CN109297905B - 双门控相关荧光成像装置及成像方法 - Google Patents

双门控相关荧光成像装置及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双门控相关荧光成像装置及成像方法，该装置包括：窄脉冲纳秒或皮秒激光器、整形镜头、样品台、紫外截止滤光片、纳秒量级选通像增强电荷耦合器件，计算机和时序控制单元。本发明成像方法通过百皮秒级在线编码时序控制技术，实现了动态时间扫描，从而利用目标与背景间的荧光寿命差异，获取不同延时下的两幅荧光时间分辨图像；进而利用图像增强相关算法反演荧光相对寿命图像，增强了目标荧光图像对比度，达到目标内容的提取目的。将获得的荧光相对寿命图与荧光时间分辨图像相融合，获得增强后的彩色RGB荧光相对寿命图，解决了目标‑背景荧光干扰问题。

Description

双门控相关荧光成像装置及成像方法
技术领域
本发明属于光学元件、***或仪器带有荧光标记的领域，尤其涉及一种双门控相关荧光成像装置及成像方法。
背景技术
目标荧光和背景荧光相互干扰是荧光物质痕量成像检验的难点问题。在痕量检验中，目标和背景是相对的，如文件检验中，荧光物质相对于纸张等载体可以互为相对目标，但是纸张中因为含有荧光剂，其产生的荧光强度会干扰荧光物质成像。传统荧光成像检验技术主要是测量荧光强度，存在易受激发光强度、荧光团浓度、光漂白等影响而不利于痕量物质检测的问题，尤其对于目标和背景都具有荧光的情况是无法判读目标内容的。
荧光时间分辨率成像理论上可利用目标和背景的荧光寿命差异提取并判读内容，2004年新加坡南洋理工大学的Seah等人使用荧光时间分辨技术提取了交叠的指纹；2006年日本第二法医科学中心在研究油墨，汽油和柴油等油渍荧光寿命时发现，其荧光寿命长于背景材料，当通过门控控制延迟时间长于10ns时，可以看到较为清晰的背景；2016年，日本首都警察局刑侦实验室，利用不同笔色料间的荧光寿命特性差异，将时间分辨荧光寿命成像技术成功应用于涂抹文件的检验。
但是，荧光时间分辨成像是在一定延时下开启选通门获取某时刻下纳秒甚至皮秒曝光时间下的荧光图像，本质上仍是强度图像，对于目标荧光和背景荧光互为干扰下依然难以提取目标判读内容。另外在荧光物质痕量成像检验时，因为荧光物质含量较低，其荧光光强非常弱，仅通过肉眼去通过荧光时间分辨强度图像去区分目标物是困难的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述现有问题，本发明的主要目的是提供一种双门控相关荧光成像装置及成像方法，通过融合时间分辨成像和荧光寿命成像，提出了基于两幅荧光时间分辨图像，利用图像增强相关算法获得荧光相对寿命图像，增强目标荧光图像，达到目标内容的提取目的。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种双门控相关荧光成像装置，该装置包括：
一激光器，射出脉冲激光；
一整形镜头，用于对脉冲激光扩束整形；
一样品台，用于放置样品，配置为射入括束整形的脉冲激光，该括束整形的脉冲激光非垂直入射该样品；
一滤光片和成像镜头，滤光片位于成像镜头前端，该成像镜头和滤光片设置于样品垂直出射方向上，完成对样品图像的初步采集；
一像增强电荷耦合器件，设置于成像镜头后端，实现对初步采集的样品图像的荧光强度处理；
一计算机，该计算机的输入端与像增强电荷耦合器件的输出端相连，用于对上述荧光强度处理的样品图像做进一步计算；
一时序控制单元，与激光器和像增强电荷耦合器件相连，用于实现同步控制。
进一步的，激光器为纳秒或皮秒激光器，脉宽在皮秒量级。
进一步的，滤光片为紫外截止滤光片。
进一步的，滤光片的截止波长大于激光器探头的波长。
进一步的，成像镜头根据待检测目标痕迹的大小选择不同焦距的镜头。
进一步的，像增强电荷耦合器件为纳米量级选通像增强电荷耦合器件，还实现纳米量级精确门控开关与皮秒级延时控制。
基于上述装置，本发明还提供了一种双门控相关荧光成像装置的成像方法，包括以下步骤：
***开机；
使激光器对准目标荧光物，通过计算机设置门宽参数和***参数；
通过时序控制器动态时间扫描，从而利用目标与背景间的荧光寿命差异，获得不同延时下的两幅荧光时间分辨图；
进一步的，包括：
基于FPGA的编码时序控制器，通过差相位移相相或的方法实现百皮秒级延时编码同步控制，用于产生所需的工作时序；
通过使用百皮秒级在线编码时序控制技术，包括选通门宽的动态编码控制、激发激光与选通门间延时的动态调节，实现动态时间扫描。
通过图像增强相关算法获得荧光相对寿命图；
进一步的，包括：
图像增强相关算法结合经典荧光衰减模型建立双门控相关成像的理论模型，进行目标荧光和背景荧光不同时域参数下目标-背景荧光比分析，建立双门控优化时序算法，获取荧光相对寿命图像。
将获得的荧光相对寿命图与荧光时间分辨图像用不同的颜色表示，将两幅图相融合，获得增强后的彩色RGB荧光相对寿命图像。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)通过使用百皮秒级在线编码时序控制技术，实现了动态时间扫描，从而利用目标与背景间的荧光寿命差异，获得不同延时下的两幅荧光时间分辨图像；
(2)通过不同延时下的两幅荧光时间分辨图像，并利用图像强度相关计算获得荧光相对寿命图像，增强了目标荧光图像对比度，达到目标内容的提取目的；
(3)将获得的荧光相对寿命图与荧光时间分辨图像相融合，获得增强后的彩色RGB荧光相对寿命图，解决了目标荧光和背景荧光的干扰问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的双门控相关荧光成像装置***框图；
图2是本发明实施例提供的双门控相关荧光成像算法示例；
图3是基于本发明双门控相关荧光成像装置的成像方法流程图；
图4是使用传统发明获得的荧光时间分辨图；
图5是本发明实施例获得的荧光相对寿命图。
图中：
窄脉冲纳秒或皮秒激光器1 整形镜头2
样品台3 紫外截止滤光片4
成像镜头5 纳秒量级选通像增强电荷耦合器件6
计算机7 时序控制单元8
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是：在此公开本发明结构实施例和方法的描述。可以了解的是并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，而是本发明可以通过使用其它特征，元件方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。
实施例如下
请参阅图1所示，本发明一实施例提供了一种双门控相关荧光成像装置，包括：
一激光器1，射出脉冲激光；
进一步的，激光器为纳秒或皮秒激光器，脉宽在皮秒量级。
一些实施例中，该激光器1为窄纳秒或皮秒激光器，脉宽在皮秒量级，该激光器的波长选用266nm-532nm的激光探头。根据目标材料(纸类和痕迹)选用不同的激光波长进行匹配。
一整形镜头2，用于对脉冲激光扩束整形；
一些实施例中，该整形镜头2是将激光器1发出的光斑进行扩束整形，根据检测纸张上文字的大小，使光斑成为可以照射1个或多个数量的文字。
一样品台3，用于放置样品，配置为射入括束整形的脉冲激光，该括束整形的脉冲激光非垂直入射该样品；
一滤光片4和成像镜头5，滤光片位于成像镜头前端，该成像镜头和滤光片设置为设置于样品垂直出射方向上，完成对样品图像的初步采集；
进一步的，滤光片为紫外截止滤光片。
进一步的，滤光片的截止波长大于激光器探头的波长。
一些实施例中，该滤光片4位于成像探测器镜头的前端，该滤光片使用的是紫外波段的截止滤光片，截止滤光片的截止波长大于激光器探头的波长，即大于截止滤光片截止波长的光可见，小于截止滤光片截止波长的光不可见。
进一步的，成像镜头根据待检测目标痕迹的大小选择不同焦距的镜头。
一些实施例中，成像镜头5根据检测纸张上文字的大小选用不同焦距的镜头。
一像增强电荷耦合器件6，设置于成像镜头后端，实现对初步采集的样品图像的荧光强度处理；
进一步的，像增强电荷耦合器件为纳米量级选通像增强电荷耦合器件，还实现纳米量级精确门控开关与皮秒级延时控制。
一些实施例中，该像增强电荷耦合器件6位于样品台3的垂直方向，该像增强电荷耦合器件6为纳米量级选通像增强电荷耦合器件，一是可以实现微弱荧光信号的增强与放大，二是可以实现纳米量级的精确门控开关，三是可以实现皮秒级的延时控制。
一计算机7，该计算机的输入端与像增强电荷耦合器件的输出端相连，用于对上述荧光强度处理的样品图像做进一步计算；
一些实施例中，该计算机7的输入端与像增强电荷耦合器件6的输出端相连，该计算机7采用荧光相对寿命算法，对像增强电荷耦合器件6输出的荧光强度图像进行计算，获得样品的荧光相对寿命图像。
一时序控制单元8，与激光器和像增强电荷耦合器件相连，用于实现同步控制。
一些实施例中，该时序控制单元8与激光器1和像增强电荷耦合器件6相连，并实现同步控制，时序控制单元8基于FPGA的编码时序控制器，产生等差移相的8路时钟信号，通过移相相实现百皮秒级延时和脉宽精度，支持在线编码。
一些实施例中，样品台3和激光器1的光路呈现一定的夹角，而和像增强电荷耦合器件保持垂直的角度，保证探测器可以直视样品台。
基于以上双门控相关荧光成像装置，本发明另一实施例还提供了一种基于该装置实现的成像方法，请参见图3，包括以下步骤：
步骤1：***开机；
步骤2：使激光器对准目标荧光物，通过计算机设置门宽参数和***参数；
步骤3：通过时序控制器动态时间扫描，从而利用目标与背景间的荧光寿命差异，获得不同延时下的两幅荧光时间分辨图；
进一步的，步骤3包括：
基于FPGA的编码时序控制器，通过差相位移相相或的方法实现百皮秒级延时编码同步控制，用于产生所需的工作时序；
通过使用百皮秒级在线编码时序控制技术，包括选通门宽的动态编码控制、激发激光与选通门间延时的动态调节，实现动态时间扫描。
步骤4：通过图像增强相关算法获得荧光相对寿命图；
进一步的，步骤4包括：
图像增强相关算法结合经典荧光衰减模型建立双门控相关成像的理论模型，进行目标荧光和背景荧光不同时域参数下目标-背景荧光比，即TBFR(Target-BackgroundFluorescence Ratio)分析，建立双门控优化时序算法，获取荧光相对寿命图像。
一些实施例中，图像增强相关算法基于荧光衰减开始考虑，请参见图2，荧光衰减过程是一个复杂的过程，但是其强度衰减的幅度通常可以用指数模型来表示。一个单指数模型来模拟一种物质的衰减过程，用公式(1)表示：
Figure BDA0001823295410000061
其中函数I(t)代表在某一时刻的荧光强度，IO代表荧光物质在衰减过程中的最大强度。
由公式(1)可知，如果想计算一种荧光物质的荧光寿命τ，至少需要2张荧光衰减曲线的强度图计算衰减时间。通常把用两幅图获得荧光寿命图的方法称为快速荧光寿命图算法，用公式(2)来表示。
Figure BDA0001823295410000062
其中I(ta)和I(tb)是通过本装置通过双门控技术获取延时ta和延时tb下的荧光时间分辨图像A和荧光时间分辨图像B。ΔT为延时ta和延时tb的时间间隔。
图像中的目标荧光物1和目标荧光物2的荧光相对寿命分别可以表示为：
Figure BDA0001823295410000071
Figure BDA0001823295410000072
此时通过图像增强相关算法增强取得荧光相对寿命图：
Figure BDA0001823295410000073
并且
τ＞τ1&τ＞τ2 (6)
结果表明在荧光相对寿命图中的对比度要强于目标1和目标2荧光寿命的对比度，起到了增强可视化效果的作用，从而利于目标内容的判读。
步骤5：将获得的荧光相对寿命图与荧光时间分辨图像用不同的颜色表示，将两幅图相融合，获得增强后的彩色RGB荧光相对寿命图像。
基于上述实施例，将获得的荧光相对寿命图与荧光时间分辨图像A用不同的颜色表示，将两幅图相融合，获得增强后的彩色RGB荧光相对寿命图，如公式
CRGB＝I(ta)R+τG (7)
获得增强后的彩色RGB荧光相对寿命图起到了增强可视化效果的作用，进而解决了目标荧光物质和背景荧光的干扰问题。
对于本发明提供的双门控相关荧光成像装置，本发明搭建了***样机，并进行了试验。实验目标为在纸张上用颜色相同但成份不同的两种不同物质书写的单词，单词呈现交叉分布，实验结果如图4和图5所示。由实验结果可以发现，用传统时间荧光分辨获得的图像，请参见图4，不能提取纸张上的全部有效信息，其中一种目标物质的荧光受到了纸张荧光的干扰，无法显现。通过像增强相关算法获得的荧光相对寿命图，请参见图5，可以提取纸张上的全部有效信息，目标物质荧光图像对比度得到了增强，两种目标被呈现在同一副图中且有效的区分开，解决了目标荧光和背景荧光的干扰问题。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开的内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种双门控相关荧光成像装置，其特征在于，所述装置包括：
一激光器，射出脉冲激光；
一整形镜头，用于对所述脉冲激光扩束整形；
一样品台，用于放置样品，配置为射入括束整形的脉冲激光，所述括束整形的脉冲激光非垂直入射所述样品；
一滤光片和成像镜头，滤光片位于成像镜头前端，所述成像镜头和滤光片设置于样品垂直出射方向上，完成对样品图像的初步采集；
一像增强电荷耦合器件，设置于所述成像镜头后端，实现对初步采集的样品图像的荧光强度处理；
一计算机，所述计算机的输入端与所述像增强电荷耦合器件的输出端相连；
一时序控制单元，与所述激光器和像增强电荷耦合器件相连，用于实现同步控制；
其中，所述时序控制单元通过动态时间扫描，获得不同延时下的荧光时间分辨图；所述计算机内置图像增强相关算法，通过结合所述不同延时下的荧光时间分辨图，计算荧光强度处理后的所述样品图像的荧光相对寿命图；所述双门控相关荧光成像装置的输出为融合所述荧光相对寿命图和任一所述荧光时间分辨图获得的增强后的彩色RGB荧光相对寿命图像。
2.根据权利要求1所述的双门控相关荧光成像装置，其特征在于，所述激光器为纳秒或皮秒激光器，脉宽在皮秒量级。
3.根据权利要求1所述的双门控相关荧光成像装置，其特征在于，所述滤光片为紫外截止滤光片。
4.根据权利要求1或3所述的双门控相关荧光成像装置，其特征在于，所述滤光片的截止波长大于激光器探头的波长。
5.根据权利要求1或3所述的双门控相关荧光成像装置，其特征在于，所述成像镜头根据待检测目标痕迹的大小选择不同焦距的镜头。
6.根据权利要求1或3所述的双门控相关荧光成像装置，其特征在于，所述像增强电荷耦合器件为纳米量级选通像增强电荷耦合器件，还实现纳米量级精确门控开关与皮秒级延时控制。
7.一种应用在权利要求1-6中任一所述双门控相关荧光成像装置的成像方法，其特征在于，包括：
***开机；
使激光器对准目标荧光物，通过计算机设置门宽参数和***参数；
通过时序控制器动态时间扫描，从而利用目标与背景间的荧光寿命差异，获得不同延时下的两幅荧光时间分辨图；
通过图像增强相关算法获得荧光相对寿命图；
将获得的荧光相对寿命图与荧光时间分辨图像用不同的颜色表示，将两幅图相融合，获得增强后的彩色RGB荧光相对寿命图像。
8.根据权利要求7所述的双门控相关荧光成像装置的成像方法，其特征在于，所述通过时序控制器动态时间扫描，从而利用目标与背景间的荧光寿命差异，获得不同延时下的两幅荧光时间分辨图，包括：
基于FPGA的编码时序控制器，通过差相位移相相或的方法实现百皮秒级延时编码同步控制，用于产生所需的工作时序；
通过使用百皮秒级在线编码时序控制技术，包括选通门宽的动态编码控制、激发激光与选通门间延时的动态调节，实现动态时间扫描。
9.根据权利要求7所述的双门控相关荧光成像装置的成像方法，其特征在于，所述通过图像增强相关算法获得荧光相对寿命图包括：
所述图像增强相关算法结合经典荧光衰减模型建立双门控相关成像的理论模型，进行目标荧光和背景荧光不同时域参数下目标-背景荧光比分析，建立双门控优化时序算法，获取荧光相对寿命图像。
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