CN106328469B

CN106328469B - 一种外置式透射电镜图像数字化采集装置及系统

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Publication number: CN106328469B
Application number: CN201610665947.3A
Authority: CN
Inventors: 戚其丰; 崔洁; 杨贤锋; 吴东晓; 尹诗衡; 杨辑; 刘金超
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2019-03-08
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: CN106328469A

Abstract

一种外置式透射电镜图像数字化采集装置，包括外置壳体和CCD相机，所述外置壳体的至少一侧设有开口，所述CCD相机设置在所述外置壳体的开口端，所述CCD相机将光信号转换为电信号；所述外置壳体可拆卸地固定在透射电镜的观察窗外。本发明将CCD相机外置地固定在观察窗外，将CCD相机置于透射电子束通路之外，无需使用底装CCD系统，避免了现有技术中，底装CCD系统处于透射电子束通路中遭受电子轰击，容易损坏的缺陷；同时，若CCD相机受损，则更换一个外置装置即可，避免了现有技术中，对CCD相机进行更换，需要对透射电镜的部件进行拆卸，维修麻烦的问题；另外，本发明的外置装置适用于各型号的透射电镜。

Description

一种外置式透射电镜图像数字化采集装置及系统

技术领域

本发明涉及一种图像采集装置及系统，尤其涉及一种透射电镜图像数字化采集装置及系统。

背景技术

透射电子显微镜，简称透射电镜，其基本工作原理如下：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间镜和透射镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在投影室内的荧光屏板上；荧光屏将电子图像转化为可见光图像以供使用者观察。为了存储数据用于以后的分析，人们在荧光屏底下安装了一个图像采集系统，将电子影像转化为光影图像保存下来。

请参阅图1，其为现有技术中仅应用底装CCD系统的透射电镜的结构示意图。该透射电镜从其内部顶端的电子枪发出透射电子束160，该透射电子束160经过聚光镜、样品室、物镜、中间镜和透射镜后进入投影室110，投射到投影室110底部的荧光屏120上。该荧光屏120将电子图像转化为可见光图像，荧光屏120上发出的可见光可通过铅玻璃制的观察窗130进行观察，同时该可见光穿过透射电镜底部的铅玻璃制的透射窗140，被安装在荧光屏下方的内置CCD相机150拍摄下来，具体地，该内置CCD相机150包括镜头1510和CCD图像传感器1520，光线经过镜头1510后被CCD图像传感器1520捕捉并转化为电信号。该内置CCD相机150通过USB线与计算机连接，将图像数据传输到计算机中进行处理。其中，该位于投影室底部的荧光屏120和位于荧光屏下方的CCD相机150组成了底装CCD系统。

上述透射电镜的缺陷是：1.该CCD相机安装在透射电镜底部，经过透射电子束的通路，高能的透射电子束对CCD相机里的CCD图像传感器容易造成损坏，其使用寿命大大降低；2.CCD相机或CCD图像传感器更换不便，需要拆卸位于透射电镜底部的相关装置，维修成本高。

为了克服这种应用底装CCD系统的透射电镜的缺陷，出现了一种应用在透射电镜上的侧装CCD系统，请参阅图2，其为现有技术中同时应用侧装CCD系统和底装CCD系统的透射电镜的结构示意图。该侧装CCD系统包括侧装CCD相机1720、小荧光屏1730、直角棱镜1740、步进电机1760和丝杆1770。该透射电镜在投影室110的上部的镜筒侧壁上分别设有两个35mm相机接口1710，在其中一个相机接口1710处安装铅玻璃小观察窗1750和侧装CCD相机1720，另一个相机接口1710处安装小荧光屏1730和直角棱镜1740，侧装CCD相机1720被铅玻璃小观察窗1750隔离，位于透射电镜的镜筒外。小荧光屏1730则位于透射电镜的镜筒内，用步进电机1760通过驱动丝杆1770来驱动小荧光屏1730进入或退出透射电子束的通路，小荧光屏1730上的可见光图像经直角棱镜1740、小观察窗1750后成像在侧装CCD相机1720上。

虽然这种侧装CCD系统中的CCD图像传感器并没有处于透射电子束的通路上，因此避免了直接被透射电子束轰击而造成损坏，但这种侧装CCD系统的缺陷是：该小荧光屏进入或退出透射电子束通路时，由于机械运动的误差，无法精确回到原来的位置，导致小荧光屏和CCD图像传感器之间相对位置容易发生变化，为了使图像精准，每次操作都需要重新进行图像矫正；另外，小荧光屏相对于底部荧光屏而言，位于透射电子束通路的上方，其成像的放大倍数小，便于进行样品预观察，寻找感兴趣的区域，但也由于放大倍数较小，因此不能得到方法倍数较大的图像，所以侧装CCD系统往往不能取代底装CCD系统，在通过该侧装CCD系统完成搜索和预观察后，还需要采用底装CCD系统更精确地寻找观察位置并进行高清拍摄。因此大多数侧装CCD系统仅仅用于辅助性的预观察，需要配合底装CCD系统一起使用。

因此，即使对于同时加装有侧装CCD系统和底装CCD系统的透射电镜来说，仍然不能避免底装CCD系统中的CCD图像传感器受到透射电子束的轰击、容易损坏的缺陷，而在该底部的CCD图像传感器受到损坏后，更换不便，维修成本高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种CCD相机能长期稳定使用、易于拆卸和更换、适用范围广的外置式透射电镜图像数字化采集装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种外置式透射电镜图像数字化采集装置，包括外置壳体和CCD相机，所述外置壳体的至少一侧设有开口，所述CCD相机设置在所述外置壳体的开口端，所述CCD相机将光信号转换为电信号；所述外置壳体可拆卸地固定在透射电镜的观察窗外。

本发明将CCD相机外置地固定在观察窗外，将CCD相机置于透射电子束通路之外，无需使用底装CCD系统，避免了现有技术中，底装CCD系统处于透射电子束通路中遭受电子轰击，容易损坏的缺陷；同时，若CCD相机受损，则更换一个外置装置即可，避免了现有技术中，对CCD相机进行更换，需要对透射电镜的部件进行拆卸，维修麻烦的问题；另外，本发明的外置装置适用于各型号的透射电镜，只要该透射电镜设置有荧光屏，同时设有可观察该荧光屏的观察窗，即可使用，适用范围极广。

进一步地，所述CCD相机包括镜头和CCD图像传感器；所述镜头设置在所述外置壳体的开口端，并与所述CCD图像传感器固定连接；所述镜头使光线在所述CCD图像传感器上成像，所述CCD图像传感器将光信号转换为电信号。

进一步地，所述外置壳体为一侧开口的半封闭壳体，其开口端面上设有密封圈。

进一步地，所述CCD图像传感器上设有输出端口，所述CCD图像传感器通过所述输出端口将电信号传送出去。

本发明还提供一种外置式透射电镜图像数字化采集系统，包括透射电镜、根据权利要求1-4中任一项所述的外置式透射电镜图像数字化采集装置、图像采集卡、图像处理模块、显示屏；所述透射电镜包括荧光屏和观察窗，所述荧光屏水平设置在所述透射电镜内部的底面上，所述观察窗设置在所述荧光屏侧对的所述透射电镜的侧壁上；所述外置式透射电镜图像数字化采集装置可拆卸地固定在所述观察窗外；所述CCD相机、图像采集卡、图像处理模块、显示屏依次电连接，所述CCD相机将光信号转换为电信号，并将电信号传输到所述图像采集卡处进行储存，所述图像处理模块对所述图像采集卡中的电信号进行处理并输出到所述显示屏还原为图像显示。

进一步地，所述观察窗与所述荧光屏之间形成夹角θ，所述夹角θ大于0度且小于90度；所述图像处理模块包括图像矫正模块，所述图像矫正模块对夹角θ所造成的图像几何失真进行矫正，使所述显示屏上显示的图像与所述荧光屏上的成像一致。

进一步地，所述图像矫正模块通过获得所述CCD相机的内部参数和外部参数对图像几何失真进行矫正；

进一步地，所述内部参数通过张正友的基于多平面的摄像头内外参数求取方法获得；所述外部参数通过已标定的参考图像获得。

进一步地，所述图像处理模块包括图像放大模块，所述图像放大模块对图像进行放大。

进一步地，所述图像放大模块采用最近领域插值算法或双线性插值算法对图像进行放大。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是现有技术中仅应用底装CCD系统的透射电镜的结构示意图；

图2是现有技术中同时应用侧装CCD系统和底装CCD系统的透射电镜的结构示意图；

图3是本发明的外置式透射电镜图像数字化采集系统的信号传输示意图；

图4是本发明的外置装置和透射电镜的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图3，其为本发明的外置式透射电镜图像数字化采集系统的信号传输示意图。本发明的外置式透射电镜图像数字化采集系统，包括透射电镜1、外置式透射电镜图像数字化采集装置2(以下简称外置装置)、图像采集卡3、图像处理模块4、显示屏5和打印机6。该外置装置2安装在该透射电镜1上，该外置装置2、图像采集卡3、图像处理模块4依次电连接，该图像处理模块4同时与显示器5和打印机6电连接。

请参阅图4，其为本发明的外置装置和透射电镜的结构示意图。该透射电镜1包括镜筒10、电子枪、透镜、荧光屏12。该镜筒10的顶部安装有电子枪，该镜筒10所形成的中部空腔为放置样品的样品室，其形成的底部空腔为投影室11。该透镜包括聚光镜、物镜、中间镜和透射镜。该投影室11的侧壁上设有倾斜的观察窗13，该观察窗13由透光特性良好的铅玻璃制成，同时能阻断有害射线射出以及维持镜筒10内的真空状态。该投影室11的底部设有水平安装的荧光屏12，该荧光屏12与观察窗13形成夹角θ，在被实施例中θ为45度。该透射电镜1在工作时，由顶部的电子枪射出透射电子束16，该透射电子束16分别经过聚光镜、样品室、物镜、中间镜和透射镜后，进入到投影室11内，投射在荧光屏12上，该荧光屏12将电子信号转换成可见光信号，该可见光信号通过观察窗13传出。

该外置装置2包括外置壳体21和安装在外置壳体21内的CCD相机22。该CCD相机22包括镜头221和CCD图像传感器222。该外置壳体21为一侧开口的半封闭壳体，其开口端面上设有一密封圈23，该外置壳体21可将其开口端紧贴在该观察窗13上并密封固定，并使CCD相机22与该观察窗13平行。该镜头221设置在该外置壳体21的开口端，使镜头221能够捕捉到通过观察窗13照射出来的荧光屏12上的可见光，并使光线在该CCD图像传感器222上成像。CCD图像传感器全称为电荷耦合元件，是一种能够把光学影像转化为电信号的半导体器件。该CCD图像传感器222设有输出端口，将荧光屏12发射的光信号转化为电信号后传送到图像采集卡3。进一步地，该端口设置为可支持热插拔，使用方便。

图像采集卡3对CCD图像传感器222传来的图像电信号进行采集并压缩，再传送到图像处理模块4进行处理。

该图像处理模块4包括图像矫正模块41和图像放大模块42。

关于图像矫正模块41，由于CCD相机22与荧光屏12之间形成夹角θ，因此CCD相机22所拍摄的图像会产生几何失真，图像矫正模块41通过对CCD相机建模的方式来确定在CCD相机内成像的像平面与荧光屏所形成的物平面之间的位置关系，将以像平面为基准的摄像机坐标系中的点还原为以荧光屏为基准的世界坐标系中的点，从而矫正该夹角所造成的几何失真。CCD相机的模型由两部分组成，一是CCD相机的内部参数，即CCD相机内部的几何和光学特性参数，包括fx、fy、u0和v0；二是CCD相机的外部参数，即摄像机坐标系与世界坐标系之间的位置关系，包括旋转矩阵R和平移矩阵T。该图像矫正模块的数学模型可以表示为：

其中，(u,v)为像平面中的任意点的坐标，(x_w,y_w,z_w)为物平面中的任意点的坐标，上述模型即为像平面坐标与物平面坐标间的转换关系。对于该CCD相机的内部参数，可通过张正友的基于多平面的摄像头内外参数求取方法事先获得，其具体步骤是：

1.打印一张黑白相间的棋盘状网格模板并贴在一个平面上；

2.从不同角度拍摄若干张模板图像；

3.检测出图像中的特征点；

4.求出摄像机的内部参数；

5.求出畸变系数；

6.优化求精。

对于该CCD相机的外部参数，可通过特定的已标定的透射电镜图像作为参考图像获得。具体地，该参考图像采用网状栅格图案，该图案由两组间距相等的平行线垂直交错形成。透射电镜将该参考图像打在荧光屏12上，获取栅格图案上的交汇点的坐标，再通过张正友的基于多平面的摄像头内外参数求取方法获得CCD相机的外部参数。每次将外置装置2安装在透射电镜1上时，都需要重新获得外部参数。

假定物平面为z平面，即z_w＝0，并将获得的内部参数和外部参数代入上述图像矫正模块的数学模型，即可获得像平面与物平面间坐标的转换关系x_w,y_w＝f(u,v)，将CCD相机获得的具有几何失真的图像信号还原为与荧光屏上一致的图像信号。

经该图像矫正模块41处理后的信号输入到图像放大模块42进行进一步的处理。图像放大一般采用内插值方法，即在原有图像像素的基础上，在像素点之间采用合适的插值算法插入新的像素。在本实施例中，可采用最近领域插值算法或双线性插值算法对图像进行放大。具体地，最近领域插值算法，其插入的像素点的值就等于距离它映射到的位置最近的像素点的值。最近领域插值算法较为简单，但可能在图像处理后产生锯齿形边界。双线性插值算法则利用待插值像素点周围的四个像素点的值，通过加权平均计算得出插入像素点的值。假如想得到未知函数f在点P＝(x，y)的值，且已知函数f在Q₁₁＝(x₁，x₂),Q₁₂＝(x₁，x₂),Q₂₁=(x₂，y₁),及Q₂₂=(x₂，y₂)四个点的值。首先在x方向进行线性插值，得到：

然后在y方向进行线性插值，得到

这样就得到所要的结果f(x，y)，即待插入像素点的值。

经图像放大模块42进行处理后的信号最后输出到显示器5进行显示或打印机6进行打印输出。

本发明的外置式透射电镜图像数字化采集系统在使用时，将外置装置2固定在透射电镜1的观察窗13上，启动透射电镜1，外置装置2中的CCD相机22即通过观察窗13，对荧光屏12上的可见光信号进行捕捉，转化为电信号，并传送到图像采集卡3进行采集，然后由图像矫正模块41进行图像还原，矫正几何失真，再由图像放大模块42对图像进行放大优化，提高图像精度，最后输出到显示屏5显示。通过显示屏5显示，可供多人同时观察，搜索样品中感兴趣的区域，采集图像数据后可通过打印机6打印输出。

本发明的外置式透射电镜图像数字化采集系统，采用外置的CCD相机，无需使用透射电镜中的侧装和底装CCD系统，无论该透射电镜是否安装侧装和底装CCD系统，均不影响本发明的外置式透射电镜图像数字化采集系统和装置的使用。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims

1.一种外置式透射电镜图像数字化采集系统，其特征在于：包括透射电镜、外置式透射电镜图像数字化采集装置、图像采集卡、图像处理模块、显示屏；所述透射电镜包括荧光屏和观察窗，所述荧光屏水平设置在所述透射电镜内部的底面上，所述观察窗设置在所述荧光屏侧对的所述透射电镜的侧壁上；

所述外置式透射电镜图像数字化采集装置包括外置壳体和CCD相机，所述外置壳体的至少一侧设有开口，所述CCD相机设置在所述外置壳体的开口端，所述外置壳体可拆卸地固定在透射电镜的观察窗外；

所述CCD相机、图像采集卡、图像处理模块、显示屏依次电连接，所述CCD相机将光信号转换为电信号，并将电信号传输到所述图像采集卡处进行储存，所述图像处理模块对所述图像采集卡中的电信号进行处理并输出到所述显示屏还原为图像显示；

所述观察窗与所述荧光屏之间形成夹角θ，所述夹角θ大于0度且小于90度；所述图像处理模块包括图像矫正模块，所述图像矫正模块对夹角θ所造成的图像几何失真进行矫正，使所述显示屏上显示的图像与所述荧光屏上的成像一致；

所述图像矫正模块通过获得所述CCD相机的内部参数和外部参数对图像几何失真进行矫正；所述内部参数通过张正友的基于多平面的摄像头内外参数求取方法获得；所述外部参数通过已标定的参考图像获得。

2.根据权利要求1所述的外置式透射电镜图像数字化采集系统，其特征在于：所述CCD相机包括镜头和CCD图像传感器；所述镜头设置在所述外置壳体的开口端，并与所述CCD图像传感器固定连接；所述镜头使光线在所述CCD图像传感器上成像，所述CCD图像传感器将光信号转换为电信号。

3.根据权利要求1所述的外置式透射电镜图像数字化采集系统，其特征在于：所述外置壳体为一侧开口的半封闭壳体，其开口端面上设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的外置式透射电镜图像数字化采集系统，其特征在于：所述CCD图像传感器上设有输出端口，所述CCD图像传感器通过所述输出端口将电信号传送出去。

5.根据权利要求1所述的外置式透射电镜图像数字化采集系统，其特征在于：所述图像处理模块包括图像放大模块，所述图像放大模块对图像进行放大。

6.根据权利要求5所述的外置式透射电镜图像数字化采集系统，其特征在于：所述图像放大模块采用最近领域插值算法或双线性插值算法对图像进行放大。