CN208833665U - 一种基于泄露辐射成像的ccd靶面安装校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，包括：照明光源，待测荧光物质，含金属层芯片基底，折射率匹配油，显微物镜，反射镜，偏振元件组，滤光片，聚束透镜，水平滑轨，成像透镜，CCD图像传感器。荧光样品在被照明光源辐照后，产生荧光表面等离激元波并泄露辐射通过含金属层芯片基底，在被显微物镜收集信号后实现荧光成像。期间，照明光源发出的激发光由偏振元件组和滤光片过滤。通过移动成像透镜的位置，提出泄露辐射霍夫变换算法对CCD图像传感器靶面进行检测，完成常规手段不易发现的CCD靶面与安装定位面夹角误差的精确校准。本实用新型结构简单，适用性强。

Description

一种基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置

技术领域

本实用新型涉及光学校准技术领域，尤其涉及一种基于泄露辐射成像的CCD 靶面安装校准装置。

背景技术

在显微成像中，由于技术的革新和新型成像方式的快速发展，开放式光路的自扩展性越来越好，商业显微镜中也往往伴随结合多种成像手段。但在保证成像分辨率和速度提高的同时，扩展性光路的稳定性也是用户所关注的问题。细微的误差往往会在成像精度上造成潜在影响。同时随着大尺寸面阵CCD图像传感器需求增多，一些新研制的CCD产品中靶面与机械安装定位面往往存在有较大夹角误差的问题，而封装的CCD产品技术说明中也常常未给出相应数据。CCD图像传感器收集进入摄像头的信号并呈现在计算机屏幕上，当CCD图像传感器固定不动时，则出现在计算机屏幕上的是像在焦平面附近的2D图。当CCD图像传感器与定位面有微小的夹角时，所成的图像也会出现微小的失真，对计算像的各项数据产生一定的误差。因此在对成像图像进行各项计算前，往往需要先行进行 CCD校准，减小误差。现有的检测CCD靶面与机械安装面夹角的方法多是非接触光学测量方式，焦面测量法，其主要存在的问题为：(1)精确度低。由于靶面的机械封装，其工作面范围内多有保护介质，且需要用肉眼直接观察、对比千分尺调节CCD靶面的位置，存在微小的误差难以调节。(2)不易分辨。广泛应用在生物领域的荧光成像，由于被观测对象的复杂性与多样性，成像过程中难以对图像质量进行把控和筛选。尤其是微小的靶面倾斜在传统的常规成像中是难以发现的。(3)校准成像分离。对靶面的校准往往需要先行校准，在确保准确后进行成像。这既多增加了一道工序，也难以保证仪器在长久的使用中保持精准。

实用新型内容

本实用新型提出一种基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，可以通过滑轨实现显微镜前后焦面切换成像，并结合计算机编译算法进行对比检测，精确度高，结构简单紧凑，低成本、效率高。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，所述装置包括照明光源、待测荧光物质、含金属层芯片基底、折射率匹配油、显微物镜、反射镜、偏振元件组、滤光片、聚束透镜、水平移动轴、成像透镜和CCD图像传感器，所述照明光源、含金属层芯片基底、折射率匹配油、显微物镜依次同轴设置，所述偏振元件组、滤光片、聚束透镜、成像透镜和CCD图像传感器依次同轴设置，所述待测荧光物质位于含金属层芯片基底上且能够被照明光源直接照射，从而被激发出射荧光，所述荧光可以形成表面波后透过含金属层芯片基底和折射率匹配油到达显微物镜，经过反射镜反射后经过偏振元件组与滤光片过滤伴随的照明光，再经过聚束透镜和成像透镜收集信号于 CCD图像传感器，所述成像透镜设置于水平移动轴上并能在水平移动轴水平移动。

进一步地，所述照明光是激光。

进一步地，所述偏振元件组是由偏振片和1/2波片组成的偏振元件组，用于调节所出射荧光的偏振方向并提高检测精度。

进一步地，所述的含金属层芯片基底，是由玻璃基底层、金属薄膜层和聚合物薄膜保护层构成的三层结构，金属薄膜层蒸镀在玻璃基底层上，聚合物薄膜层旋涂在金属薄膜层上。

进一步地，所述金属薄膜层是由一层银构成。

进一步地，所述金属薄膜层的厚度为45纳米。

进一步地，所述聚合物薄膜保护层由不含任何荧光物质的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成。

进一步地，所述聚合物薄膜保护层的厚度为0.22微米。

本实用新型和传统技术相比的优点为：

(1)结构简单：无需额外的校准检测装置，解决了常规校准方式需要额外调节的问题；

(2)精确度高：后焦面成像所成理想圆环像，CCD图像传感器收集，利用计算机软件进行对比校准，减小了校准误差；

(3)操作性好：提出了一种全新的检测手段。在检测光路中只用一个CCD 实现后焦面成像的切换，可以随时检测，在传统显微成像的同时进行校准，检测方便，无需单独添加安置检测光路；

(4)校准快速：结合计算机编译的算法，快速实现偏差方向与差值，调节迅速；

(5)本实用新型所利用的表面等离激元波成像，既可以完成荧光成像也可以用于光路校准；

(6)本实用新型通过改变不同膜层的厚度时，可以激发不同的荧光表面波，都可以实现光路的校准；

(7)本实用新型中充分利用荧光成像中的偏振装置，有效的抑制背景噪声，提高了检测对比度和准确度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置示意图。

图2为荧光分子后焦面成像示意图。

图3为计算机比对示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型作进一步的说明。

结合图1，一种基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，所述装置包括照明光源1、待测荧光物质2、含金属层芯片基底3、折射率匹配油4、显微物镜5、反射镜6、偏振元件组7、滤光片8、聚束透镜9、水平移动轴10、成像透镜 11和CCD图像传感器13，所述照明光源1、含金属层芯片基底3、折射率匹配油4、显微物镜5依次同轴设置，所述偏振元件组7、滤光片8、聚束透镜9、成像透镜11和CCD图像传感器13依次同轴设置，所述待测荧光物质2位于含金属层芯片基底3上且能够被照明光源1发出的照明光直接辐照到，从而激发出射荧光，所出射荧光形成荧光表面波后透过含金属层芯片基底3和折射率匹配油4 到达显微物镜5后再经过反射镜6反射后经过偏振元件组7与滤光片8过滤伴随的照明光，再经过聚束透镜9和成像透镜11收集信号于CCD图像传感器13，所述成像透镜11设置于水平移动轴10上并能在水平移动轴10水平移动，荧光表面波也属于荧光的一部分，其实是利用的荧光直接透过而进行的常规成像，而利用表面波透过进行的后焦面成像从而检测校准，所述的成像透镜11可以移动至位置12，所述的CCD图像传感器13的CCD靶面14若倾斜可以通过常规手段校准。

进一步地，所述照明光是激光。

进一步地，所述偏振元件组7是由偏振片和1/2波片组成的偏振元件组，用于调节所出射荧光的偏振方向并提高检测精度，通过旋转1/2波片可以控制显微物镜后焦面中的亮弧方向，以实现各个方向的精细检测校准，通过添加偏振片可以提高对比度，以更准确实现标准圆的标定。

进一步地，所述的含金属层芯片基底3，是由玻璃基底层、金属薄膜层和聚合物薄膜保护层构成的三层结构，金属薄膜层蒸镀在玻璃基底层上，聚合物薄膜层旋涂在金属薄膜层上。

进一步地，所述金属薄膜层是由一层银构成。

进一步地，所述金属薄膜层的厚度为45纳米。

进一步地，所述聚合物薄膜保护层由不含任何荧光物质的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA构成。

进一步地，所述聚合物薄膜保护层的厚度为0.22微米。

本实施例中根据上述所述的基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置的校准方法，包括以下步骤：

步骤一：照明光源1发出的激光直接照射在含金属层芯片基底3上的待测荧光物质2，其中的荧光分子受到激发出射荧光，在金属薄膜层，聚合物薄膜保护层界面形成荧光表面波透过金属薄膜层以及玻璃基底层和折射率匹配油4到达显微物镜5；

步骤二：所述荧光从显微物镜5出射，经过反射镜6反射后经过偏振元件组 7与滤光片8过滤伴随的激光，再经过聚束透镜9和成像透镜11收集信号于CCD 图像传感器13，进而完成样品的荧光成像；

步骤三：移动水平移动轴10上的成像透镜11，以实现显微成像以及后焦面成像的切换，当在在CCD图像传感器13的计算机上所显示的是对称两道圆弧，即荧光表面波在光波导中传输耦合辐射的后焦面像，使用所对应设计的算法于像的中心进行对比调整，实现校准CCD靶面14与安装定位面的夹角误差，最后切换回成像透镜位置，完成校准后的荧光成像。

进一步地，所述激光的波长为532纳米，荧光分子为R6G分子。

所述滤光片8能依据被测物的荧光表面等离激元波波段，合理选择对应的波长，并吸收反射激发光。

本实用新型技术方案的相关原理为：

显微成像切换：打开照明激光光源，照明激光光源发出的激光照亮载物芯片，并且激发其聚合物薄膜层中的掺杂荧光分子，产生表面等离激元波泄露辐射通过含金属层芯片基底和折射率匹配油后，由显微物镜放大，由偏振元件组过滤激光，被聚束透镜和成像透镜将被测物成像于CCD图像传感器；在水平移动轴上移动成像透镜的位置，可以实现后焦面成像。

检测与校准：由于CCD图像中的每一个像素点都可以理解为一个潜在的圆上的一点，利用霍夫变换编写检测程序，判断后焦像中每一像素点的累计数值，设置一个阈值来定位圆。选择检测圆半径阈值大小，程序先对图像进行边缘检测，对图像的每个像素点扫描阈值半径范围内是否存在圆环，如果存在圆环，则以该像素点为圆心，得到与圆环最匹配的半径，在所成像上画出一个标准圆，进而计算像素点的对比度，由对比度结果判断圆环的偏差程度以及CCD靶面的夹角误差，并逐渐改变控制CCD图像传感器倾角的螺丝调节。迭代对比校准，直到圆环与标准圆的像素对比度测量无误后，旋转1/2波片90°，改变亮弧位置，用同样的方法校准，再把1/2波片旋回，依次重复，将误差降到最小。

在扫描荧光泄露辐射显微成像技术中，一个点源的信号会在特定结构下以不同角度耦合转换为平面波导中传输的各种模式。当含金属层芯片基底中的结构为上述三层时候，可以利用荧光表面等离激元波成像校准。而金属层芯片基底结构改变时候，只要满足荧光表面波耦合出射，都可以在位于显微物镜后焦面的像上对应表现出各种不同半径的亮弧，且每一个点源与实际所成像又一一对应。当被测物体被扫描成像于CCD图像传感器的时候，由于CCD靶面或者光路中的一些不必要的偏差，往往会导致成像质量的下降以及特定的测量误差，而这在传统的观测手段中难以及时判定。而此类问题可以通过后焦面成像的技术手段发现，进而利用所设计的算法可以将其检测校准。其中，一个点源的后焦面对应的是同心的环形出射，当CCD靶面倾斜或光路偏离的时候，后焦面的圆弧与所计算得出的标准圆将会出现偏离，这在直接的待测物荧光成像中是难以观测和辨别的。其检测精度与CCD的像素和探测强度相关联，尤其适用于高精度、高灵敏度探测。经过各个方向的多次校准，使得CCD靶面与安装定位面的夹角误差逐渐减小，实现校正CCD图像传感器的目的。

如图2所示，外围上下两道亮弧，对称分布形成外围亮圆环，内圈左右两道亮弧，对称分布形成内圈亮圆环，两个圆环应为同心圆，利用CCD的计算机对外圈亮弧进行霍夫圆变换，实现圆环检测，计算圆环的圆心和半径，从而确定靶面的偏移。为简化计算过程，我们撤去偏振片，选取其中一个模式，计算得出相应半径的黑色圈构成的标准园，如图3所示。以圆心为原点，横轴为x轴，纵轴为y轴，因为圆环存在厚度，采用图像二值化，将低于灰度阈值的部分去除，只保留亮度较高的部分，对x、y轴与圆环相交的外边缘端点，与标准圆进行像素比对。经过放大计算得出，在y轴上两端外边缘端点与标准圆相差19个像素差值点，在x轴上两端外边缘端点与标准圆相差16个像素差值点。由空间几何可知，当一个固定平面上的圆心不变，圆存在倾斜，则在原平面上该圆的投影变为椭圆，相应的倾斜部分投影到平面上原半径会变小，找到半径小的部分即可确定圆的倾斜方向。因此，可以简单地判断出CCD的靶面在竖直方向上有一定的夹角误差，进而调节对应的螺丝旋钮以调整模式圆环与标准圆一致。

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

Claims (8)

1.一种基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，其特征在于，所述装置包括照明光源(1)、待测荧光物质(2)、含金属层芯片基底(3)、折射率匹配油(4)、显微物镜(5)、反射镜(6)、偏振元件组(7)、滤光片(8)、聚束透镜(9)、水平移动轴(10)、成像透镜(11)和CCD图像传感器(13)，所述照明光源(1)、含金属层芯片基底(3)、折射率匹配油(4)、显微物镜(5)依次同轴设置，所述偏振元件组(7)、滤光片(8)、聚束透镜(9)、成像透镜(11)和CCD图像传感器(13)依次同轴设置，所述待测荧光物质(2)位于含金属层芯片基底(3)上且能够被照明光源(1)发出的照明光直接辐照到，从而出射荧光，所述荧光透过含金属层芯片基底(3)、折射率匹配油(4)和显微物镜(5)后再经过反射镜(6)反射通过偏振元件组(7)与滤光片(8)，从而过滤掉伴随的照明光，再经过聚束透镜(9)和成像透镜(11)收集信号于CCD图像传感器(13)，所述成像透镜(11)设置于水平移动轴(10)上并能在水平移动轴(10)水平移动。

2.根据权利要求1所述的基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，其特征在于，所述照明光是激光。

3.根据权利要求2所述的基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，其特征在于，所述偏振元件组(7)是由偏振片和1/2波片组成的偏振元件组，用于调节所出射荧光的偏振方向并提高检测精度。

4.根据权利要求3所述的基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，其特征在于，所述的含金属层芯片基底(3)，是由玻璃基底层、金属薄膜层和聚合物薄膜保护层构成的三层结构，金属薄膜层蒸镀在玻璃基底层上，聚合物薄膜层旋涂在金属薄膜层上。

5.根据权利要求4所述的基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，其特征在于，所述金属薄膜层是由一层银构成。

6.根据权利要求5所述的基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，其特征在于，所述金属薄膜层的厚度为45纳米。

7.根据权利要求5所述的基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，其特征在于，所述聚合物薄膜保护层由不含任何荧光物质的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成。

8.根据权利要求7所述的基于泄露辐射成像的CCD靶面安装校准装置，其特征在于，所述聚合物薄膜保护层的厚度为0.22微米。