CN109724955B - 一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算方法与装置，包括：塔姆结构，油浸物镜，白光光源，聚束凸透镜，分束镜，准直凸透镜，短波窄带滤波片，二向色镜，成像透镜，长波窄带滤波片，荧光CCD图像传感器，白光CCD图像传感器。塔姆结构放置于油浸物镜上部，被会聚准直且滤波的白光光源所激发，然后激发光被二向色镜反射回分束镜，最后被白光CCD图像传感器收集。同时，塔姆结构所出射荧光被油浸物镜收集后透过二向色镜和长波窄带滤波片，由成像透镜成像于荧光CCD图像传感器。利用两个CCD图像传感器中所采集不同波长光的表面波模式来选取有效的特征点，实现图像的配准，完成高信噪比下的荧光出射角度的测算。本发明结构简单，实用性强。

Description

一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算方法与装置

技术领域

本发明涉及微光电子测算领域，尤其涉及一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算方法与装置。

背景技术

在集成光学器件研发领域中，由于纳米量子结构、光子晶体、微谐振腔等技术的革新以及微腔激光器、纳米光波导、纳米光探测器仪器小型化的不断发展，更微小的器件、更紧密的集成、更低成本的加工工艺在诸如硅基光电子学等学科方向中有着极为广泛的应用，在传感、显示、检测等诸多核心科技中占据了关键技术，所以微纳尺度的光电子元探测器件近期先后研制成功。而在光学芯片上加工、以塔姆结构作为基底，利用腔内光场增益及相互作用的微型激光器，也由于其简化的工流程、良好的波长容忍性以及结构上的高兼容扩展性而备受研究人员关注，尤其是其对结构的依赖性和高灵敏性使得研究人员在研发其参数的时候需要准确的测算和验证。但是随着结构复杂程度的提升，诸多参数的准确测算也往往面临一系列的局限性，比如在微型激光出射角度的测量中，现有的主要检测方法多是刀口法，象限探测器法，CCD成像法，扫描法，其主要存在的问题为：(1)稳定性低。由于需要反复多次测量，需要光路、电路以及光源保持稳定。对于脉冲和复杂的光斑分布难以测量。同时照明视场噪声，CCD靶面偏移，成像透镜像差都容易引起误差。需要对光束进行整形，限制了应用范围。(2)速度慢。常规的出射角判定多需要转动机械装置，速度慢，效率低，同时存在回程差等不稳定因素。(3)分辨率低。利用传统CCD测量，即使速度有所提升，但是在对小光束进行测量时，受限于像素尺寸，很难达到较高的测量分辨率，同时受到光强变化和漂移，降低了实际的测量精度。面对特殊光斑，会有死区无法探测。对特殊光斑其发散角未必会均匀分布，所以测量控制范围小。(4)普适性低，现有的利用象限或者显微成像的方法只能测定简单的出射光角度，对复杂结构的出射角难以辨识，且精密光学机械元件较多，造价高，耗时久。

发明内容

本发明提出一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算方法与装置，可以通过荧光CCD图像传感器接收塔姆结构的耦合出射信号，并巧妙通过二向色镜和准直透镜在白光CCD图像传感器中记录反射的激发信号，进行对比配准，从而有效的对塔姆结构的耦合出射角完成测算。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置，所述装置包括塔姆结构、油浸物镜、白光光源、聚束凸透镜、分束镜、准直凸透镜、短波窄带滤波片、二向色镜、成像透镜、长波窄带滤波片、荧光CCD图像传感器和白光CCD图像传感器，所述塔姆结构、油浸物镜、二向色镜，成像透镜，长波窄带滤波片和荧光CCD图像传感器自上而下依次设置，所述白光光源、聚束凸透镜、分束镜、准直凸透镜、短波窄带滤波片、二向色镜水平方向依次设置，所述塔姆结构能够被白光光源激发，从而定向辐射荧光，所述荧光透过油浸物镜、二向色镜、成像透镜和长波窄带滤波片，收集于荧光CCD图像传感器，白光光源发出的白光被聚束凸透镜收集，透过分束镜后再被准直凸透镜准直入射到短波窄带滤波片，然后被二向色镜反射到油浸物镜中并聚焦到塔姆结构上，从而激发塔姆结构的荧光分子，而白光自身再被油浸物镜收集且再次被二向色镜反射回短波窄带滤波片，最后利用准直凸透镜和分束镜反射至白光CCD图像传感器。

进一步地，短波窄带滤波片和长波窄带滤波片的带宽均是10nm。

进一步地，所述二向色镜能够透过通过长波窄带滤波片的长波段光而将通过短波窄带滤波片的短波段光反射。

进一步地，所述准直凸透镜不可移动，白光CCD图像传感器能够微调，且准直凸透镜和白光CCD图像传感器的距离满足成像关系。

进一步地，所述塔姆结构含有可以被白光光源发出的白光激发的荧光分子。

进一步地，所述荧光出射峰值波长为680nm。

一种根据上述的基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置的测算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：白光光源出射发散的白光，被聚束凸透镜收集，透过分束镜后再被准直凸透镜准直入射到短波窄带滤波片，然后由二向色镜将短波长入射白光反射到油浸物镜中并聚焦到塔姆结构上，从而激发塔姆结构中的荧光分子，而反射的白光自身再被油浸物镜收集且被二向色镜反射回短波窄带滤波片再次过滤，最后利用准直凸透镜和分束镜将反射的白光成像于白光CCD图像传感器得到反射成像的白光图；

步骤二：所述塔姆结构在被步骤一中的白光激发后定向辐射荧光，所述荧光透过油浸物镜、二向色镜、成像透镜和长波窄带滤波片，被收集于荧光CCD图像传感器，进而得到出射荧光图并完成荧光出射角的记录；

步骤三：将出射荧光图和反射成像的白光图比对，利用塔姆结构在对应波段表面波耦合出射角近似的特性将包含表面等离模式的环带选为配准区，进而将荧光CCD图像传感器和白光CCD图像传感器各自收集的图配准，从而利用配准后的白光的视场边缘和出射荧光的半径来测算塔姆结构的耦合出射角。

进一步地，配准方法所选配准点位置都处在表面等离激元模式中。

进一步地，配准方法采取的是异波长配准。

本发明和传统技术相比的优点为：

(1)光路结构紧凑：在传统激发塔姆结构的同时完成配准，测算方便，无需额外的探测光路及相关光学装置，直接利用油浸物镜收集反射的激发信号来和荧光信号比对配准；

(2)信号采集精度高：利用CCD图像传感器收集出射光信号，速度快且计算准确，而宽带白光或者部分相干光避免了相干光中杂散斑的干扰，有利于读取细节信息，提高配准准确度；

(3)兼容性好：提出了一种针对复杂光出射的角度测算手段，不会因为出射角度变化而超出量程；

(4)角度测算准确：结合计算机编译对应的配准的算法，快速实现激发光与出射荧光的图像配准，测算迅速；

(5)本发明直接收集并利用了激发信号来完成塔姆耦合出射角的测算，所利用的表面等离激元模式的角度近似不变性，可以实现激发光和出射光的高效配准；

(6)本发明中的准直透镜，一方面将宽带激发光准直，一方面将收集的反射信号成像与白光CCD图像传感器，光学元件利用充分；

(7)本发明中有针对性的选取了适合荧光发射和出射的带通滤波片，提高了激发效率和出射信噪比，使配准过程更高效、更精准。其中的短波窄带滤波片在白光往返中都得以应用，有效提高了反射信号信噪比。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置示意图。

图2为白光CCD图像传感器中采集像示意图。

图3为荧光CCD图像传感器采集像示意图。

图4为计算机配准后角度测算示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

结合图1，一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置，所述装置包括塔姆结构1，油浸物镜2，白光光源3，聚束凸透镜4，分束镜5，准直凸透镜6，短波窄带滤波片7，二向色镜8，成像透镜9，长波窄带滤波片10，荧光CCD图像传感器11，白光CCD图像传感器12，所述塔姆结构1、油浸物镜2、二向色镜8，成像透镜9，长波窄带滤波片10，荧光CCD图像传感器11依次设置，所述白光光源3，聚束凸透镜4，分束镜5，准直凸透镜6，短波窄带滤波片7，二向色镜8依次设置，所述塔姆结构1位于油浸物镜2上且能够被白光激发，从而定向辐射荧光，所述荧光透过油浸物镜2、二向色镜8、成像透镜9和长波窄带滤波片10，收集于荧光CCD图像传感器11，其中长波窄带滤波片10用于筛选出特定波长光。白光光源3所出射宽带光被聚束凸透镜4收集、透过分束镜5后再被准直凸透镜6准直入射到短波窄带滤波片7来选择合适的波段，然后被二向色镜8反射到油浸物镜2中并聚焦到塔姆结构1上，从而激发塔姆结构1中所包含的荧光分子，而白光自身再被油浸物镜2收集且再次被二向色镜反射回短波窄带滤波片7进一步过滤出单色波长光，最后利用准直凸透镜6和分束镜5反射至白光CCD图像传感器12。

进一步地，所述短波窄带滤波片7位于准直光束后侧，保证反射光可以再次通过。

进一步地，短波窄带滤波片7和长波窄带滤波片10的带宽都是10nm，中心波长分别是630nm和680nm。

进一步地，所述短波窄带滤波片用于选择特定的激发波段且中心波长和塔姆结构中荧光分子的激发波长峰值一致，所述长波窄带滤波片用于选择特定的入射波段且中心波长和塔姆结构中荧光分子的发射波长峰值一致。

进一步地，所述二向色镜可以透过通过长波窄带滤波片的长波段光而将通过短波窄带滤波片的短波段光反射。

进一步地，所述准直凸透镜不可移动，白光CCD图像传感器可以上下微调，从而使准直凸透镜和白光CCD图像传感器的距离满足成像关系。

进一步地，所述塔姆结构含荧光分子且可以被特定波段的白光激发。

进一步地，所述塔姆结构的荧光分子在被激发后可以形成不同的模式。

进一步地，所述荧光出射峰值波长为680nm。

根据上述所述的基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置的测算方法，包括以下步骤：

步骤一：白光光源3出射发散的宽带光，被聚束凸透镜4收集、透过分束镜5后再被准直凸透镜6准直入射到短波窄带滤波片7，从而选择特定的625nm-635nm波段，然后由二向色镜8将短波长入射白光反射到油浸物镜2中并聚焦到塔姆结构1上，从而激发塔姆结构1的荧光分子；而反射的白光自身再被油浸物镜2收集且被二向色镜8反射回短波窄带滤波片7再次过滤，最后利用准直凸透镜6和分束镜5将反射光成像于白光CCD图像传感器12(如图2)；

步骤二：所述塔姆结构1位于油浸物镜2上，在被步骤一中的白光激发后定向辐射荧光，所述荧光透过油浸物镜2、二向色镜8、成像透镜9和长波窄带滤波片10，被收集于荧光CCD图像传感器11，其中长波窄带滤波片10用于筛选出675nm-685nm信号，从而完成的荧光出射角的记录(如图3)；

步骤三：将采集记录的出射荧光图和反射成像的白光图比对，利用塔姆结构1在对应波段表面波耦合出射角近似的特性将包含表面等离模式的环带选为配准区，如图2中外圈的暗弧和图3外圈的亮环。在表面等离激元模式中选取合适的特征点，并利用边缘增强提取和灰度变化的分布将白光CCD图像传感器和荧光CCD图像传感器各自收集的信号配准，进而利用配准后的白光的视场边缘和荧光出射信号半径来测算塔姆结构的耦合出射角，如图4所示。而此时横向出射角直径与视场外径的比值为0.13，对应的出射半角为7.07°，从而完成了塔姆耦合出射角的测算。

本发明技术方案的相关原理为：

激发光成像的复利用：白光光源在汇聚准直后激发了塔姆结构中的荧光分子后并未像传统的光路中被滤掉，反而再次被收集、被选择过滤，一方面有效的收集成像作为待配准信号为测算角度提供了必要关键数值，一方面增大了信噪比，提高了配准精度。

配准和角度测算：将塔姆结构置于荧光泄露辐射显微镜中，可以有效的观察被激发的各种模式。当荧光分子被激发后，塔姆结构的激光出射角和模式耦合出射角一致。因此对出射角的测算就可以得知塔姆激光的出射角。而在荧光耦合出射角的测量中，视场外径这个必要参数往往在高信噪比的收集过程中难以观测，模糊的边界不利于此数值的记录与分析。但是反射信号光往往由于整体信号强，而可以很好的测算边界，但是此时的图像却因为成像过程不一致而不能直接重叠使用。但是无论是荧光信号，还是白光信号，都有表面模式耦合出射，其即使波长不一致，但出射角度相近，表现为图2中外圈暗环和图3外圈亮环的直径几乎一致。因此可以利用此特性将反射信号和荧光信号配准。对于配准后的图像，如图4，可以看出表面模式相互重叠，但是塔姆结构1由于激发波长和发射波长不一致并不相同，对应于图2中间暗换和图3中心亮圆的直径不同，所以仅利用反射光无法对塔姆结构的出角度进行测算。同时，对于配准后的图像，可以很好的观测视场外径和荧光出射角度的直径，进而对出射角完成测算。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置，其特征在于，所述装置包括塔姆结构（1）、油浸物镜（2）、白光光源（3）、聚束凸透镜（4）、分束镜（5）、准直凸透镜（6）、短波窄带滤波片（7）、二向色镜（8）、成像透镜（9）、长波窄带滤波片（10）、荧光CCD图像传感器（11）和白光CCD图像传感器（12），所述塔姆结构（1）、油浸物镜（2）、二向色镜（8），成像透镜（9），长波窄带滤波片（10）和荧光CCD图像传感器（11）自上而下依次设置，所述白光光源（3）、聚束凸透镜（4）、分束镜（5）、准直凸透镜（6）、短波窄带滤波片（7）、二向色镜（8）水平方向依次设置，所述塔姆结构（1）能够被白光光源（3）激发，从而定向辐射荧光，所述荧光透过油浸物镜（2）、二向色镜（8）、成像透镜（9）和长波窄带滤波片（10），收集于荧光CCD图像传感器（11），白光光源（3）发出的白光被聚束凸透镜（4）收集，透过分束镜（5）后再被准直凸透镜（6）准直入射到短波窄带滤波片（7），然后被二向色镜（8）反射到油浸物镜（2）中并聚焦到塔姆结构（1）上，从而激发塔姆结构（1）的荧光分子，而白光自身再被油浸物镜（2）收集且再次被二向色镜（8）反射回短波窄带滤波片（7），最后利用准直凸透镜（6）和分束镜（5）反射至白光CCD图像传感器（12）。

2.根据权利要求1所述的基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置，其特征在于，短波窄带滤波片（7）和长波窄带滤波片（10）的带宽均是10nm。

3.根据权利要求2所述的基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置，其特征在于，所述二向色镜（8）能够透过通过长波窄带滤波片（10）的长波段光而将通过短波窄带滤波片（7）的短波段光反射。

4.根据权利要求3所述的基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置，其特征在于，所述准直凸透镜（6）不可移动，白光CCD图像传感器（12）能够微调，且准直凸透镜（6）和白光CCD图像传感器（12）的距离满足成像关系。

5.根据权利要求4所述的基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置，其特征在于，所述塔姆结构（1）含有可以被白光光源（3）发出的白光激发的荧光分子。

6.根据权利要求5所述的基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置，其特征在于，荧光出射峰值波长为680nm。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的基于激发配准的塔姆耦合出射角测算装置的测算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：白光光源（3）出射发散的白光，被聚束凸透镜（4）收集，透过分束镜（5）后再被准直凸透镜（6）准直入射到短波窄带滤波片（7），然后由二向色镜（8）将短波长入射白光反射到油浸物镜（2）中并聚焦到塔姆结构（1）上，从而激发塔姆结构（1）中的荧光分子，而反射的白光自身再被油浸物镜（2）收集且被二向色镜（8）反射回短波窄带滤波片（7）再次过滤，最后利用准直凸透镜（6）和分束镜（5）将反射的白光成像于白光CCD图像传感器（12）得到反射成像的白光图；

步骤二：所述塔姆结构（1）在被步骤一中的白光激发后定向辐射荧光，所述荧光透过油浸物镜（2）、二向色镜（8）、成像透镜（9）和长波窄带滤波片（10），被收集于荧光CCD图像传感器（11），完成荧光出射角的记录且得到出射荧光图；

步骤三：将出射荧光图和反射成像的白光图比对，利用塔姆结构在对应波段表面波耦合出射角近似的特性将包含表面等离模式的环带选为配准区，进而将荧光CCD图像传感器（11）和白光CCD图像传感器（12）各自收集的图配准，从而利用配准后的白光的视场边缘和出射荧光的半径来测算塔姆结构的耦合出射角。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，配准方法所选配准点位置都处在表面等离激元模式中。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，配准方法采取的是异波长配准。

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