一种基于sCMOS的卷帘快门相机及控制方法与流程

一种基于scmos的卷帘快门相机及控制方法
技术领域
1.本发明涉及扫描成像技术领域，特别是涉及一种基于scmos的卷帘快门相机及其控制方法。


背景技术：

2.图像生命科学研究往往要求在不影响生物活性的前提下，实现更大视野、更高分辨率、更高速度的三维成像。然而传统的宽场荧光显微镜存在以下问题：引入额外的光毒性，影响生物样品活性，甚至造成生物细胞死亡；成像焦平面以外的干扰信号进入图像，导致图像分辨率和反差降低。
3.随着光学显微成像技术发展迅速，并不断突破传统极限。发展出来了与传统显微镜不同的激发光的照明方式，如光片显微镜。其照明光是一张与成像面平行的薄薄的“光片”，只有焦平面的样品被照亮。提高了图像背景的反差和轴向分辨率，具备和共聚焦显微镜类似的切片功能；减少了光漂白和光毒性。并且，光片显微镜可以利用高qe(quantum efficiency，量子效率)的scmos(scientific complementary metal oxide semiconductor，科学互补性金属氧化物半导体)相机卷帘扫描的特点实现卷帘快门控制模式成像。
4.但传统的scmos的卷帘快门控制行周期都是固定的一个行周期(1个line time)和固定的正向扫描即从传感器的顶部向底部扫描。如图1所示卷帘快门的图像传感器的感光像素在曝光后是逐行读出的，每行读出所需要的时间是一定的，由芯片设计所固有的时间决定(例如10μs)，这称为“行时间(line time)”。意味着生成的图像在每行之间都具有小的时间延迟。每一行像素要经历三个流程：复位、曝光、读出。而在固定的扫描周期下，用户无法控制读出信号之间的延时和扫描方向复位。使得相机与照明设备之间无法同步匹配，导致图像成像效果较差。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于scmos的卷帘快门相机及其控制方法，提高图像信噪比，从而提升图像质量。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种基于scmos的卷帘快门控制方法，包括步骤：
8.获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，并获取相机的曝光时间和最小行周期；
9.根据所述激光扫描光束的扫描速度和所述最小行周期得到相机的单行时延时间差，或根据所述所述激光扫描光束的扫描速度和所述相机的曝光时间得到相机的单行时延时间差；
10.根据所述相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间。
11.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
12.一种基于scmos的卷帘快门相机，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
13.获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，并获取相机的曝光时间和最小行周期；
14.根据所述激光扫描光束的扫描速度和所述最小行周期得到相机的单行时延时间差，或根据所述所述激光扫描光束的扫描速度和所述相机的曝光时间得到相机的单行时延时间差；
15.根据所述相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间。
16.本发明的有益效果在于：通过获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，以及相机的曝光时间和最小行周期，并根据根据激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度以及相机的曝光时间和最小行周期得到相机的单行时延时间差，从而通过相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间，即能够对像素的读出时间以及像素的曝光宽度进行控制，在更灵活的行时间范围内控制有效曝光区域和外部照明的同步，即曝光过程与成像系统中的扫描照明光束无缝同步，能够隔绝焦面外的噪音，进而提高图像的信噪比，提升图像质量。
附图说明
17.图1为现有技术中卷帘快门的曝光读出的原理图；
18.图2为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法的步骤流程图；
19.图3为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法的时延模式界面示意图；
20.图4为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法的时延增加原理图；
21.图5为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法的行高模式界面示意图；
22.图6为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法的扫描界面示意图；
23.图7为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法的down模式扫描示意图；
24.图8为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法的up模式扫描示意图；
25.图9为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法的down-up cycle模式扫描示意图；
26.图10为本发明实施例中的一种基于scmos的卷帘快门控制方法顺序扫描指令界面示意图。
具体实施方式
27.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
28.请参照图1，一种基于scmos的卷帘快门控制方法，包括步骤：
29.一种基于scmos的卷帘快门控制方法，包括步骤：
30.获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，并获取相机的曝光时间和最小行周
期；
31.根据所述激光扫描光束的扫描速度和所述最小行周期得到相机的单行时延时间差，或根据所述所述激光扫描光束的扫描速度和所述相机的曝光时间得到相机的单行时延时间差；
32.根据所述相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间。
33.由上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，以及相机的曝光时间和最小行周期，并根据根据激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度以及相机的曝光时间和最小行周期得到相机的单行时延时间差，从而通过相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间，即能够对像素的读出时间以及像素的曝光宽度进行控制，在更灵活的行时间范围内控制有效曝光区域和外部照明的同步，即曝光过程与成像系统中的扫描照明光束无缝同步，能够隔绝焦面外的噪音，进而提高图像的信噪比，提升图像质量。
34.进一步地，所述根据所述相机的单行时延时长调整传感器行周期的时间包括：
35.判断是否接收到启动延时模式指令，若是，则根据所述相机的单行时延时间差获取对应数量的单位时延；
36.根据对应数量的所述单位时延以及所述最小行周期得到新行周期时间；
37.根据所述对应数量的所述单位时延以及所述相机的曝光时间得到曝光像素的行数。
38.由上述描述可知，当接收到启动延时模式指令时，根据相机的单行时延时间差获取对应数量的单位时延，并结合对应数量的单位时延以及最小行周期得到新行周期时间，并自动计算对应的曝光像素的行数，即通过在固有行周期内增加单位时延改变相机的行周期，从而改变相机扫描速度，使之与外部照明的同步，进而实现高信噪比的成像。
39.进一步地，所述根据所述所述激光扫描光束的扫描速度和所述相机的曝光时间得到相机的单行时延时间差包括：
40.判断是否接收到启动行高模式指令，若是，则获取像素元尺寸以及物镜放大倍数；
41.根据所述激光扫描光束的扫描宽度和所述像素元尺寸以及物镜放大倍数得到对应数量的单位扫描宽度；
42.根据对应数量的所述单位扫描宽度以及所述相机的曝光时间得到对应数量的单位时延；
43.根据所述对应数量的所述单位扫描宽度得到曝光像素的行数。
44.由上述描述可知，当接收到行高模式指令时，激光扫描光束的扫描宽度和像素元尺寸以及物镜放大倍数得到对应数量的单位扫描宽度，即得到得到曝光像素的行数，并根据对应数量的单位扫描宽度以及相机的曝光时间得到对应数量的单位时延，从而实现自动计算对应的时延时间，能够同时改变相机的扫描速度和扫描宽度，使相机与外部照明的同步，进而实现高信噪比的成像。
45.进一步地，还包括：
46.获取激光扫描光束的扫描方向；
47.根据所述激光扫描光束的扫描方向改变相机的扫描方向；
48.所述激光扫描光束的扫描方向与所述相机的扫描方向一致。
49.由上述描述可知，通过获取激光扫描光束的扫描方向，并根据激光扫描光束的扫描方向改变相机的扫描方向，使两者具有相同的扫描方向，提高成像效果；
50.进一步地，所述相机的扫描方向包括从传感器的顶行至底行扫描或底行至顶行扫描或顶行与底行交替扫描。
51.由上述描述可知，相机包括从传感器的顶行至底行扫描或底行至顶行扫描或顶行与底行交替扫描三种不同的扫描方向，能够满足不同情况下对图像样本采样的需求。
52.请参照图2，一种基于scmos的卷帘快门相机，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
53.获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，并获取相机的曝光时间和最小行周期；
54.根据所述激光扫描光束的扫描速度和所述最小行周期得到相机的单行时延时间差，或根据所述所述激光扫描光束的扫描速度和所述相机的曝光时间得到相机的单行时延时间差；
55.根据所述相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间。
56.由上述描述可知，通过获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，以及相机的曝光时间和最小行周期，并根据根据激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度以及相机的曝光时间和最小行周期得到相机的单行时延时间差，从而通过相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间，即能够对像素的读出时间以及像素的曝光宽度进行控制，在更灵活的行时间范围内控制有效曝光区域和外部照明的同步，即曝光过程与成像系统中的扫描照明光束无缝同步，能够隔绝焦面外的噪音，进而提高图像的信噪比，提升图像质量。
57.进一步地，所述根据所述相机的单行时延时长调整传感器行周期的时间包括：
58.判断是否接收到启动延时模式指令，若是，则根据所述相机的单行时延时间差获取对应数量的单位时延；
59.根据对应数量的所述单位时延以及所述最小行周期得到新行周期时间；
60.根据所述对应数量的所述单位时延以及所述相机的曝光时间得到曝光像素的行数。
61.由上述描述可知，当接收到启动延时模式指令时，根据相机的单行时延时间差获取对应数量的单位时延，并结合对应数量的单位时延以及最小行周期得到新行周期时间，并自动计算对应的曝光像素的行数，即通过在固有行周期内增加单位时延改变相机的行周期，从而改变相机扫描速度，使之与外部照明的同步，进而实现高信噪比的成像。
62.进一步地，判断是否接收到启动行高模式指令，若是，则获取像素元尺寸以及物镜放大倍数；
63.根据所述激光扫描光束的扫描宽度和所述像素元尺寸以及物镜放大倍数得到对应数量的单位扫描宽度；
64.根据对应数量的所述单位扫描宽度以及所述相机的曝光时间得到对应数量的单位时延；
65.根据所述对应数量的所述单位扫描宽度得到曝光像素的行数。
66.由上述描述可知，当接收到行高模式指令时，激光扫描光束的扫描宽度和像素元
尺寸以及物镜放大倍数得到对应数量的单位扫描宽度，即得到得到曝光像素的行数，并根据对应数量的单位扫描宽度以及相机的曝光时间得到对应数量的单位时延，从而实现自动计算对应的时延时间，能够同时改变相机的扫描速度和扫描宽度，使相机与外部照明的同步，进而实现高信噪比的成像。
67.进一步地，还包括：
68.获取激光扫描光束的扫描方向；
69.根据所述激光扫描光束的扫描方向改变相机的扫描方向；
70.所述激光扫描光束的扫描方向与所述相机的扫描方向一致。
71.由上述描述可知，通过获取激光扫描光束的扫描方向，并根据激光扫描光束的扫描方向改变相机的扫描方向，使两者具有相同的扫描方向，提高成像效果。
72.进一步地，所述相机的扫描方向包括从传感器的顶行至底行扫描或底行至顶行扫描或顶行与底行交替扫描。
73.由上述描述可知，相机包括从传感器的顶行至底行扫描或底行至顶行扫描或顶行与底行交替扫描三种不同的扫描方向，能够满足不同情况下对图像样本采样的需求。
74.本发明上述基于scmos的卷帘快门控制方法能够针对光片显微镜等扫描类成像系统的特点，根据不同的外部照明设备以及相机性能将相机的扫描宽度、速度和方向与外部照明设备匹配，以下通过具体实施方式进行说明：
75.实施例一
76.请参照图2，一种基于scmos的卷帘快门控制方法，包括步骤：
77.s1、获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，并获取相机的曝光时间和最小行周期；
78.s2、根据所述激光扫描光束的扫描速度和所述最小行周期得到相机的单行时延时间差，或根据所述所述激光扫描光束的扫描速度和所述相机的曝光时间得到相机的单行时延时间差；
79.s3、根据所述相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间；
80.其中，所述卷帘快门控制方法包括两种控制模式，分别为时延模式(line time delay)以及行高模式(slit height)；两种模式分别通过不同的方式定义行周期的时延时间(line interval time)；所述卷帘快门控制方法还包括默认模式(off)，即相机的sensor(传感器)以行周期为默认1个行周期进行扫描；
81.在所述时延模式下，执行根据所述激光扫描光束的扫描速度获取时延时长以及曝光像素的行数的步骤：
82.请参照图3和图4，如在一可选的实施方式中，采用型号为dhyana 400bsi v3相机为例，传感器芯片(sensor)的行周期为默认即1个行周期(line time)；即line time为sensor固有(最小)的行周期时间；该相机的在高动态范围成像(high dynamic range imaging，hdri或hdr)模式的line time(sensor)＝6.6μs，高速模式(high speed)的line time(sensor)＝7.2μs，则通常模式下所述最小行周期为6.6μs，曝光时间为等于560μs；而实际的激光光束扫描速度的数值为72.60μs，扫描宽的数值为36.4um；显微镜物镜放大倍数是10，像素元尺寸是6.5um；
83.a1、判断是否接收到启动延时模式指令，若是，则根据所述相机的单行时延时间差
获取对应数量的单位时延；请参照图3，用户可通过自定义设置将当前模式设置为时延模式；即在对应的操作界面中，将[statμs]选项设置为line time delay模式；即根据激光光束扫描速度的数值为72.60μs以及所述最小行周期为6.6μs得到对应的所述单位时延的份数应为10份；即在界面中将[line time delay：]选项设置为10；该选项为所述单位时延的份数，增加所述单位时延时，同时在“重置”信号(reset)与“读出”(read out)信号之间增加对应份数所述单位时延；每一份所述单位时延为传感器芯片最小行周期时间，其可调的单位个数范围为1-8928；
[0084]
a2、根据对应数量的所述单位时延以及所述最小行周期得到新行周期时间；即当前新行周期时间(line interval time)＝line time+line time
×
10＝72.60μs；即所述新行周期时间与实际的激光光束扫描速度适配；
[0085]
a3、根据所述对应数量的所述单位时延以及所述相机的曝光时间得到曝光像素的行数，具体的：
[0086]
根据算式slit height＝曝光时间/对应数量的所述单位时延，自动计算对应的行数；所述固有曝光时间为一行像素的曝光时间；请参照图3，自动计算的结果为slit height＝56；得到所述曝光像素的行数为56行；根据所述曝光像素的行数与实际的激光光束扫描宽度之间关系：激光光束扫描宽度＝实际的激光光束扫描宽度*像素元尺寸/物镜放大倍数，即56*6.5/10＝36.4um；因此，所述曝光像素的行数与实际的激光光束扫描宽度适配；
[0087]
其中，当相机处于高速模式下时，成像时的帧速率由成像的行数和有效行时间决定，因此需要对相机是否处于高速模式进行判断，具体的：
[0088]
判断是否接收到启动高速模式指令，若是，则获取所述新行周期时间以及所述高速模式下读取的像素行数；并根据所述新行周期时间以及所述高速模式下读取的像素行数得到图像的读出时间以及图像成像帧率；即：读出时间＝line interval time
×nrows
(成像像素总行数)；图像成像帧率＝1/(读出时间+曝光时间)；
[0089]
请参照图5，在所述行高模式下，根据所述激光扫描光束的扫描宽度获取时延时长以及曝光像素的行数的步骤：如当前实际的激光光束扫描速度的数值为13.20μs，扫描宽的数值是1331.2um；
[0090]
b1、判断是否接收到启动行高模式指令，若是，则获取像素元尺寸以及物镜放大倍数；得到当前像素元尺寸为6.5um，物镜放大倍数为10；其中，用户可通过在操作页面上将的[statμs]选项设置为[slit height]实现模式切换；slit height为“重置”信号和“读出”信号之间的像素行数，可调控单位的范围为1-2048；如图5中设置的slit height＝2048，即所述单位扫描宽度的份数为2048；
[0091]
b2、根据所述激光扫描光束的扫描宽度和所述像素元尺寸以及物镜放大倍数得到对应数量的单位扫描宽度；根据算式slit height＝激光光束扫描宽度*物镜放大倍数/像素元尺寸，得到slit height＝2048；
[0092]
b3、根据对应数量的所述单位扫描宽度以及所述相机的曝光时间得到对应数量的单位时延；根据算式slit height＝曝光时间/对应数量的所述单位时延；由于曝光时间是560μs，随着slit height的增大到2048，软件自动将line time delay设置为1，而以曝光时间调整到2048为优先；即得到所述单位时延的份数为1；即新行周期时间为13.20μs与实际的激光扫描光束的扫描速度适配；
[0093]
其中，当相机处于高速模式下时，由于相机采用双线读出模式，因此在输入扫描宽度为偶数行的情况下，检测区域也要包含偶数行；因此需要对相机是否处于高速模式进行判断，具体的：
[0094]
判断是否接收到启动高速模式指令，若是，判断所述预设宽度的扫描宽度是否为偶数，若非偶数，则在所述预设宽度的扫描宽度的基础上额外增加一行扫描宽度；如扫描宽度值为10将具有等于10行的检测区域；而扫描宽度值为11的检测区域将等于12行；同时，在通过时延模式或行高模式对行周期的时延时间进行控制时，同步调整激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，使得相机的曝光过程与成像系统中的扫描照明光束无缝同步。
[0095]
实施例二
[0096]
本实施例与实施例一的不同在于，还包括对扫描方向的控制；
[0097]
获取激光扫描光束的扫描方向，根据所述激光扫描光束的扫描方向改变相机的扫描方向；其中，所述激光扫描光束的扫描方向与所述相机的扫描方向一致；
[0098]
请参照图6，所述相机的扫描方向包括从传感器的顶行至底行扫描(down模式)或底行至顶行扫描(up模式)或顶行与底行交替(down-up cycle模式)扫描；
[0099]
其中，请参照图7，down模式为scmos相机的默认扫描方向；卷帘快门从sensor顶端的第一行开始，向下扫描到底端的最后一行，随后的每个帧采集都从顶端的第一行开始；
[0100]
请参照图8，up模式为向上的扫描模式，卷帘快门从底部最下一行开始向上扫描直到顶端的第一行的行，随后的每个帧采集都从最底行开始，在此模式下获取时的图像方向不会反转，与向下扫描模式的图像一致；
[0101]
请参照图9，down-up cycle模式下，卷帘快门从顶端第一行开始向下扫描直到底端最后一行，对于下一帧，卷帘快门将从最底行开始，并向上扫描至顶端第一行，反复循环；在此模式下获取的图像方向与向下扫描方向一致；
[0102]
请参照图10，在down-up cycle模式下可用过顺序扫描指令对其方向进行控制，具体的：判断是否接收到顺序扫描指令，若是，则执行顶行至底行循环扫描；若否，则执行顶行与底行交替扫描；参数[readout direction reset]包括“yes”和“no”指令；默认设置为“yes”，可确保了每个新采集序列的第一帧将从最顶部的行开始并向下扫描；当设置为“no”时，每个新采集的第一帧将从上一序列中最后一帧的位置开始，如果最后一帧在最底行结束，则后续采集的第一帧将从最底行开始并向上扫描。
[0103]
实施例三
[0104]
请参照图2，一种基于scmos的卷帘快门相机，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
[0105]
获取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，并获取相机的曝光时间和最小行周期；
[0106]
根据所述激光扫描光束的扫描速度和所述最小行周期得到相机的单行时延时间差，或根据所述所述激光扫描光束的扫描速度和所述相机的曝光时间得到相机的单行时延时间差；
[0107]
根据所述相机的单行时延时间差调整传感器行周期的时间。
[0108]
综上所述，本发明提供的本发明公开一种基于scmos的卷帘快门控制方法，通过获
取激光扫描光束的扫描速度和扫描宽度，并根据激光扫描光束的扫描速度或激光扫描光束的扫描宽度对像素的读出时间以及像素的曝光宽度进行控制，从而实现对相机曝光区域的高度和移动速度的控制，在更灵活的行时间范围内控制有效曝光区域和外部照明的同步，并能够根据照明光束的扫描方向调整相机的扫描方向，实现多种不同的扫描形式，通过在复位信号和读出信号中增加时延，并且该时延能够通过时间延时和行高设置对时延参数进行调整，从而通过对像素的读出时间和方向进行控制，以控制曝光像素的宽度、扫描速度和扫描方向，即曝光过程与成像系统中的扫描照明光束无缝同步，能够隔绝焦面外的噪音，进而提高图像的信噪比，提升图像质量。
[0109]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。