CN114040101B - 一种用于周期性高速图像信号的采集方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于周期性高速图像信号的采集方法及装置，涉及高速图像采集。1)将待测样品置于控温装置上，调节控温装置保持温度恒定；调节成像装置使得待测样品发出的光信号完整清晰成像于相机上；2)对待测样品进行暗电流校准，待测样品不加驱动，采集暗电流信号；3)所述高速信号发生器输出一周期性脉冲信号驱动待测样品，同时同步触发相机，根据信号强弱设置相机合适曝光时间采集图像信号；4)改变周期性脉冲信号脉冲宽度，重复步骤3)；5)对一系列不同脉冲宽度下采集的图像数据进行处理，求取单个周期内的图像数据，一系列不同脉冲宽度下的图像数据即为不同时间尺度下的图像数据集。用普通相机即可采集高速图像信号，提高信噪比。

Description

一种用于周期性高速图像信号的采集方法及装置

技术领域

本技术涉及高速图像采集领域，特别是涉及一种对微弱周期性高速图像的采集方法和装置。

背景技术

高速成像在捕捉超快瞬态现象上多有应用，比如在生物领域中需要高灵敏度和高精度的检测及跟踪细胞。传统高速成像系统设计庞大、成本高、操作复杂，在资源受限的环境下几乎无法使用。因此便捷式、低成本、低维护的高速成像系统的开发是有必要的。

条纹相机和分幅相机的出现是高速成像研究的一大进展，但是他们都存在着各自的缺点。条纹相机的时间分辨率很高，往往能达到皮秒级。但这是以牺牲空间分辨率为代价，时间分辨率越高，空间分辨率越差，甚至只能一维成像。分幅相机从原理上一般分成三类：像增强器选通型、行波选通型和扫描分幅型。像增强器选通型分幅相机空间分辨率比较高，响应波段范围大。目前常见的分幅相机一般是四分幅或者八分幅，其时间分辨率可达ps级，一般应用在爆炸场等极强瞬态信号的检测中。使用像增强器和门控技术的增强电荷耦合器件(ICCD)相机的时间分辨率可达到ns量级或百ps量级。发明专利CN 108965734 A所述的一种基于同步控制的超高速成像装置，需要用到ns级短脉冲激光器。发明专利CN111650600 A所述的一种面向极微弱信号的双谱段激光成像装置用到双谱段脉冲激光发射系统。这些高速成像系统主要依赖高速相机性能，成本、维护价格高昂。

近些年随着人工智能兴起的同时，压缩感知算法(CS)也被逐渐应用到高速成像系统中来，但是一般的CS成像系统往往伴随着一些缺点，比如需要单色缩放捕捉，牺牲空间分辨率，以及要求相邻重叠区域间的可控位移量，所以这也提高成像系统的建造和维护成本。Amir Matin和Xu Wang发表的“Compressive Coded Rotating Mirror Camera for High-Speed Imaging(Photonics，2021，8，34)”提出一种压缩编码旋转镜相机(CCRM)，采用普通电机及CMOS相机，以CMOS 47fps速度实现120Kfps图像采集，虽然极大地降低成像系统的成本，但是在成像的过程中用到压缩感知算法，这不可避免的降低成像质量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有普通相机存在的上述不足，提供通过周期性高速信号激发待测样品，解决普通相机不能采集微弱高速图像信号等问题的一种用于周期性高速图像信号的采集装置。

本发明的另一目的在于提供使用上述装置的一种对微弱周期性高速图像信号的采集方法。

一种用于周期性高速图像信号的采集装置，包括高速信号发生器、控温装置、成像装置、相机、电脑；所述待测样品置于所述控温装置上，所述高速信号发生器接在所述待测样品的两端，控制图像信号的产生以及同步控制相机的触发，实现图像信号的产生时间和信号采集时间的同步；所述相机与成像装置连接，通过调整成像装置的对焦实现对所述待测样品图像的采集，其中，所述相机包括两种拍摄模式：连续模式和触发模式；所述电脑包含信号采集模块，所述信号采集模块包括相机的信号采集卡，通过电脑控制相机的信号采集过程。

所述控温装置上涂覆有导热硅胶，通过控温装置提高待测样品的发光稳定性。

所述控温装置的温度可设定在室温25℃。

所述高速信号发生器产生两个驱动脉冲信号，其中一个脉冲用于驱动待测样品，同步产生的另一TTL脉冲信号用于触发驱动相机，用以控制所述待测样品的待测光信号时间和相机信号采集时间的同步，确保采集到完整周期性的高速信号。

所述电脑控制采集到的信号的图像格式设定以及存储，并且由电脑选择相机的工作模式。

一种对微弱周期性高速图像信号的采集方法，采用所述一种用于周期性高速图像信号的采集装置，采集方法包括以下步骤：

1)将待测样品置于控温装置上，调节控温装置，保持温度恒定；调节成像装置，使得待测样品发出的光信号完整清晰成像于相机上；

2)对待测样品进行暗电流校准，待测样品不加驱动，采集暗电流信号，在后述的图像处理的步骤中扣除暗电流信号；

3)所述高速信号发生器输出一周期性脉冲信号驱动待测样品，同时同步触发相机，根据信号强弱设置相机合适曝光时间采集图像信号；

4)改变周期性脉冲信号脉冲宽度，重复步骤3)；

5)对一系列不同脉冲宽度下采集的图像数据进行处理，求取单个周期内的图像数据，一系列不同脉冲宽度下的图像数据即为不同时间尺度下的图像数据集。

在步骤3)中，所述曝光时间大于脉冲周期，在曝光时间内完成多周期的重复采样。

在步骤5)中，所述对一系列不同脉冲宽度下采集的图像数据进行处理，是先进行各图片的像素点对准，然后扣除步骤2)采集的暗电流信号，再根据步骤3)和4)所设定相机曝光时间、驱动信号的脉宽及周期数，参照下列公式，求取单个周期内的图像数据：

其中，A为单周期内光子数，R为单张的总光子数，R₀为暗信号光子数，T_n为驱动信号的脉冲周期，T₀为所设定的相机曝光时间，T₀/T_n表示在设定的曝光时间内的驱动信号的周期数。

本发明的有益效果在于：

1、利用不同脉冲宽度的高速信号作为激发源，普通相机即可实现高速图像信号采集。避免高速相机成本高昂的缺点。

2、时间分辨率决定于高速信号发生器产生脉冲的宽度。简单方案即可实现ns级甚至100ps级周期性高速图像采集。

3、一般曝光时间远大于脉冲周期，在曝光时间内可完成多周期的重复采样，提高信噪比，实现微弱图像信号采集。

附图说明

图1为本发明实施例的一种用于周期性高速图像信号采集的装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的一种用于周期性高速图像信号采集的方法的步骤示意图。

图3为本发明实施例的一种用于周期性高速图像信号采集的驱动待测样品的脉冲信号波形图。

图4为单周期内光子数随脉冲宽度变化的曲线。

图5为根据图4所设定的不同脉宽，周期和曝光时间下的待测样品图像，(a)50ns；(b)100ns；(c)200ns；(d)500ns；(e)1μs；(f)10μs。

图中各标记为：

1、高速信号发生器；2、控温装置；3、待测样品(LED芯片)；4、成像装置；5、相机；6、电脑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种对于周期性高速图像信号采集的装置和方法，解决普通相机不能采集微弱高速图像信号的问题。以LED芯片为实施例加以说明。

参阅图1和2，根据本发明实施例，本发明提出一种对于周期性高速信号采集的装置，包括：高速信号发生器1、控温装置2、待测样品(LED芯片)3、成像装置4、相机5、电脑6。所述待测样品3置于控温装置2上，所述高速信号发生器1接在所述待测样品3的两端，控制图像信号的产生以及同步控制所述相机5的触发，实现图像信号的产生时间和信号采集时间的同步；所述相机5与所述成像装置4连接，通过调整所述成像装置4的对焦实现对所述待测样品3图像的采集，其中，所述相机5包括两种拍摄模式：连续模式和触发模式；所述信号采集模块包括所述相机的信号采集卡，所述电脑6含信号采集模块；通过电脑6控制相机的信号采集过程。

进一步地，所述控温装置2上涂覆有导热硅胶，通过控温装置2提高待测样品3的发光稳定性，所述控温装置用于保持温度恒定；控温装置2的温度可设定在室温25℃；

所述高速信号发生器可采用ROGIL DG5252；所述控温装置可采用Keithley 2510；所述成像装置可采用MSHOT TZTM-1000。

进一步地，高速信号发生器1包括两个通道，其中一个通道与待测样品连接，另一通道与相机的触发线连接，高速信号发生器1产生的两个驱动脉冲信号通过两个通道，一个脉冲用于驱动待测样品3，同步产生的另一TTL脉冲信号用于触发驱动相机5，用以控制所述待测样品3(LED芯片)的待测光信号时间和所述相机5信号采集时间的同步，确保采集到完整周期性的高速信号；

进一步地，所述电脑6包含信号采集模块；电脑与信号采集卡相连，控制采集到的信号的图像格式设定以及存储，并且由电脑选择所述相机5的工作模式；

参见图2，本发明提出一种对于周期性高速图像信号的采集方法，根据本发明实施例，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、将待测样品置于控温装置上，调节控温装置，保持温度恒定；将高速信号发生器一通道与待测样品连接，另一通道与相机的触发线连接，点亮待测样品，打开控制相机和信号采集的软件，调节成像装置，使得LED发出的光信号完整清晰成像于相机上；

步骤二、对LED进行暗电流校准，对LED芯片不加驱动，在暗环境下采集暗电流信号，取连续10张，求取暗电流的平均值；在后述的图像处理的步骤五中扣除暗电流信号；

步骤三、表1为本发明驱动脉冲设定的具体脉宽和脉冲周期、驱动电压、相机曝光时间，以及实验处理得到的总亮度值。参照表1所示设定高速信号发生器驱动脉冲的脉宽以及周期驱动LED，同时同步触发相机，根据信号强弱设置相机合适曝光时间采集图像信号。单张采集，采集10张求平均，获取此时的光信号平均值；一般曝光时间远大于脉冲周期，在曝光时间内可完成多周期的重复采样；

表1

步骤四、改变周期性脉冲信号脉冲宽度，重复步骤三；

步骤五、对一系列不同脉冲宽度下采集的图像数据进行处理。先进行各图片的像素点对准；然后扣除步骤二采集的暗电流信号；根据步骤三、四所设定相机曝光时间、驱动信号的脉宽及周期数，参照下列公式，求取单个周期内的图像数据。

其中，A为单周期内光子数，R为单张的总光子数，R₀为暗信号光子数，T_n为驱动信号的脉冲周期，T₀为所设定的相机曝光时间，T₀/T_n表示在设定的曝光时间内的驱动信号的周期数。

一系列不同脉冲宽度下的图像数据即为不同时间尺度下的图像数据集。参考图4，绘制随脉冲时间增加的亮度值变化曲线。图5为根据图4所设定的不同脉宽，周期和曝光时间下的待测样品图像，(a)50ns；(b)100ns；(c)200ns；(d)500ns；(e)1μs；(f)10us。

进一步地，步骤二所述扣除暗电流，在实际操作中确保所述待测样品没有发生位置移动，确保实验环境处于暗环境下，排除环境光的干扰，同时在步骤一已准确对焦的情况下，所述成像装置不能再进行调节；

进一步地，图3给出驱动脉冲的变化情况，步骤三所述驱动待测样品的高速周期性脉冲信号要确保能够点亮所述待测样品且不会损坏LED芯片；同时要确保亮度值在所述相机的限制范围内，确保不会损坏相机，当所述待测样品的亮度过亮时，可以在所述显微装置的卡槽中加入衰减片，确保不会损坏相机；所述相机的曝光时间要根据实际情况来调整，确保采集的图片不会过曝；

进一步地，步骤五所述的对采集的信号图像进行处理，采集得到的信号图像为灰度值图片，所述相机的幅面大小根据所述待测样品的大小来确定；先对图像进行校准处理，对所有图像进行像素点对像素点的校准，确保图片像素点间的一一对应；根据步骤三和步骤四设定驱动脉冲宽度和周期以及相机曝光时间来求取当前所设定的周期性的高速信号在单个周期内的光信号。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对本领域的专业技术人员来说，对这些实施例的多种修改将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种用于周期性高速图像信号的采集装置，其特征在于包括高速信号发生器、控温装置、成像装置、相机、电脑；

待测样品置于所述控温装置上，所述高速信号发生器接在所述待测样品的两端，控制图像信号的产生以及同步控制相机的触发，实现图像信号的产生时间和信号采集时间的同步；所述相机与成像装置连接，通过调整成像装置的对焦实现对所述待测样品图像的采集，其中，所述相机包括两种拍摄模式：连续模式和触发模式；所述电脑包含信号采集模块，所述信号采集模块包括相机的信号采集卡，通过电脑控制相机的信号采集过程；

所述高速信号发生器产生两个驱动脉冲信号，其中一个脉冲用于驱动待测样品，同步产生的另一TTL脉冲信号用于触发驱动相机，用以控制所述待测样品的待测光信号时间和相机信号采集时间的同步，确保采集到完整周期性的高速信号。

2.如权利要求1所述一种用于周期性高速图像信号的采集装置，其特征在于所述控温装置上涂覆有导热硅胶，通过控温装置提高待测样品的发光稳定性。

3.如权利要求1所述一种用于周期性高速图像信号的采集装置，其特征在于所述控温装置用于恒温。

4.如权利要求1所述一种用于周期性高速图像信号的采集装置，其特征在于所述电脑用于控制采集到的信号的图像格式设定以及存储，并且由电脑选择相机的工作模式。

5.一种对微弱周期性高速图像信号的采集方法，采用如权利要求1所述用于周期性高速图像信号的采集装置，其特征在于包括以下步骤：

1)将待测样品置于控温装置上，调节控温装置，保持温度恒定；调节成像装置，使得待测样品发出的光信号完整清晰成像于相机上；

2)对待测样品进行暗电流校准，待测样品不加驱动，采集暗电流信号，在后述的图像处理的步骤中扣除暗电流信号；

3)所述高速信号发生器输出一周期性脉冲信号驱动待测样品，同时同步触发相机，根据信号强弱设置相机合适曝光时间采集图像信号；

4)改变周期性脉冲信号脉冲宽度，重复步骤3)；

5)对一系列不同脉冲宽度下采集的图像数据进行处理，求取单个周期内的图像数据，一系列不同脉冲宽度下的图像数据即为不同时间尺度下的图像数据集。

6.如权利要求5所述一种对微弱周期性高速图像信号的采集方法，其特征在于在步骤3)中，所述曝光时间大于脉冲周期，在曝光时间内完成多周期的重复采样。

7.如权利要求5所述一种对微弱周期性高速图像信号的采集方法，其特征在于在步骤5)中，所述对一系列不同脉冲宽度下采集的图像数据进行处理，是先进行各图片的像素点对准，然后扣除步骤2)采集的暗电流信号，再根据步骤3)和4)所设定相机曝光时间、驱动信号的脉宽及周期数，参照下列公式，求取单个周期内的图像数据：

其中，A为单周期内光子数，R为单张的总光子数，R₀为暗信号光子数，T_n为驱动信号的脉冲周期，T₀为所设定的相机曝光时间，T₀/T_n表示在设定的曝光时间内的驱动信号的周期数。

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