[發明專利]一種基于光學俘獲的原位校準壓電平臺位移的方法

有效

• 申請號: 201410685964.4
• 申請日: 2014-11-25
• 公開（公告）號: CN104406528B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 周金華;李迪;李銀妹;鐘敏成;王自強
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,李新華

技術領域

本發明屬于光學高精度位移檢測和光學微操縱技術領域，具體涉及一種基于光學俘獲的原位校準壓電平臺位移的方法。

背景技術

壓電平臺在生物顯微鏡、光鑷和原子力顯微鏡等需要精密控制位移的儀器上有著廣泛應用。壓電平臺有著納米運動的精度，但在實際使用時，受到環境和固定耦合件等各種因素的影響，驅動所承載固定件或樣品運動幅度與儀器驅動標稱值會有偏差，這種偏差會導致壓電平臺作為準確測量儀器用于標定其它信號時會傳遞較大的誤差。對光鑷和原子力顯微鏡系統，許多參數的校準都依賴壓電平臺精確運動的幅度，因此，壓電平臺自身運動幅度的偏差導致后續校準參數偏離正常值。

壓電平臺儀器出廠時有各種檢測方法，最常用的光學干涉法校準壓電陶瓷的運動信號具有很高精度。但在實際使用中，用該方法校準壓電平臺上樣品室的運動幅度存在一定困難，如壓電平臺的運動幅度受到運動過程和運動方向的影響。采用粘底微粒檢測運動幅度的圖像法，檢測精度依賴微粒位置的精度，難以分析較高頻率下微粒的運動。

本發明基于光學俘獲提出在實際工作環境中檢測壓電平臺特性的方法，即原位校準壓電平臺位移法，將待測壓電平臺和樣品室安裝在帶有光電探測位移的光鑷系統上，通過本發明提出的一套標準操作流程和數據分析，即實現對壓電平臺位移的高精度檢測。

發明內容

本發明的目的提供一種原位檢測壓電平臺位移的方法，該方法對平臺位移特性的檢測具有普實性，適用于進行微小位移的精密測量系統。該方法還適合利用平臺提供的高精度位移測量提升單分子檢測中力譜的精度。

本發明的原理在于：

本發明利用光鑷檢測壓電平臺真實運動幅度和頻率流程，見圖1。利用壓電平臺驅動樣品室運動，利用光鑷檢測被捕獲微粒的受限布朗運動，根據流體力學法校準位置探測器的電壓比例系數，反過來用校準的比例系數分析在壓電平臺驅動下受限微粒運動信號的功率譜，獲得真實運動幅度。

本發明采用的技術方案為：該方法的步驟如下：

步驟1、構建光鑷系統包括激光器1、第一透鏡2、第二透鏡3、第一全反射平面鏡4、第二全反射平面鏡5、第三透鏡6、45度半反半透平面鏡7、第四透鏡8、高倍顯微物鏡9、待測壓電平臺10、樣品室11、第五透鏡12、低通濾波鏡片13、第六透鏡14、位置敏感探測器15和照明光源16；將激光器1發射的光束經過第一透鏡2和第二透鏡3擴束成平行光入射到第一全反射平面鏡4，經第一全反射平面鏡4反射后入射到第二全反射平面鏡5，經第二全反射平面鏡5反射后再依次經過第三透鏡6、45度半反半透平面鏡7和第四透鏡8后入射到高倍顯微物鏡9后瞳的光斑大約6mm，第三透鏡6和第四透鏡8用于擴束，45度半反半透平面鏡7用于反射光束，樣品室11放置在待測壓電平臺10上，樣品室內充滿聚苯乙烯微球懸浮液，通過物鏡9聚焦的光束捕獲微粒，經微粒散射的激光由第五透鏡12重新會聚，會聚的激光經過低通濾波鏡片13折返對準位置敏感探測器15靶面，低通濾波鏡片13為反射激光透過照明光的低通濾波鏡片，第六透鏡14將第五透鏡12后焦面的光斑共軛成像投影在位置敏感探測器15靶面上，照明光源16(的照明光)經過第五透鏡12聚焦對樣品照明，由視頻監控相機17成像并通過計算機視屏實時顯示；

步驟2、使用未經修正的三角波運動驅動樣品室周期性運動，根據視頻監控相機17和位置敏感探測器15同時監控被光阱捕獲微粒的位置，測定在位置敏感探測器15上電壓轉換為位移的比例系數β；

步驟3、發送特定振幅A和頻率f_d的正弦波驅動待測的壓電平臺10，用位置敏感探測器15測量阱中微粒的位置信號，其功率譜P(f)與頻率f滿足，P(f)＝P_thermal(f)+P_force(f)，其中受限熱運動的功率譜f_c為顆粒在光阱中的特征頻率；受迫運動的功率譜δ為脈沖函數；P(f)＝β²P^volt(f)，β為探測器的電壓比例系數，P^volt(f)為探測器實測的電壓信號的功率譜；根據洛侖茲線型擬合為B為擬合參數，獲得實際運動幅度其中

其中，該方法可以校準電動平臺的位移。

其中，該方法通過校準的壓電平臺位移參數，運用該原理發送特定頻率和振幅的運動信號，可原位標定光阱俘獲不同大小微粒時位置探測器件的比例系數β、微粒半徑和光阱剛度κ＝2πk_BTf_c/D。

本發明的優點和積極效果為：