[发明专利]变曝光时间成像相移测量相位的方法

摘要

变曝光时间成像相移测量相位的方法，属于光学相位测量技术领域。其特征在于，在时间相位调制表面等离子体共振SPR成像检测系统内的计算机中建立一个基于变曝光时间成像相移的图像采集软件，设置包括各次不同的曝光时间、曝光开始和结束的参数在内的曝光时间参数，并通过一个预置在CCD相机内的FPGA去控制相移测量周期、帧同步周期、电光晶体同步周期以及包括曝光开始、结束时间在内的曝光信号周期以驱动CCD驱动电路使CCD芯片逐帧地摄取图像，从而实现通过降低每次相移产生的干涉图中的光强测量误差的标准差来降低起偏器输出的p光的相位误差的标准差。本发明具有提高检测相位误差精度的优点。

主权项

1.变曝光时间成像相移测量相位的方法，其特征在于是一种通过减小每幅图像的光强测量误差的标准差来减小相位误差的标准差的方法，i为每幅图像的序号，i＝1，2，3，4，5，是干涉图中被测点处两束相干光的相位差，I为检偏器输出光的光强，所述方法是在由激光器、起偏器、电光晶体、电光调制电路、扩束透镜组、棱镜、附着探针分子和待测样品生物分子的玻璃基底、所述检偏器、成像透镜、CCD器件以及计算机共同组成的时间相位调制表面等离子体共振SPR成像检测系统中依次按以下步骤完成的：步骤(1).所述CCD器件由受控于CCD驱动电路的CCD芯片和A/D模数转换芯片依次串接而成，把所述的A/D模数转换芯片的输出端串接上一个接口芯片的输入端，再把该接口芯片的输出端互连到所述计算机上，同时，在一个FPGA芯片上设置有五步同步信号、帧同步信号、电光晶体同步信号、像素时钟信号、A/D采样时钟、CCD水平时钟和CCD垂直时钟，其中：五步同步信号是一个CCD时序信号，标记一个相位测量周期的开始，脉冲宽度t_syn在2us～50us间取值，推荐值为10us；帧同步信号，共五个，把一个所述的相位测量周期分为五个帧同步间隔，每个帧同步信号标记每张图像的起始采样时间，所述帧同步间隔T在70ms～1500ms间取值，推荐值为150ms，所述帧同步脉冲的宽度的取值范围为2us～50us，推荐值为10us；电光晶体同步信号，用于同步操作所述电光晶体的相移，相邻两个电光晶体同步信号的间隔为Tms，电光晶体同步信号的脉冲位置是指该电光同步脉冲滞后于对应序号的帧同步信号的位置，取值范围为100us～250us，推荐值为200us，该电光晶体同步脉冲的宽度的取值范围为10us～200us，推荐值为50us，然后，把所述FPGA芯片的CCD水平时钟、CCD垂直时钟、五步同步信号、帧同步信号还有曝光信号的各个输出端分别连接到所述CCD驱动电路相对应的输入端上，把所述FPGA的A/D采样时钟输出端连接到所述A/D模数转换芯片的输入端上，同时还要把所述五步同步信号、帧同步信号和像素时钟信号的输出端连接到所述接口芯片相对应的输入端上；步骤(2).初始化所述计算机，设置图像采集软件和以下参数：包括五个曝光时间(t1，t2，t3，t4，t5)、曝光开始信号脉冲宽度、曝光结束信号脉冲宽度、曝光结束信号脉冲位置在内的八个曝光时间参数以及所述A/D模数转换芯片寄存器配置参数，其中：第一曝光时间t1，取值范围为1us～(T-500)us，推荐值为1430us；第二曝光时间t2，取值范围为1us～(T-500)us，推荐值为1000us；第三曝光时间t3，取值范围为1us～(T-500)us，推荐值为1570us；第四曝光时间t4，取值范围为1us～(T-500)us，推荐值为2000us；第五曝光时间t5，取值范围为1us～(T-500)us，推荐值为1720us；所述各曝光时间的最小值与最大值之间相差β倍，β在1～2间取值；曝光开始信号的脉冲宽度的取值范围为10us～50us，推荐值为25us；曝光结束信号的脉冲宽度的取值范围为10us～50us，推荐值为25us；曝光结束信号t_{exp_pos}脉冲位置，是指从曝光信号的上升沿与对应的下一个帧同步信号的脉冲上升沿之间的时间间隔，在100us～250us间取值，推荐值为200us，在同一帧内，曝光开始信号的上升沿与曝光结束信号的上升沿之间的时间间隔为曝光时间；在所述计算机中还设有电光调制所需的驱动电压值以及用于改变所述偏振器输出的p光和s光之间相应的附加相位差，共五个，顺次的对应于所述五次曝光时间，依次为-2α、-α、0、α和2α，α＝π/2；步骤(3).所述电光调制电路控制所述电光晶体以用于对从所述起偏器输出的已经调整了光强比的p光和s光进行的相位调制，该电光调制电路由单片机、D/A数模转换芯片和高压调制器依次串联而成，该高压调制器的输出去控制所述电光晶体，该单片机的输入是所述电光晶体同步信号，该单片机同时又与所述计算机互联；步骤(4).依次按以下步骤进行所述的变曝光时间成像的相移测量相位的方法：步骤(4.1).启动所述图像采集软件：所述计算机把所述曝光时间参数以及A/D模数转换芯片的寄存器配置参数传递给所述FPGA芯片，把所述的电光调制的驱动电压值传递给所述单片机，所述FPGA芯片把所述CCD水平时钟、CCD垂直时钟、所述各个曝光时间的推荐值、五步同步信号推荐值以及帧同步信号推荐值送入所述CCD驱动电路，同时把所述A/D模数转换芯片的A/D采样时钟送入所述A/D模数转换芯片，把所述五步同步信号、帧同步信号以及像素时钟信号传递给所述接口芯片，把所述电光晶体同步信号传递给所述单片机；步骤(4.2).所述激光器发出的光束经所述起偏器调整所述p光和s光之间的光强后，进入电光晶体；步骤(4.3).所述单片机收到所述电光晶体同步信号后，改变所述D/A数模转换芯片的输出电压，经所述高压调制器调制后，按所述驱动电压驱动所述电光晶体，进行相位调制，调制后的光经所述扩束透镜组扩束后，透过所述棱镜照射到传感芯片的所述玻璃基底与金膜之间的传感界面上，在生物分子相互作用下，该反射光的相位发生变化，所述反射光依次经过所述检偏器和成像透镜后把所述传感表面成像在所述CCD芯片的靶面上，再经过所述接口芯片到所述计算机；步骤(4.4).所述计算机按下式计算所述p光相位的相位误差标准差步骤(4.4.1).其中：I₁为第一次曝光后所述检偏器输出的光强，以下类推：Ia=Ap2cos2θ+As2sin2θ]]>I_b＝2A_pA_ssinθcosθA_p和A_s分别为所述p光和s光的振幅，θ为所述p光和检偏器偏振方向的夹角；步骤(4.4.2).其中，(i＝1，2，3，4，5)为某一个像素点在第i次相移产生的干涉图中的光强测量误差的标准差；式中，t_i为曝光时间，N_CCD、N_AD、N_电路分别为CCD芯片、AD转换芯片以及电路带来的噪声，用AD单位表示，N_CCD、N_电路由相机实测噪声给出，为AD芯片转换值最大值的0.5％，N_AD由AD转换芯片的噪声参数给出，为AD芯片转换值最大值的0.3％；当时，则满足系统检测精度要求，表示精度指标，为0.05°。