CN109900663B - 激光光源散斑测量方法、散斑抑制装置及其参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光源散斑测量方法、散斑抑制装置及其参数优化方法，激光光源散斑测量方法，包括如下步骤：激光发生器发射的激光照射至荧光成像相机上；荧光成像相机在预设曝光时间内接收激光，并生成相应的图像信息；采集图像信息并形成含有散斑的高斯形分布图像，其中散斑表现为高频噪声；将高斯形分布图像处理后计算出散斑对比度。由于激光光源散斑测量方法中荧光成像相机直接作为激光散斑的接收屏，保证了测试一致性的基础上排除了投影屏幕、相机相对屏幕的观测角度、位置等因素的影响，从而本测量方法能够真实、可靠的测量激光光源的散斑对比度，并具有较高的测量精度。

Description

激光光源散斑测量方法、散斑抑制装置及其参数优化方法

技术领域

本发明涉及激光成像技术领域，具体涉及一种激光光源散斑测量方法、散斑抑制装置及其参数优化方法。

背景技术

基因测序是指分析特定DNA片段的碱基序列，也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)的排列方式。目前普遍使用荧光标记的方法进行基因测序，基因测序仪用含有显微物镜的光学系统激发并收集基因测序芯片上荧光标记物所发射出的荧光信号。高通量基因测序成像系统通常采用激光激发测序芯片上物镜视场范围内的荧光标记物区域，由大靶面相机采集激发出的荧光能量。基因测序仪的激光光源通常功率较高、线宽窄，因此相干性强。当相干光从粗糙表面反射或从含有散射物质的介质内部散射或透射时，会形成不规则的强度分布，出现随机分布的斑点，称为激光散斑现象。散斑现象会导致激光在芯片上的照明均匀性下降，进而芯片上各位点的激发光均匀性下降，影响基因测序仪成像效果和后续的判读。因此需要对激光器散斑指标严格限制，这就要求建立一种能够有效评估散斑效应对照明均匀性影响的方法。

激光散斑研究主要分为两方面：一是激光散斑成像技术，用于血液微循环测量、物体表面粗糙度、物体振动和运动测量等；二是激光显示系统中的散斑抑制及散斑影响评价方法，现有的激光散斑评价方法依赖于显示屏或投影屏、相机位置、相机镜头参数，没有充分考虑曝光时间、芯片特性及相机特性，不能完善表征散斑对均匀性的影响，因此并不能直接用于评估基因测序仪激光光源散斑效应对照明均匀性的影响。

现有的技术集中于抑制激光散斑和激光散斑对比度测量两方面，绝大多数涉及激光显示领域。主要通过在系统中使用宽带的激光光源或在光路中加入运动的漫射体等，实现降低光源的时间相干性或空间相干性，从而达到抑制散斑的目的。评价散斑抑制效果的标准是散斑对比度，通过相机或人眼观测显示屏上的散斑均匀性，一般认为散斑对比度达到4％以下人眼就无法观测到散斑效应，激光显示设备的散斑对比度应小于4％。

现有的技术激光散斑抑制和散斑对比度测量技术及装置针对激光显示系统，并且受限于不同的光学系统、显示屏表面特性、相机镜头、相机位置、曝光时间等因素，并且测试结果主要考核散斑对人眼观测图像的影响，测量结果与实际偏差较大，显然不能满足基因测序仪光源散斑抑制效果评价的需求。

发明内容

本申请提供一种能够真实、可靠测量并具有较高测量精度的激光光源散斑测量方法、散斑抑制装置及其参数优化方法。

根据第一方面，一种实施例中提供一种激光光源散斑测量方法，包括如下步骤：

S110：激光发生器发射的激光照射至与荧光成像相机上；

S120：荧光成像相机在预设曝光时间内接收激光，并生成相应的图像信息；

S130：采集图像信息并形成含有散斑的高斯形分布图像，其中散斑表现为高频噪声；

S140：将高斯形分布图像处理后计算出散斑对比度。

进一步地，荧光成像相机不带镜头。

进一步地，激光发生器发射的激光透过衰减片后照射至荧光成像相机上。

进一步地，高斯形分布图像处理为：将含有散斑的高斯形分布图像三维高斯拟合后得到能量分布，再将高斯拟合后每个像素点的强度归一化后得到含有噪声的均匀图像。

进一步地，高斯形分布图像处理后根据如下公式计算出散斑对比度：

其中，C表示散斑对比度，σ_I表示光强的标准差，

表示光强的均值。

根据第二方面，一种实施例中提供一种散斑抑制参数优化方法，包括如下步骤：

S210：根据激光成像系统要求设定散斑对比度指标；

S220：预设散斑抑制模块参数，改变荧光成像相机的曝光时间t，曝光时间t依次为t₁、t₂、…、t_n，通过权利要求1至7任一项的激光光源散斑测量方法测量出散斑对比度，并记录上述曝光时间下散斑对比度小于指标的散斑抑制参数值和荧光成像相机的曝光时间；

S230：改变散斑抑制模块参数，重复步骤S220；

S240：统计所有散斑对比度小于指标的散斑抑制参数值和荧光成像相机的曝光时间，并从中选取优值。

进一步地，散斑抑制模块参数包括光纤圈数c和振动频率f，步骤S230包括如下子步骤：

S231：改变振动频率f，振动频率f依次为f₁、f₂、…、f_m，重复步骤S220；

S232：改变光纤圈数c，光纤圈数c依次为c₁、c₂、…c_o，重复步骤S220和S231。

进一步地，对于多波长的激光光源，每个波长激光分别进行步骤S210-S240测量记录，并从中选取出优值。

根据第三方面，一种实施例中提供一种散斑抑制装置，包括：

激光发生器，其包括激光器和与之连接的光纤，激光器通过光纤发射激光，光纤的中部缠绕若干圈；

振动电机，其振动输出端与光纤缠绕若干圈的部分连接；

荧光成像相机，其安装在光纤发射激光的光路上。

进一步地，激光器具有若干个，每个激光器连接有一根光纤，并且多根光纤合束卷绕在一起形成多模光纤。

依据上述实施例的激光光源散斑测量方法、散斑抑制装置及其参数优化方法，由于激光光源散斑测量方法中荧光成像相机直接作为激光散斑的接收屏，保证了测试一致性的基础上排除了投影屏幕、相机相对屏幕的观测角度、位置等因素的影响，从而本测量方法能够真实、可靠的测量激光光源的散斑对比度，并具有较高的测量精度。

附图说明

图1为一种激光光源散斑测量装置的结构示意图；

图2为另一种激光光源散斑测量装置的结构示意图；

图3为一种激光光源散斑测量方法的流程图；

图4为散斑抑制参数优化方法的流程图；

图5为散斑抑制参数优化方法中步骤230的子步骤。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供了一种激光光源散斑测量方法，本测量方法用于直接测试激光光源的散斑对比度，测试出的结果可作为调节激光光源散斑对比度的依据。本测量方法可用于测量基因测序仪或其他光学设备上激光光源的散斑对比度，本实施例以用于基因测序仪上为例进行说明。

如图1所示，本激光光源散斑测量方法使用的测量装置包括激光发生器1和荧光成像相机2，荧光成像相机2安装在激光发生器1发射的激光的光路上，荧光成像相机2直接接受激光发生器1发射的激光。

本实施例中的荧光成像相机2与基因测序仪上的测序相机相同，并且不带镜头，荧光成像相机2直接作为激光散斑的接收屏。

激光发生器1包括激光器11和光纤12，光纤12与激光器11连接，激光器11通过光纤12发射激光。

如图2所示，激光器11可并排设置有多个，每个激光器11对应连接有一根光纤12，多根光纤12合束绕制在一起形成多模光纤，并在中间位置绕制一定的圈数。

如图1和图2所示，由于荧光成像相机2直接接收激光散斑，故在荧光成像相机2的光路前端安装有衰减片3，衰减片3能够将激光适当减弱。

如图3所示，基于上述测量装置的激光光源散斑测量方法包括如下步骤：

S110：发射激光；

激光发生器1中的激光器11通过光纤12发射出激光，发射出的激光穿过衰减片3后射入到不带镜头的荧光成像相机2上。

S120：接收激光；

荧光成像相机2在预设的曝光时间内接收激光，并生成相应的图像信息。

由于散斑图像的叠加会影响到测试结果，即散斑对比度测量值会受到曝光时间的影响，因此荧光成像相机2的曝光时间根据基因测序成像系统需求设置才能体现散斑对照明均匀性的影响，曝光时间通常为10～100ms。

S130：采集图像信息；

处理器从荧光成像相机2中采集图像信息，生成高斯形分布图像，该高斯形分布图像内含有散斑，散斑表现为高频噪声。

S140：处理并计算出散斑对比度。

处理器通过三维高斯拟合从高斯形分布图像中得到能量分布，再将高斯拟合后每个像素点的强度归一化后得到含有噪声的均匀图像。

得到均匀图像后，通过如下公式计算出激光的散斑对比度：

其中，C表示散斑对比度，σ_I表示光强的标准差，

表示光强的均值。

本实施例提供的激光光源散斑测量方法，由于选择的荧光成像相机与测序仪相机相同，并直接作为激光散斑的接收屏，保证了测试一致性的基础上排除了投影屏幕、相机相对屏幕的观测角度、位置等因素的影响，从而本测量方法能够真实、可靠的测量激光光源的散斑对比度，并具有较高的测量精度。

实施例二：

本实施例中提供了一种散斑抑制装置，本散斑抑制装置主要用于实现散斑抑制参数的优化。

如图2所示，本实施例的散斑抑制装置主要包括激光发生器1、荧光成像相机2和振动电机4。

激光发生器1包括激光器11和光纤12，激光器11具有并排设置的若干个，每个激光器11连接有一个光纤12，若干个光纤12合束卷绕在一起形成多模光纤，多模光纤的中部位置卷绕若干圈。

振动电机4的振动输出端与多模光纤卷绕若干圈的位置连接，振动电机4用于驱动多模光纤振动，以调节发射激光的散斑对比度。

荧光成像相机2安装在多模光纤发射激光的光路上，荧光成像相机2不带镜头，直接接受激光的照射。并在多模光纤发射激光的光路上安装有衰减片3，多模光纤发射的激光先经过衰减片3，再照射至荧光成像相机2，衰减片3用于适当减弱激光。

本实施例的散斑抑制装置，由于光纤12的中部缠绕若干圈，并在此部分的光纤12上连接有振动电机4，从而本散斑抑制装置可通过改变光纤12的缠绕圈数、振动电机输出的振动频率和荧光成像相机2的曝光时间来调节发射激光的散斑对比度，以实现散斑抑制参数的优化。

实施例三：

本实施例中提供了一种散斑抑制参数优化方法，本散斑抑制参数优化方法为基于上述实施例一中的激光光源散斑测量方法和实施例二中的散斑抑制装置实现，激光光源散斑测量方法得出的激光散斑对比度作为散斑抑制参数优化的依据。

上述的激光光源散斑测量方法用于基因测序仪时要求照明均匀性的定义与散斑对比度相同，都是光强标准差除以光强均值。基于这一前提，假设照明均匀性要求达到10％，则可分解为照明光学系统引起的非均匀性和散斑引起的非均匀性，前者可以由分析或非相干光源照明测量获得，后者与前者的合成误差为10％，因此可以得到散斑对比度的指标要求，可据此指标和方法检测激光光源的散斑抑制效果。

本实施例提供的散斑抑制参数优化方法基于光纤振动的散斑抑制装置实现，通过该方式选取较为合适的光纤缠绕圈数和振动频率使其在多波长激光同时工作的情况下能够用较低的代价实现较好散斑抑制效果。另外，可基于这一方法研究相机不同曝光时间下的散斑抑制效果，并据此得到不同曝光时间下应有的散斑抑制参数，将散斑抑制模块设置为部分参数可调(例如电机振动频率)即可实现不同曝光时间下的散斑抑制参数设置。

本实施例提供的散斑抑制参数优化方法以优化基于光纤振动的散斑抑制装置为例进行说明。

如图2所示，光纤12卷绕成N圈，在卷绕成的光纤12上连接有振动电机4，通过改变光纤12的光纤圈数c和振动电机4输出的振动频率f可调节激光器11发射出的激光的散斑对比度。

如图4所示，基于散斑抑制装置的散斑抑制参数优化方法包括如下步骤：

S210：设定散斑对比度指标；

散斑对比度指标可根据激光成像系统要求设定。

S220：改变曝光时间t测量散斑对比度，并记录；

在本步骤中散斑抑制模块参数为设定的固定值，荧光成像相机2的曝光时间t为变量，曝光时间t包括t₁、t₂、…、t_n，在n次测量过程中，荧光成像相机2的曝光时间t依次为t₁、t₂、…、t_n。每次测量均通过上述实施例一中的激光光源散斑测量方法测量计算出激光的散斑对比度，并把n次测量的n个散斑对比度分别与预设的散斑对比度指标比较，记录下小于散斑对比度指标的散斑抑制模块参数和曝光时间t。

本实施例中的散斑抑制模块参数主要包括光纤圈数c和振动频率f。在本步骤中，光纤圈数c和振动频率f均为预设的固定值。

S230：改变散斑抑制模块参数，重复步骤S220；

如图5所示，本步骤分为如下两个子步骤：

S231：改变振动频率f，重复步骤S220；

本子步骤中，光纤圈数c不变，改变振动频率f，重复步骤S220，即步骤S220中，改变振动频率f，振动频率f依次为f₁、f₂、…、f_m，每改变一次振动频率f，曝光时间t依次改变n次，进行n次测量，包括振动频率f和曝光时间t两个变量，故本子步骤中共进行m×n次测量计算，并记录下小于散斑对比度指标的振动频率f和曝光时间t。

S232：改变光纤圈数c，重复步骤S220和S231；

本子步骤中分为两步，第一步为改变光纤圈数c，重复步骤S220。本步骤中，光纤圈数c依次为c₁、c₂、…c_o，包括光纤圈数c和曝光时间t两个变量，故总的需要进行o×n次测量计算。

第二步为改变振动频率f，重复步骤S231，在本步骤中，包括光纤圈数c、振动频率f和曝光时间t三个变量，故本步骤中共进行o×m×n次测量计算。

S240：统计所有记录参数，并从中选取优值。

本步骤统计上述步骤中记录下的所有满足小于散斑对比度指标的光纤圈数c、振动频率f和曝光时间t。并从中选取较优的参数，设置散斑抑制装置，以满足使用的需求。

在其他实施例中，若激光光源包括多波长激光，则需要对每一个波长光源进行单独的测量统计，即每个波长光源需进行步骤S210-S240的测量记录并从中选取出优值。

使用多波长激光器作为基因测序仪激发光源时，相机曝光时间改变会导致散斑强弱变化，一般而言，短爆光时间下散斑效应更为明显，因此需要进行更强的散斑抑制。采用光纤振动散斑抑制方式的激光器可以将电机振动频率设为可调环节，当基因测序仪工作在常用的曝光时间时，电机处于稳定工作转速，曝光时间减小时可适当增加电机转速。实际使用激光光源时，无法实时获得散斑对比度，因此无法获知合适的电机转速。为解决这一问题，可在激光器研制和验收时采用基于本发明的散斑测试方法检测并记录各曝光时间下能够满足散斑抑制效果的电机转速值，在激光器集成到基因测序系统中使用时可参考上述测试结果设置不同曝光时间下的散斑抑制装置参数。

本实施例提供的散斑抑制参数优化方法，基于上述实施例一的激光光源散斑测量方法的基础上，可准确和高效的统计出满足小于散斑对比度指标的参数，并从中选取优值，用于设置设备参数，以满足得到的使用效果。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.一种激光光源散斑测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S110：激光发生器发射的激光照射至荧光成像相机上，所述荧光成像相机不带镜头，不带镜头的所述荧光成像相机直接作为激光散斑的接收屏；

S120：荧光成像相机在预设曝光时间内接收激光，并生成相应的图像信息；

S130：采集所述图像信息并形成含有散斑的高斯形分布图像，其中散斑表现为高频噪声；

S140：将高斯形分布图像处理后计算出散斑对比度。

2.如权利要求1所述的激光光源散斑测量方法，其特征在于，所述激光发生器发射的激光透过衰减片后照射至荧光成像相机上。

3.如权利要求1或2所述的激光光源散斑测量方法，其特征在于，所述高斯形分布图像处理为：将含有散斑的高斯形分布图像三维高斯拟合后得到能量分布，再将高斯拟合后每个像素点的强度归一化后得到含有噪声的均匀图像。

4.如权利要求3所述的激光光源散斑测量方法，其特征在于，所述高斯形分布图像处理后根据如下公式计算出散斑对比度：

其中，C表示散斑对比度，σ_I表示光强的标准差，

表示光强的均值。

5.一种散斑抑制参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S210：根据激光成像系统要求设定散斑对比度指标；

S220：预设散斑抑制模块参数，改变荧光成像相机的曝光时间t，曝光时间t依次为t₁、t₂、…、t_n，通过权利要求1至4任一项所述的激光光源散斑测量方法测量出散斑对比度，并记录上述曝光时间下散斑对比度小于指标的散斑抑制参数值和荧光成像相机的曝光时间；

S230：改变散斑抑制模块参数，重复步骤S220；

S240：统计所有散斑对比度小于指标的散斑抑制参数值和荧光成像相机的曝光时间，并从中选取优值。

6.如权利要求5所述的散斑抑制参数优化方法，其特征在于，所述散斑抑制模块参数包括光纤圈数c和振动频率f，所述步骤S230包括如下子步骤：

S231：改变振动频率f，振动频率f依次为f₁、f₂、…、f_m，重复步骤S220；

S232：改变光纤圈数c，光纤圈数c依次为c₁、c₂、…c_o，重复步骤S220和S231。

7.如权利要求6所述的散斑抑制参数优化方法，其特征在于，对于多波长的激光光源，每个波长激光分别进行步骤S210-S240测量记录，并从中选取出优值。

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