[發(fā)明專利]一種一維光阱微粒位移檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310042348.2
• 申請(qǐng)日: 2013-01-31
• 公開（公告）號(hào): CN103162629A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡慧珠;繆立軍;舒曉武;劉承
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電子技術(shù)中光傳感的領(lǐng)域，尤其涉及一種一維光阱微粒位移檢測(cè)方法。

背景技術(shù)

光具有能量和動(dòng)量，攜帶動(dòng)量的光與物質(zhì)相互作用時(shí)會(huì)有動(dòng)量的傳遞，從而表現(xiàn)為光對(duì)物體施加一力，并由此引起物體的位移和速度的改變，稱之為光的力學(xué)效應(yīng)。

光的力學(xué)效應(yīng)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究的前沿問題，對(duì)它的研究與應(yīng)用已經(jīng)對(duì)很多學(xué)科產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響。1986年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家A．Ashkin發(fā)明了光阱技術(shù)之后，光阱成了光的力學(xué)效應(yīng)的研究和應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域之一。近20年來光阱技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，由于光阱技術(shù)兼有微納米尺度粒子的捕獲和皮牛頓量級(jí)力的測(cè)量?jī)身?xiàng)功能，目前已被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域。近年來，將光阱技術(shù)應(yīng)用于傳感領(lǐng)域特別是慣性測(cè)量領(lǐng)域的研究引起了眾多國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的重視，基于光阱技術(shù)的新型光學(xué)加速度計(jì)為新一代加速度計(jì)和全光學(xué)慣性測(cè)量單元的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)全新的發(fā)展方向。

處于光阱中的微粒，由于激光光強(qiáng)的不穩(wěn)定及微粒自身的布朗運(yùn)動(dòng)，微粒會(huì)在平衡位置附近作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，引起微粒的位移誤差，給光阱的應(yīng)用尤其是傳感領(lǐng)域的應(yīng)用帶來很大的制約，因此快速檢測(cè)及分析光阱中微粒的位移不穩(wěn)定度成為光阱力傳感技術(shù)關(guān)鍵；光阱中微粒位置隨著外界條件變化而變化是光阱力傳感技術(shù)的核心，因此光阱中微粒位移的快速檢測(cè)成為光阱力傳感技術(shù)的另一大關(guān)鍵。

光阱中微粒位移的快速檢測(cè)已經(jīng)成為光阱力傳感技術(shù)發(fā)展最亟待解決的問題之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)光阱力傳感技術(shù)發(fā)展過程中遇到的問題，提供了一種一維光阱微粒位移檢測(cè)方法。

一種一維光阱微粒位移檢測(cè)方法的步驟如下：

1)調(diào)整顯微鏡使微粒在拍攝過程中始終處于視場(chǎng)中，將顯微鏡物鏡對(duì)準(zhǔn)包含微粒的一維光阱區(qū)域，打開CCD采集光阱中微粒位移視頻，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；

2)取視頻各幀圖像進(jìn)行處理，對(duì)于一維光阱，只考慮x方向的微粒位移，將每幀圖像的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，即將每列的數(shù)據(jù)相加求平均作為該列的像素值，由此得到x方向的一維等效圖像數(shù)據(jù)，若所取幀為視頻第一幀，則在緩存中保存該幀一維等效圖像數(shù)據(jù)，并將第一幀微粒所處位置定義為初始參考位置；

3)若所取幀不是第一幀，設(shè)定歸一化互相關(guān)函數(shù)參數(shù)k的范圍[-a,a]，a為正整數(shù)，其值大于微粒可能取到的最大位移，歸一化互相關(guān)函數(shù)參數(shù)范圍的選擇根據(jù)CCD分辨率、微粒尺寸及微粒最大位移確定，在參數(shù)k屬于[-a,a]范圍內(nèi)計(jì)算該幀一維等效圖像數(shù)據(jù)與第一幀一維等效圖像數(shù)據(jù)的歸一化互相關(guān)函數(shù)，則歸一化互相關(guān)函數(shù)取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)k的值k₀即為微粒的相對(duì)于初始參考位置的位移，此位移的精度為像素級(jí)別；

4)取k₀左右各b個(gè)點(diǎn)的k值作為自變量，對(duì)應(yīng)的歸一化互相關(guān)函數(shù)值作為應(yīng)變量進(jìn)行二次曲線擬合，擬合可采用最小二乘法進(jìn)行，找出擬合得到的二次曲線的最高點(diǎn)，此最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)k的值k_m即為微粒的相對(duì)于初始參考位置的亞像素精度的位移，其中b為正整數(shù)，其取值規(guī)則為：若|k₀+a|＞＝10且|k₀-a|＞＝10，令b=10；否則，令b=min(|k₀+a|,|k₀-a|)；

5)取下一幀，重復(fù)步驟3)、步驟4)，若該幀為不是視頻最后一幀，重復(fù)步驟5)，否則進(jìn)行步驟6)；

6)視頻處理結(jié)束，匯總并保存微粒位移信息。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過CCD采集光阱中微粒位移視頻，通過數(shù)據(jù)降維處理算法將復(fù)雜的二維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的一維數(shù)據(jù)，并采用數(shù)字圖像處理技術(shù)解調(diào)出視頻每幀微粒位移相對(duì)于微粒初始參考位置的位移，從而得到整個(gè)視頻拍攝過程中微粒的位移信息，為分析光阱中微粒位置穩(wěn)定度和檢測(cè)光阱中微粒位移提供了一種快速、行之有效的方法，為光阱傳感技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。本發(fā)明中的微粒位移檢測(cè)方法同樣適用于二維光阱的微粒位移檢測(cè)，只需在兩個(gè)方向分別求取一維的位移即可。

附圖說明

圖1是一維光阱微粒位移檢測(cè)系統(tǒng)原理示意圖；

其中1為可調(diào)激光光源，2為光隔離器，3為CCD采集顯微鏡，4為測(cè)試計(jì)算機(jī)，5為一維光纖光阱系統(tǒng)基片。

圖2-a是直接互相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果示意圖；

圖2-b是歸一化互相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果示意圖；

圖2-c是歸一化協(xié)方差互相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果示意圖；

圖3是一維光阱微粒位移檢測(cè)方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式