科学家第 一次发现了 细菌与微生 物。那么,光学显微镜就是否可以无止境地“放大"下去，让我们想瞧到多小就能瞧到多小？科学家为成像技术 Ｘ-Ｙ平面分辨率(ｎm) Z 轴分辨率(n ｍ) 普通光学显微镜 2０0－30０ 5０0—７0０ 4Pi 显微镜 1００-15０ STED 显微技术 50—70 ST ＥD ＋４技术 50 50 ＰAL Ｍ技术 20 3０ 3D ST ＯＲM 技术 20—3０ 50—6０ ｄSTORM 技术 30 50 2D SSI Ｍ技术 ５0 3Ｄ SSI Ｍ技术 100 2０0 电子显微镜 ０、０5 X 光衍射仪 0、0３—10

超高分辨率显微镜技术

超高分辨率显微镜技术 为了更好地理解生命过程和疾病发生机理，生物学研究需要观察细胞内器官等细微结构的精确定位和分布，阐明蛋白等生物大分子如何组成细胞的基本结构，重要的活性因子如何调节细胞的主要生命活动等，而这些体系尺度都在纳米量级，远远超出了常规的光学显微镜（激光共聚焦显微镜等）的分辨极限。为了解决生命科学研究面临的这一难题，超高分辨率显微技术应时而生，并且一经问世就得到了广泛的响应，2008年Nature Methods将这一技术列为年度之最。 为了达到纳米量级的分辨率和极快速的成像，超高分辨率显微镜引入了许多突破时代的创新技术，了解这些技术将带领我们走入超高分辨率显微镜的奇妙世界。 3D-SIM(结构照明技术): 荧光样品通过不同方向和相位的光源照射，并且在成像后利用特点的运算方法重构，产生突破光学极限的超高分辨率图像。 ●完全兼容现有荧光分子和荧光染料、不改变任何实验流程 ●轴向分辨率提高到80-120nm，空间分辨率提高到激光共聚焦显微镜观察极限的8 倍。 搭载3D-SIM技术的DeltaVision OMX超高分辨率显微镜已经成功运用到了很多样品，比如微生物、脊椎动物细胞、组织切片甚至整个胚胎等。大大提高的分辨率在鉴定和研究亚细胞结构中成效显著，比如对微管和肌动蛋白的观察中可以解析到单根微管纤维。 Monet (单分子成像与定位技术): 通过在极短时间内对单个或几个荧光分子的激发和获取发射光信号，上千次获取后重构图像，从而获得突破百纳米极限的超高分辨率图像。这种技术需要使用独特的光敏蛋白来做荧光染料，通过独特的算法可以分辨衍射极限上重叠的荧光团位置。 ●搭载PALM的DeltaVision OMX可在极短时间内完成图像获取和重构 ●能够处理极大密度的图像，使高浓度标记的和更高激活能量的样品的成像变成 可能。 超高速成像： 研究者对于成像速度进入“亚秒时代”的需求已经十分的迫切。以往的速度瓶颈主要在曝光时间以及CCD成像速度，利用高效光路和改进的新型照相机，大大提高了成像速度。