專利名稱：變曝光時(shí)間成像相移測(cè)量相位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)相位測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及變曝光時(shí)間成像方法在sra生物分 子相互作用無(wú)標(biāo)記實(shí)時(shí)陣列相位檢測(cè)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
相移技術(shù)作為可以從干涉信號(hào)中定量獲取干涉信號(hào)的相位變化信息的有效方法 之一，已被廣泛地應(yīng)用于光學(xué)檢測(cè)與計(jì)量中。其基本原理是當(dāng)兩波面相遇發(fā)生干涉時(shí)，干 涉圖中一點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為 式中^是第i次相移的干涉圖中一點(diǎn)的光強(qiáng)，Ia和Ib分別是兩束相干光的光強(qiáng)； P是被測(cè)相位即干涉圖中被測(cè)點(diǎn)處的兩個(gè)波面的相位差；S i是可控的附加相位調(diào)制項(xiàng)?？?控相移V采用步進(jìn)變化，根據(jù)干涉信號(hào)的三角函數(shù)性質(zhì)，利用在幾個(gè)不同的調(diào)制相位下探 測(cè)到的強(qiáng)度值I”可解算出被測(cè)相位P。根據(jù)可控相移\的特點(diǎn)，可以分為定步長(zhǎng)相移法和 等步長(zhǎng)相移法。等步長(zhǎng)相移法要求可控相位等間距變化，在實(shí)用中具有較大的優(yōu)勢(shì)，其主要 算法有Carre算法、Schwiders算法和Stoilov算法等。相移技術(shù)可以與表面等離子體共振(SPR)傳感結(jié)合，組成時(shí)間相位調(diào)制sra成像 檢測(cè)方法。通過(guò)干涉成像，實(shí)時(shí)、靈敏地獲取生物分子相互作用引起的反射光的相位變化， 解析出有關(guān)生物信息，滿足蛋白質(zhì)組學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)及開發(fā)的需要，其傳感原理如圖1所示。 從圖中可看到，由激光器1發(fā)出的光束，經(jīng)起偏器2調(diào)整p光(TM波)和s光(TE波)之間 的光強(qiáng)比后，再通過(guò)電光晶體3進(jìn)行移相調(diào)制；調(diào)制的光經(jīng)擴(kuò)束透鏡組4擴(kuò)束后，透過(guò)棱鏡 5照射到傳感芯片的玻璃基底與金膜之間的界面上。如圖2所示，當(dāng)樣本中的待測(cè)生物分子 與固定在傳感表面的探針生物分子相互作用時(shí)，傳感表面的結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變化，即折射率 發(fā)生變化，從而使得反射光的光強(qiáng)和相位發(fā)生變化。反射光經(jīng)檢偏器6后發(fā)生干涉，通過(guò)成 像透鏡7后成像在(XD8的靶面上；與此同時(shí)，(XD將采集到的干涉圖像數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)9， 解算出相位變化。由光波和表面等離子波的耦合條件可知，只有p光可以激發(fā)SPR，s光不能激發(fā) SPR。因此，可以用s光作為參考光，測(cè)量p光的相位變化，如圖3所示。令s光和p光的相 位差為識(shí)，由檢偏器輸出的光強(qiáng)I即為 式中，Ap和As分別為p光和s光的振幅，0為p光和檢偏器偏振方向的夾角。上
式可寫成簡(jiǎn)化形式 其中，/a=Jcos2 沒(méi)+ < sin2"Ib = 2AP As sin 0 cos 0在p光和s光之間依次引入5個(gè)附加相位差_2a、-a、0、a和2a (a = ji/2),
可以根據(jù)光強(qiáng)I隨調(diào)制相位的變化規(guī)律解算出相位P。相應(yīng)的五步光強(qiáng)為 式中，光和S光的光強(qiáng)以及檢偏器的方向決定…為測(cè)得的相位。用 Stoilov算法計(jì)算，可得到
2(/4-/2)
(P = arctan-----. 1 -
/1+/5-2/3、丨
ih-h)
5
(X
,2(/2-/4).從p光相位識(shí)的變化中，可獲得折射率變化的信息，解析得到生物分子相互作用的 特異性、親和力以及動(dòng)力學(xué)特性等參數(shù)。根據(jù)線性誤差理論，相位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為
二cos2 CP2 +(絲)、2 +(絲)、2 +(湮)、2 +(絲)、2 (6)
vfdl, h ydJ2 11 S/3ydl； !i dl5 h式中，％，(/ = 1-' 5)為某一個(gè)像素點(diǎn)在第i次相移產(chǎn)生的干涉圖中的光強(qiáng)測(cè)量誤差 的標(biāo)準(zhǔn)差。在一個(gè)相移周期(采用相移法得到一個(gè)相位值的總時(shí)間)內(nèi)，光強(qiáng)噪聲、移相的噪 聲以及CCD成像檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲等都會(huì)引起解算相位的誤差。在時(shí)間相位調(diào)制成像檢 測(cè)方法中，CCD相機(jī)的噪聲是相位誤差的主要來(lái)源。在科學(xué)級(jí)16位CCD相機(jī)中，％的典型 值在16個(gè)AD單位以上。因此，解算得到的相位的誤差較大。顯然，減小光強(qiáng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差 %，就可以減小相位檢測(cè)系統(tǒng)的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于減小光強(qiáng)測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差 ，提高相位檢測(cè)精度。在時(shí)間相 位調(diào)制sra成像檢測(cè)方法中，可以認(rèn)為每張圖片的光強(qiáng)噪聲％是一樣的，主要由相機(jī)噪聲 決定。相機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)通路如圖5所示。CCD芯片將捕獲的光子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，AD轉(zhuǎn) 換芯片將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入電腦中進(jìn)行處理。其中，CCD是電荷積分器件，由其讀出
6的結(jié)果不是光強(qiáng)I，而是光量子數(shù)Q，兩者關(guān)系為
(7)式中t為曝光時(shí)間。如果5張圖片的曝光時(shí)間相同，則可以直接用光量子數(shù)Q (即圖像的灰度值)，由下 式計(jì)算出相位 如果曝光時(shí)間不同，需要將不同的曝光時(shí)間代入公式中，計(jì)算得到光強(qiáng)后，
再進(jìn)行相位的解算?？紤]到誤差，式(7)寫為 式中，、為曝光時(shí)間，Nem、NAD、NM分別為(XD芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片以及電路帶來(lái)的 噪聲，用AD單位表示。根據(jù)線性誤差理論，光強(qiáng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為 現(xiàn)有技術(shù)中，每幀圖像的曝光時(shí)間是相同的。圖4為在相同曝光時(shí)間下，一個(gè)像素 點(diǎn)在5張相移干涉圖中的灰度值示意圖。其中，曝光時(shí)間t4 = t2，第4張圖像的光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn) 差為％ =(Jh。如果采用變曝光時(shí)間成像，將第4張圖像的曝光時(shí)間延長(zhǎng)為第2張圖像所用的
旦(f3 =1 10)倍，t4= 3t2。根據(jù)式( )，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差變?yōu)樵瓉?lái)的|，即、=’=’。
采用同樣的方法，將每幅圖片的曝光時(shí)間延長(zhǎng)，使其灰度值接近相機(jī)AD芯片轉(zhuǎn)換值的最大 值，最大限度地減小每幅圖像的光強(qiáng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差％，進(jìn)而減小相位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差 。本發(fā)明的特征在于是一種通過(guò)減小每幅圖像的光強(qiáng)測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。來(lái)減小 相位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差^^的方法，i位每幅圖像的序號(hào)，i = l，2，3，4，5，p是干涉圖中被測(cè)點(diǎn)處 兩束相干光的相位差，I為檢偏器輸出光的光強(qiáng)，所述方法是在由激光器、起偏器、電光晶 體、電光調(diào)制電路、擴(kuò)束透鏡組、棱鏡、附著的探針?lè)肿雍痛郎y(cè)樣品生物分子的玻璃基底、所 述檢偏器、成像透鏡、CCD器件以及計(jì)算機(jī)共同組成的時(shí)間相位調(diào)制表面等離子體共振SPR 成像檢測(cè)系統(tǒng)中依次按以下步驟完成的步驟(1).所述(XD器件由受控于C⑶驅(qū)動(dòng)電路的(XD芯片和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片依 次串接而成，把所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出端串接上一個(gè)接口芯片的輸入端，再把該 接口芯片的輸出端互連到所述計(jì)算機(jī)上，同時(shí)，在一個(gè)FPGA芯片上設(shè)置有五步同步信號(hào)、幀同步信號(hào)、電光晶體同步信號(hào)、像素時(shí)鐘信號(hào)、A/D采樣時(shí)鐘、CCD水平時(shí)鐘和CCD垂直時(shí) 鐘，其中五步同步信號(hào)是一個(gè)CCD時(shí)序信號(hào)，標(biāo)記一個(gè)相位測(cè)量周期的開始，脈沖寬度 tsyn在2us 50us間取值，推薦值為10us ；幀同步信號(hào)，共五個(gè)，把一個(gè)所述的相位測(cè)量周期分為五個(gè)幀同步間隔，每個(gè)幀同 步信號(hào)標(biāo)記每張圖像的起始采樣時(shí)間，所述幀同步間隔T在70ms 1500ms間取值，推薦值 為150ms，所述幀同步脈沖的寬度的取值范圍為2us 50us，推薦值為10us ；電光晶體同步信號(hào)，用于同步操作所述電光晶體的相移，相鄰兩個(gè)電光晶體同步 信號(hào)的間隔為T ms,電光晶體同步信號(hào)的脈沖位置是指該電光同步脈沖滯后于對(duì)應(yīng)序號(hào)的 幀同步信號(hào)的位置，取值范圍為lOOus 250us，推薦值為200us，該電光晶體同步脈沖的寬 度的取值范圍為10us 200us，推薦值為50us，然后，把所述FPGA芯片的C⑶水平時(shí)鐘、 CCD垂直時(shí)鐘、五步同步信號(hào)、幀同步信號(hào)還有曝光信號(hào)的各個(gè)輸出端分別連接到所述CCD 驅(qū)動(dòng)電路的相對(duì)應(yīng)的輸入端上，把所述FPGA的A/D采樣時(shí)鐘輸出端連接到所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn) 換芯片的輸入端上，同時(shí)還要把所述五步同步信號(hào)、幀同步信號(hào)和像素時(shí)鐘信號(hào)的輸出端 連接到所述接口芯片相對(duì)應(yīng)的輸入端上；步驟(2).初始化所述計(jì)算機(jī)，設(shè)置圖像采集軟件和以下參數(shù)包括五個(gè)曝光時(shí)間 (tl，t2，t3，t4，t5)、曝光開始信號(hào)脈沖寬度、曝光結(jié)束信號(hào)脈沖寬度、曝光結(jié)束信號(hào)脈沖位 置在內(nèi)的八個(gè)曝光時(shí)間參數(shù)以及所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片寄存器配置參數(shù)，其中第一曝光時(shí)間tl，取值范圍為lus (T_500)us，推薦值為1430us ；第二曝光時(shí)間t2，取值范圍為lus (T_500)us，推薦值為1000us ；第三曝光時(shí)間t3，取值范圍為lus (T_500)us，推薦值為1570us ；第四曝光時(shí)間t4，取值范圍為lus (T_500)us，推薦值為2000us ；第五曝光時(shí)間t5，取值范圍為lus (T_500)us，推薦值為1720us ；所述各曝光時(shí)間的最小值與最大值之間相差3倍，3在1 2間取值；曝光開始信號(hào)的脈沖寬度的取值范圍為10us 50us，推薦值為25us ；曝光結(jié)束信號(hào)的脈沖寬度的取值范圍為10us 50us，推薦值為25us ；曝光結(jié)束信號(hào)trapj)。s脈沖位置，是指每從曝光信號(hào)的上升沿與對(duì)應(yīng)的下一個(gè)幀同 步信號(hào)的脈沖上升沿之間的時(shí)間間隔，在lOOus 250us間取值，推薦值為200us，在同一幀 內(nèi)，曝光開始信號(hào)的上升沿與曝光結(jié)束信號(hào)的上升沿之間的時(shí)間間隔為曝光時(shí)間；在所述計(jì)算機(jī)中還設(shè)有電光調(diào)制所需的驅(qū)動(dòng)電壓以及用于改變所述偏振器輸 出的P光和s光之間相應(yīng)的附加相位差，共五個(gè)，順次的對(duì)應(yīng)于所述五次曝光時(shí)間，依次 S-2a、一a、0、a 禾口 2a，a = JI/2;步驟(3).所述電光調(diào)制電路控制所述電光晶體以用于對(duì)從所述起偏器輸出的已 經(jīng)調(diào)整了光強(qiáng)比的P光和s光進(jìn)行的相位調(diào)制，該電光調(diào)制電路由單片機(jī)、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯 片和高壓調(diào)制器依次串聯(lián)而成，該高壓調(diào)制器的輸出去控制所述電光晶體，該單片機(jī)的輸 入是所述電光晶體同步信號(hào)，該單片機(jī)同時(shí)又與所述計(jì)算機(jī)互聯(lián)；步驟(4).依次按以下步驟進(jìn)行所述的變曝光時(shí)間成像的相移測(cè)量相位的方法步驟(4. 1).啟動(dòng)所述圖像采集軟件所述計(jì)算機(jī)把所述曝光時(shí)間參數(shù)以及A/D模 數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的寄存器配置參數(shù)傳遞給所述FPGA芯片，把所述的電光調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電壓值傳遞給所述單片機(jī)，所述FPGA芯片把所述CCD水平時(shí)鐘、CCD垂直時(shí)鐘、所述各個(gè)曝光時(shí)間的 推薦值、五步同步信號(hào)推薦值以及幀同步信號(hào)推薦值送入所述CCD驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)把所述 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的A/D采樣時(shí)鐘送入所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，把所述五步同步信號(hào)、幀同 步信號(hào)以及像素時(shí)鐘信號(hào)傳遞給所述接口芯片，把所述電光晶體同步信號(hào)傳遞給所述單片 機(jī)；步驟(4.2).所述激光器發(fā)出的光束經(jīng)所述起偏器調(diào)整所述p光和s光之間的光 強(qiáng)后，進(jìn)入電光晶體；步驟(4. 3).所述單片機(jī)收到所述電光晶體同步信號(hào)后，改變所述D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯 片的輸出電壓，經(jīng)所述高壓調(diào)制器調(diào)制后，按所述驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)所述電光晶體，進(jìn)行相位調(diào) 制，調(diào)制后的光經(jīng)所述擴(kuò)束透鏡組擴(kuò)束后，透過(guò)所述棱鏡照射到傳感芯片的所述玻璃基底 與金膜之間的傳感界面上，在生物分子相互作用下，該反射光的相位發(fā)生變化，所述反射光 依次經(jīng)過(guò)所述檢偏器和成像透鏡后把所述傳感表面成像在所述(XD芯片的靶面上，再經(jīng)過(guò) 所述接口芯片到所述計(jì)算機(jī)；步驟(4. 4).所述計(jì)算機(jī)按下式計(jì)算所述p光相位P的相位誤差標(biāo)準(zhǔn)差％ I,為第一次曝光后所述檢偏器輸出的光強(qiáng)，以下類推 Ap和As分別為所述p光和s光的振幅，0為所述p光和檢偏器偏振方向的夾角； 其中，％，(/ = 1,2，3，4,5)為某一個(gè)像素點(diǎn)在第i次相移產(chǎn)生的干涉圖中的光強(qiáng)測(cè)量
誤差的標(biāo)準(zhǔn)差； 式中，、為曝光時(shí)間，Nra、NAD、NM分別為(XD芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片以及電路帶來(lái)的 噪聲，用AD單位表示，NeeD、N%s由相機(jī)實(shí)測(cè)噪聲給出，為AD芯片轉(zhuǎn)換值最大值的0. 5%,Nad 由AD轉(zhuǎn)換芯片的噪聲參數(shù)給出，為AD芯片轉(zhuǎn)換值最大值的0. 3% ；當(dāng) <、時(shí)，則滿足系統(tǒng)檢測(cè)精度要求，~表示精度指標(biāo)，為0. 05° ；在步驟(4)之前，有一個(gè)人機(jī)交互設(shè)置圖像采集的曝光時(shí)間的步驟根據(jù)采集的5張圖像的測(cè)量區(qū)域的平均灰度值giQ，i = 1,2,3,4,5以及曝光時(shí)間
ti0, i = 1，2，3，4，5 重新設(shè)置曝光時(shí)間
.=1,2,3,4,5，gi 目標(biāo)，土 = 1，2，3，4，5 為
平均的目標(biāo)灰度值，為CCD相機(jī)中A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片最大轉(zhuǎn)換值的80 %以上，用所述計(jì)算機(jī) 圖像采集軟件判斷所述5張圖像的測(cè)量區(qū)域的平均灰度值gn，i = 1，2，3，4，5是否已經(jīng)達(dá) 到gi目《以上而且小于A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片最大轉(zhuǎn)換值，若滿足要求，則曝光時(shí)間設(shè)置完畢，否 則，重復(fù)這一步驟。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)①通過(guò)調(diào)整(XD相機(jī)的曝光時(shí)間可以提高每幅圖像的信噪比，降低光強(qiáng)測(cè)量誤差 的標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而減小相位測(cè)量誤差。②本發(fā)明適合于每張圖片的對(duì)比度不大的場(chǎng)合，特別適 用于時(shí)間相位調(diào)制成像測(cè)量方法。③本發(fā)明也適用于其它定步長(zhǎng)相移法和等步長(zhǎng)相移 法，同樣能進(jìn)一步提高相位解算的精度。


圖1為時(shí)間相位調(diào)制sra成像檢測(cè)系統(tǒng)的光路示意圖。圖2為sra傳感生物分子相互作用的原理圖。圖3為p光和s光的振動(dòng)狀態(tài)的示意圖。圖4為一個(gè)像素點(diǎn)在5張相移干涉圖中的灰度值的示意圖。圖5為(XD相機(jī)的電路信號(hào)通路框圖。圖6為電光調(diào)制電路的信號(hào)通路框圖。圖7計(jì)算機(jī)控制電光調(diào)制電路和CCD相機(jī)圖像采集的流程8為相機(jī)中用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的變曝光時(shí)間的控制時(shí)序圖。圖中1_激光器；2-起偏器；3-電光晶體；4-擴(kuò)束透鏡組；5-棱鏡；6_檢偏器； 7-成像透鏡；8-CCD ；9-計(jì)算機(jī)；10-電光調(diào)制電路；11-隱矢場(chǎng)；12-金膜；13-棱鏡；14-待 測(cè)樣品分子；15-探針?lè)肿樱?6-玻璃基底。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明提供的變曝光時(shí)間成像相移方法及其在sra生物分子相 互作用檢測(cè)中的應(yīng)用加以說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)一個(gè)相移周期的5張干涉圖像設(shè)置5個(gè)不同的曝光時(shí)間，連續(xù)采集 圖像并解算相位?？墒牵F(xiàn)有的商用CCD相機(jī)沒(méi)有在連續(xù)采集中周期性地改變5種不同曝 光時(shí)間的功能，因而不適用。采用本發(fā)明研制的CCD相機(jī)，能實(shí)現(xiàn)上述功能，滿足sra生物 分子相互作用檢測(cè)的要求。相機(jī)中的FPGA芯片作為時(shí)序發(fā)生器，產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)， 可根據(jù)不同檢測(cè)對(duì)象，設(shè)置不同的曝光時(shí)間，并與電光晶體的相移同步操作。
具體檢測(cè)步驟如下1)如圖1所示，調(diào)整機(jī)械和光學(xué)系統(tǒng)，使傳感表面成像在(XD芯片上。具體如下，由激光器1發(fā)出的光束，經(jīng)起偏器2調(diào)整p光和s光之間的光強(qiáng)，之后 通過(guò)電光晶體3，相位被調(diào)制。調(diào)制的光經(jīng)擴(kuò)束透鏡組4擴(kuò)束后，透過(guò)棱鏡5照射到傳感芯 片的玻璃基底與金膜之間的傳感界面上；當(dāng)生物分子相互作用時(shí)，傳感界面的結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā) 生變化，即折射率發(fā)生變化，從而使得反射光的相位發(fā)生變化。從傳感界面反射的光經(jīng)檢偏 器6干涉后，通過(guò)成像透鏡7將傳感表面成像在(XD8的靶面上。2)人機(jī)交互設(shè)置圖像采集的曝光時(shí)間。方法如下，計(jì)算機(jī)打開圖像采集軟件，先預(yù)設(shè)五個(gè)曝光時(shí)間tiC1(i = 1,2,3,4,5), 啟動(dòng)圖像采集。相機(jī)中的FPGA芯片產(chǎn)生五步同步信號(hào)，標(biāo)記一個(gè)相移周期的開始；FPGA產(chǎn) 生幀同步信號(hào)，并產(chǎn)生電光晶體同步信號(hào)給電光調(diào)制電路，產(chǎn)生電光晶體所需的驅(qū)動(dòng)電壓， 在P光和s光間引入附加的相位差；之后(XD芯片曝光并傳輸圖像到計(jì)算機(jī)。在一個(gè)相移 周期中，有5個(gè)不同的曝光時(shí)間，采集5張圖像。根據(jù)采集到5張圖像的測(cè)量區(qū)域的平均灰
度值gi0(i = 1，2，3，4，5)，重新設(shè)置五個(gè)曝光時(shí)間
其中灰度值
gi目《為相機(jī)A/D芯片轉(zhuǎn)換值最大值的80%以上。再次啟動(dòng)圖像采集，然后查看5張圖像測(cè) 量區(qū)域的平均灰度值gn (i = 1，2，3，4，5)是否已經(jīng)達(dá)到g目標(biāo)以上而且小于A/D芯片轉(zhuǎn)換值 最大值。如果滿足要求，曝光時(shí)間設(shè)置完畢，如果不滿足，則需要重復(fù)上面的思路方法設(shè)置 曝光時(shí)間，直至最終達(dá)到要求。3)生物實(shí)驗(yàn)開始，計(jì)算機(jī)控制(XD8的圖像采集和電光調(diào)制電路10對(duì)電光晶體3 的相位調(diào)制，保證所采集到的圖像與光的相位調(diào)制對(duì)應(yīng)。過(guò)程如下，計(jì)算機(jī)軟件啟動(dòng)圖像采集，相機(jī)中的FPGA芯片產(chǎn)生五步同步信號(hào)，標(biāo) 記一個(gè)相移周期的開始；FPGA產(chǎn)生幀同步信號(hào)，并產(chǎn)生電光晶體同步信號(hào)給電光調(diào)制電 路，產(chǎn)生電光晶體所需的驅(qū)動(dòng)電壓，改變P光和s光間的附加相位差；之后CCD芯片曝光并 傳輸圖像到計(jì)算機(jī)，在一個(gè)相移周期中，有5個(gè)不同的曝光時(shí)間，采集5張圖像；重復(fù)一個(gè)相 移周期的采集過(guò)程直到檢測(cè)過(guò)程結(jié)束。4)計(jì)算機(jī)9將CCD將采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，解算出相位信息，進(jìn)而解 析得到生物分子相互作用的相關(guān)信息。在時(shí)間相位調(diào)制sra成像檢測(cè)系統(tǒng)中(圖1)，(XD8的信號(hào)通路框圖如圖5所示， 圖中粗箭頭表示的是信息流方向，細(xì)箭頭表示的是控制信號(hào)方向。圖像傳感器CCD芯片將 入射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。接著，該數(shù)字信號(hào)通過(guò)接口芯片傳 輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)行處理或存盤。計(jì)算機(jī)通過(guò)接口芯片，將曝光時(shí)間參數(shù)、A/D芯片寄存器配置 參數(shù)傳遞給FPGA芯片，后者分別配置(XD芯片和A/D芯片。FPGA芯片產(chǎn)生(XD水平、垂直 時(shí)鐘、曝光信號(hào)、五步同步和幀同步信號(hào)給CCD驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行電壓變換和功率放大后驅(qū)動(dòng) (XD芯片。同時(shí)，F(xiàn)PGA芯片產(chǎn)生A/D采樣時(shí)鐘，控制A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并產(chǎn)生五步同步、幀 同步、像素時(shí)鐘信號(hào)給接口芯片，控制同步采集過(guò)程。電光調(diào)制電路10的信號(hào)通路框圖如圖6所示，單片機(jī)接收到(XD相機(jī)中FPGA芯 片發(fā)出的電光晶體同步信號(hào)后，改變數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，經(jīng)高壓調(diào)制器調(diào)制后驅(qū)動(dòng)電 光晶體。計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間采用串口通信方式，可通過(guò)軟件來(lái)設(shè)定電光調(diào)制所需的驅(qū)動(dòng)電壓。(XD相機(jī)中FPGA芯片產(chǎn)生的調(diào)制時(shí)序如圖8所示，參數(shù)設(shè)置如表1所示。每個(gè)五 步同步信號(hào)都標(biāo)記著所對(duì)應(yīng)的相位測(cè)量周期的開始；幀同步信號(hào)用于標(biāo)記每張圖像采集的 開始；電光晶體同步信號(hào)用來(lái)同步操作電光晶體的相移；曝光開始和曝光結(jié)束信號(hào)用來(lái)控 制圖像的曝光時(shí)間。曝光結(jié)束信號(hào)不能改變，曝光開始信號(hào)可以改變。設(shè)置5張圖像的不 同曝光時(shí)間的開始位置，即可實(shí)現(xiàn)變曝光時(shí)間成像。調(diào)整每張圖片的曝光時(shí)間tl t5，使 圖片測(cè)量區(qū)域的灰度值達(dá)到相機(jī)AD芯片轉(zhuǎn)換值的最大值的80%以上，就可以大限度地減 小每幅圖像的光強(qiáng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差％，進(jìn)而減小相位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差 。圖7是計(jì)算機(jī)控制(XD8的圖像采集和電光調(diào)制電路10的流程圖。表1是用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的變曝光時(shí)間的控制時(shí)序圖參數(shù)。
表 權(quán)利要求
變曝光時(shí)間成像相移測(cè)量相位的方法，其特征在于是一種通過(guò)減小每幅圖像的光強(qiáng)測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)減小相位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差的方法，i為每幅圖像的序號(hào)，i＝1，2，3，4，5，是干涉圖中被測(cè)點(diǎn)處兩束相干光的相位差，I為檢偏器輸出光的光強(qiáng)，所述方法是在由激光器、起偏器、電光晶體、電光調(diào)制電路、擴(kuò)束透鏡組、棱鏡、附著探針?lè)肿雍痛郎y(cè)樣品生物分子的玻璃基底、所述檢偏器、成像透鏡、CCD器件以及計(jì)算機(jī)共同組成的時(shí)間相位調(diào)制表面等離子體共振SPR成像檢測(cè)系統(tǒng)中依次按以下步驟完成的步驟(1).所述CCD器件由受控于CCD驅(qū)動(dòng)電路的CCD芯片和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片依次串接而成，把所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出端串接上一個(gè)接口芯片的輸入端，再把該接口芯片的輸出端互連到所述計(jì)算機(jī)上，同時(shí)，在一個(gè)FPGA芯片上設(shè)置有五步同步信號(hào)、幀同步信號(hào)、電光晶體同步信號(hào)、像素時(shí)鐘信號(hào)、A/D采樣時(shí)鐘、CCD水平時(shí)鐘和CCD垂直時(shí)鐘，其中五步同步信號(hào)是一個(gè)CCD時(shí)序信號(hào)，標(biāo)記一個(gè)相位測(cè)量周期的開始，脈沖寬度tsyn在2us～50us間取值，推薦值為10us；幀同步信號(hào)，共五個(gè)，把一個(gè)所述的相位測(cè)量周期分為五個(gè)幀同步間隔，每個(gè)幀同步信號(hào)標(biāo)記每張圖像的起始采樣時(shí)間，所述幀同步間隔T在70ms～1500ms間取值，推薦值為150ms，所述幀同步脈沖的寬度的取值范圍為2us～50us，推薦值為10us；電光晶體同步信號(hào)，用于同步操作所述電光晶體的相移，相鄰兩個(gè)電光晶體同步信號(hào)的間隔為Tms，電光晶體同步信號(hào)的脈沖位置是指該電光同步脈沖滯后于對(duì)應(yīng)序號(hào)的幀同步信號(hào)的位置，取值范圍為100us～250us，推薦值為200us，該電光晶體同步脈沖的寬度的取值范圍為10us～200us，推薦值為50us，然后，把所述FPGA芯片的CCD水平時(shí)鐘、CCD垂直時(shí)鐘、五步同步信號(hào)、幀同步信號(hào)還有曝光信號(hào)的各個(gè)輸出端分別連接到所述CCD驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)應(yīng)的輸入端上，把所述FPGA的A/D采樣時(shí)鐘輸出端連接到所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入端上，同時(shí)還要把所述五步同步信號(hào)、幀同步信號(hào)和像素時(shí)鐘信號(hào)的輸出端連接到所述接口芯片相對(duì)應(yīng)的輸入端上；步驟(2).初始化所述計(jì)算機(jī)，設(shè)置圖像采集軟件和以下參數(shù)包括五個(gè)曝光時(shí)間(t1，t2，t3，t4，t5)、曝光開始信號(hào)脈沖寬度、曝光結(jié)束信號(hào)脈沖寬度、曝光結(jié)束信號(hào)脈沖位置在內(nèi)的八個(gè)曝光時(shí)間參數(shù)以及所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片寄存器配置參數(shù)，其中第一曝光時(shí)間t1，取值范圍為1us～(T 500)us，推薦值為1430us；第二曝光時(shí)間t2，取值范圍為1us～(T 500)us，推薦值為1000us；第三曝光時(shí)間t3，取值范圍為1us～(T 500)us，推薦值為1570us；第四曝光時(shí)間t4，取值范圍為1us～(T 500)us，推薦值為2000us；第五曝光時(shí)間t5，取值范圍為1us～(T 500)us，推薦值為1720us；所述各曝光時(shí)間的最小值與最大值之間相差β倍，β在1～2間取值；曝光開始信號(hào)的脈沖寬度的取值范圍為10us～50us，推薦值為25us；曝光結(jié)束信號(hào)的脈沖寬度的取值范圍為10us～50us，推薦值為25us；曝光結(jié)束信號(hào)texp_pos脈沖位置，是指從曝光信號(hào)的上升沿與對(duì)應(yīng)的下一個(gè)幀同步信號(hào)的脈沖上升沿之間的時(shí)間間隔，在100us～250us間取值，推薦值為200us，在同一幀內(nèi)，曝光開始信號(hào)的上升沿與曝光結(jié)束信號(hào)的上升沿之間的時(shí)間間隔為曝光時(shí)間；在所述計(jì)算機(jī)中還設(shè)有電光調(diào)制所需的驅(qū)動(dòng)電壓值以及用于改變所述偏振器輸出的p光和s光之間相應(yīng)的附加相位差，共五個(gè)，順次的對(duì)應(yīng)于所述五次曝光時(shí)間，依次為 2α、 α、0、α和2α，α＝π/2；步驟(3).所述電光調(diào)制電路控制所述電光晶體以用于對(duì)從所述起偏器輸出的已經(jīng)調(diào)整了光強(qiáng)比的p光和s光進(jìn)行的相位調(diào)制，該電光調(diào)制電路由單片機(jī)、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和高壓調(diào)制器依次串聯(lián)而成，該高壓調(diào)制器的輸出去控制所述電光晶體，該單片機(jī)的輸入是所述電光晶體同步信號(hào)，該單片機(jī)同時(shí)又與所述計(jì)算機(jī)互聯(lián)；步驟(4).依次按以下步驟進(jìn)行所述的變曝光時(shí)間成像的相移測(cè)量相位的方法步驟(4.1).啟動(dòng)所述圖像采集軟件所述計(jì)算機(jī)把所述曝光時(shí)間參數(shù)以及A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的寄存器配置參數(shù)傳遞給所述FPGA芯片，把所述的電光調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電壓值傳遞給所述單片機(jī)，所述FPGA芯片把所述CCD水平時(shí)鐘、CCD垂直時(shí)鐘、所述各個(gè)曝光時(shí)間的推薦值、五步同步信號(hào)推薦值以及幀同步信號(hào)推薦值送入所述CCD驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)把所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的A/D采樣時(shí)鐘送入所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，把所述五步同步信號(hào)、幀同步信號(hào)以及像素時(shí)鐘信號(hào)傳遞給所述接口芯片，把所述電光晶體同步信號(hào)傳遞給所述單片機(jī)；步驟(4.2).所述激光器發(fā)出的光束經(jīng)所述起偏器調(diào)整所述p光和s光之間的光強(qiáng)后，進(jìn)入電光晶體；步驟(4.3).所述單片機(jī)收到所述電光晶體同步信號(hào)后，改變所述D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出電壓，經(jīng)所述高壓調(diào)制器調(diào)制后，按所述驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)所述電光晶體，進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制后的光經(jīng)所述擴(kuò)束透鏡組擴(kuò)束后，透過(guò)所述棱鏡照射到傳感芯片的所述玻璃基底與金膜之間的傳感界面上，在生物分子相互作用下，該反射光的相位發(fā)生變化，所述反射光依次經(jīng)過(guò)所述檢偏器和成像透鏡后把所述傳感表面成像在所述CCD芯片的靶面上，再經(jīng)過(guò)所述接口芯片到所述計(jì)算機(jī)；步驟(4.4).所述計(jì)算機(jī)按下式計(jì)算所述p光相位的相位誤差標(biāo)準(zhǔn)差步驟(4.4.1).其中I1為第一次曝光后所述檢偏器輸出的光強(qiáng)，以下類推 <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>a</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mi>A</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msubsup><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mi>&theta;</mi><mo>+</mo><msubsup> <mi>A</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msubsup><msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn></msup><mi>&theta;</mi> </mrow>Ib＝2ApAssinθcosθAp和As分別為所述p光和s光的振幅，θ為所述p光和檢偏器偏振方向的夾角；步驟(4.4.2).其中，(i＝1，2，3，4，5)為某一個(gè)像素點(diǎn)在第i次相移產(chǎn)生的干涉圖中的光強(qiáng)測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差；式中，ti為曝光時(shí)間，NCCD、NAD、N電路分別為CCD芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片以及電路帶來(lái)的噪聲，用AD單位表示，NCCD、N電路由相機(jī)實(shí)測(cè)噪聲給出，為AD芯片轉(zhuǎn)換值最大值的0.5％，NAD由AD轉(zhuǎn)換芯片的噪聲參數(shù)給出，為AD芯片轉(zhuǎn)換值最大值的0.3％；當(dāng)時(shí)，則滿足系統(tǒng)檢測(cè)精度要求，表示精度指標(biāo)，為0.05°。FSA00000086435400011.tif,FSA00000086435400012.tif,FSA00000086435400013.tif,FSA00000086435400041.tif,FSA00000086435400042.tif,FSA00000086435400043.tif,FSA00000086435400044.tif,FSA00000086435400045.tif,FSA00000086435400046.tif,FSA00000086435400047.tif,FSA00000086435400048.tif,FSA000000864354000410.tif,FSA000000864354000411.tif,FSA000000864354000412.tif,FSA000000864354000413.tif,FSA000000864354000414.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變曝光時(shí)間成像相移測(cè)量相位的方法，其特征在于，在步驟 (4)之前，有一個(gè)人機(jī)交互設(shè)置圖像采集的曝光時(shí)間的步驟根據(jù)采集的5張圖像的測(cè)量區(qū)域的平均灰度值gi(l，i = 1,2,3,4,5以及曝光時(shí)間tiQ，0，i = 1，2，3，4，5 重新設(shè)置曝光時(shí)間 ，i = 1,2,3,4,5, gi 目標(biāo)，i = 1,2,3,4,5 為平均的目標(biāo)灰度值，為CCD相機(jī)中A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片最大轉(zhuǎn)換值的80 %以上，用所述計(jì)算 機(jī)圖像采集軟件判斷所述5張圖像的測(cè)量區(qū)域的平均灰度值gn，i = 1，2，3，4，5是否已經(jīng) 達(dá)到gi目以上而且小于A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片最大轉(zhuǎn)換值，若滿足要求，則曝光時(shí)間設(shè)置完畢， 否則，重復(fù)這一步驟。
全文摘要
變曝光時(shí)間成像相移測(cè)量相位的方法，屬于光學(xué)相位測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，在時(shí)間相位調(diào)制表面等離子體共振SPR成像檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)基于變曝光時(shí)間成像相移的圖像采集軟件，設(shè)置包括各次不同的曝光時(shí)間、曝光開始和結(jié)束的參數(shù)在內(nèi)的曝光時(shí)間參數(shù)，并通過(guò)一個(gè)預(yù)置在CCD相機(jī)內(nèi)的FPGA去控制相移測(cè)量周期、幀同步周期、電光晶體同步周期以及包括曝光開始、結(jié)束時(shí)間在內(nèi)的曝光信號(hào)周期以驅(qū)動(dòng)CCD驅(qū)動(dòng)電路使CCD芯片逐幀地?cái)z取圖像，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)降低每次相移產(chǎn)生的干涉圖中的光強(qiáng)測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)降低起偏器輸出的p光的相位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。本發(fā)明具有提高檢測(cè)相位誤差精度的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04N5/232GK101893563SQ20101015255
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者余興龍, 張瑋, 羅昭鋒, 鄧焱 申請(qǐng)人:清華大學(xué)