[发明专利]一种二维表面等离子体最佳激发角位置的高精度识别方法

说明书

该发明公开了一种二维表面等离子体(SPR)最佳激发角位置的高精度识别方法。所述方法包括：通过局部二值化和霍夫变换粗略定位出通光孔径圆的位置，并将与物镜后焦面共轭的图像传感器采集到的物镜后焦面图像裁剪为包含了通光孔径圆的W×W正方形矩阵图像；通过局部二值化提高通光孔径和通光孔径外部分的对比度并应用霍夫变换检测通光孔径的圆心及半径；统计通光孔径内沿半径方向的灰度值分布，估计SPR最佳激发角所在圆的粗略半径；在此基础上结合形态学方法确定SPR最佳激发角附近像素的灰度分布；最后，利用最小二乘方法计算出最佳激发角所在圆的圆心及半径，得到SPR最佳激发角精确位置。

技术领域

本发明涉及纳米光学检测技术领域，尤其涉及二维表面等离子体最佳激发角特征提取的方法。

背景技术

表面等离子体(Surface Plasmon Resonance，SPR)是金属表面的自由电子流在外部电场如电子流或入射光场等的作用下进行规则的振荡运动而形成的一种表面电磁波，能够纳米薄膜或结构进行精确地定量表征，在生物医学、材料、化学等领域有广泛的应用。常用的SPR耦合方法有棱镜式和高数值孔径(NA)油浸显微物镜耦合两种，其中棱镜耦合SPR技术对应的SPR最佳激发角特征通常是一条黑色的光带，识别方式简单且已相对成熟。显微物镜耦合SPR技术是一种新型的高分辨率纳米检测技术，能够实现横向结构在亚纳米尺度的高分辨率检测，其对应的SPR最佳激发角特征是包含在系统通光孔径内的一个二维圆环(径向偏振入射)或圆弧(线性偏振入射)吸收带。针对这一类型的二维SPR最佳激发角图谱，目前通常采用人工识别或者进行一维粗略识别的方法。本发明提出了一种二维SPR最佳激发角位置高精度自动识别方法，能够对二维的通光孔径边界和SPR最佳激发角图谱位置分别进行精确的定位和识别，通过该方法，能对后焦面上最佳激发角的位置信息进行全面的提取，对比传统的对通光孔径半径方向的一维提取，该方法具有精度高、可以完成对后焦面信息全面提取以及能实现大批量图像的全自动快速识别等优点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

目前对后焦面图像的处理通常采用人工识别或者进行一维粗略识别的方法，操作繁琐且难以实现自动化地高精度检测。为解决二维SPR最佳激发角位置的精确识别问题，本发明提供了一种高精度的二维SPR最佳激发角位置自动识别方法。

(二)技术方案

为了达成上述目的，本发明提供如下的方案：

步骤1：获得图像传感器采集的后焦面图像数据，转为双精度图像数据矩阵并进行归一化处理；

步骤2：归一化后的图像分成不同的子块，进行全局阈值与局部阈值相结合的二值化处理，以此保证二值化后的通光孔径清晰区别于通光孔径外部分；以二值化之后图像的左上角为原点，x、y轴正方向分别为右、下方向建立坐标系；

步骤3：采用霍夫变换对通光孔径边界进行粗定位，检测到通光孔径的圆心(x₀,y₀)和半径R₀，依据此粗定位结果，以圆心为中心，取裕量ΔR并以2(R₀+ΔR)为边长W，将原始图像裁剪为W×W大小的正方形图像，裁减掉大量通光孔径外部分，建立以新的正方形矩阵左上角为原点的新坐标系；

步骤4：对裁剪后图像进行局部二值化处理，使通光孔径明显区分于通光孔径外部分。局部二值化时需设置图像分块大小，将图像分为N个区域并单独设置阈值，以此保证二值化后通光孔径圆斑的轮廓清晰，减小背景噪声的影响。对二值化结果直接进行霍夫变换，即可得到通光孔径边界的精密位置；

步骤5：将通光孔径边界与SPR最佳激发角所在圆两圆视为同心，计算通光孔径内部沿半径方向的灰度值分布，得到SPR最佳激发角附近灰度值有一个明显的凹陷，此处即为SPR最佳激发角所在圆的粗略半径，得到粗估计值R₂；