[发明专利]光镊系统微粒轴向纳米级位移测量方法

说明书

本发明涉及一种光镊系统微粒轴向纳米级位移测量方法，包括下列步骤：在光镊系统的成像光路探测端放置CMOS相机，运行光镊系统；固定待测微粒；测量标定；测量参数设定及优化；对于实时微粒的图像，按照以上优化好的图像处理参数得到实时的平方梯度值；将平方梯度值代入拟合关系式中，最终得微粒的实时轴向位置。

技术领域

本发明涉及光镊检测技术领域，尤其涉及一种微粒轴向位置测量方法。

背景技术

常规光镊系统多数为生物力谱测试实验而设计的。采用二维操控微粒技术，关注粒子横向位置的动态测量。通常情况下系统的主要性能指标就是横向位移分辨力，并且系统也是主要围绕这个进行搭建，探测器和控制部件都是围绕这两个方向位移的测量而选取使用的。而越来越多的生物测试需求对粒子的轴向纳米级运动提出了新的测量需求，要求在现有光镊技术基础上集成微粒的轴向测量能力。

液体环境中的粒子三维定位及跟踪方法包括：临界角法，数字全息显微法，立体成像法，色彩共焦系统法，散射光干涉法等。这些方法更改系统结构，增加探测器件，直接引用到光镊系统上会对原系统产生影响。现有技术的光学测量方法通常存在着测试流程复杂，耗时高，影响原系统，适用条件严格等缺点。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种光镊系统中微粒轴向位置的测量方法，具有测试简单，适用性强的优点。技术方案如下：

一种光镊系统微粒轴向纳米级位移测量方法，包括下列步骤：

(1)在光镊系统的成像光路探测端放置CMOS相机，运行光镊系统；

(2)固定待测微粒

1)将被测样品池装载到位移台上；

2)控制位移台，使其沿轴向方向运动Z₀，使光阱的中心位置到载玻片的距离为Z₀；

3)使用光阱捕获单个微粒；

4)计算整个光镊系统的景深DOF，根据景深DOF选取标定范围Z_c并选取微粒偏移光阱中心位移量Δz；

5)调节位移台的轴向位置，使其向着微粒的方向移动Z₀'：Z₀'＝Z₀-R_p+Δz，其中，Z₀为初始阱的中心位置到载玻片的距离，R_p为已知被测试粒子的半径；

(3)测量标定

1)使位移台以预设的步进精度沿轴向标定方向运动，每当位移台运动到一个新位置Z，CMOS相机记录全视场成像并剪裁被测对象成像部分的图像；

2)将采集的被测对象成像部分的图像滤波去噪，计算每一副图像的平方梯度G_{sq_grad}；

(3)、将G_{sq_grad}值归一化并与微粒的轴向位置对应，将二者的函数关系进行线性拟合，得出：G_n＝kz+b，其中:G_n为归一化后的梯度值，k，b为线性拟合系数；

(4)测量参数设定及优化

1)计算线性拟合产生的残差平方和，并计算其2范数得到测量偏差S；

2)利用线性拟合得到的斜率的绝对值k以及S构成系统优化判据：S49.5k；

3)不断调试粒子形貌参数以及图像处理参数，直到拟合直线满足优化判据；

(5)测量结果

1)对于实时微粒的图像，按照以上优化好的图像处理参数得到实时的平方梯度值；