专利名称：一种一维光阱微粒位移检测方法
技术领域：
本发明涉及光电子技术中光传感的领域，尤其涉及一种一维光阱微粒位移检测方法。
背景技术：
光具有能量和动量，携带动量的光与物质相互作用时会有动量的传递，从而表现为光对物体施加一力，并由此引起物体的位移和速度的改变，称之为光的力学效应。光的力学效应是当今科学技术研究的前沿问题，对它的研究与应用已经对很多学科产生了重大而深远的影响。1986年美国贝尔实验室科学家A.Ashkin发明了光阱技术之后，光阱成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。近20年来光阱技术的研究和应用得到了迅速的发展，由于光阱技术兼有微纳米尺度粒子的捕获和皮牛顿量级力的测量两项功能，目前已被广泛应用于物理、化学和生命科学等研究领域。近年来，将光阱技术应用于传感领域特别是惯性测量领域的研究引起了众多国内外科学家的重视，基于光阱技术的新型光学加速度计为新一代加速度计和全光学惯性测量单元的实现提供了一个全新的发展方向。处于光讲中的微粒，由于激光光强的不稳定及微粒自身的布朗运动，微粒会在平衡位置附近作无规则运动，引起微粒的位移误差，给光阱的应用尤其是传感领域的应用带来很大的制约，因此快速检测及分析光阱中微粒的位移不稳定度成为光阱力传感技术关键；光阱中微粒位置随着外界条件变化而变化是光阱力传感技术的核心，因此光阱中微粒位移的快速检测成为光阱力传感技术的另一大关键。光阱中微粒位移的快速检测已经成为光阱力传感技术发展最亟待解决的问题之
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发明内容
本发明的目的是针对光阱力传感技术发展过程中遇到的问题，提供了一种一维光阱微粒位移检测方法。一种一维光阱微粒位移检测方法的步骤如下:I)调整显微镜使微粒在拍摄过程中始终处于视场中，将显微镜物镜对准包含微粒的一维光阱区域，打开CCD采集光阱中微粒位移视频，并由计算机进行处理；2)取视频各帧图像进行处理，对于一维光阱，只考虑X方向的微粒位移，将每帧图像的二维数据进行降维处理，即将每列的数据相加求平均作为该列的像素值，由此得到X方向的一维等效图像数据，若所取帧为视频第一帧，则在缓存中保存该帧一维等效图像数据，并将第一帧微粒所处位置定义为初始参考位置；3)若所取帧不是第 一帧，设定归一化互相关函数参数k的范围[_a，a]，a为正整数，其值大于微粒可能取到的最大位移，归一化互相关函数参数范围的选择根据CCD分辨率、微粒尺寸及微粒最大位移确定，在参数k属于[_a，a]范围内计算该帧一维等效图像数据与第一帧一维等效图像数据的归一化互相关函数，则归一化互相关函数取最大值时对应的参数k的值h即为微粒的相对于初始参考位置的位移，此位移的精度为像素级别；4)取1 左右各b个点的k值作为自变量，对应的归一化互相关函数值作为应变量进行二次曲线拟合，拟合可采用最小二乘法进行，找出拟合得到的二次曲线的最高点，此最高点对应的参数k的值km即为微粒的相对于初始参考位置的亚像素精度的位移，其中b为正整数，其取值规则为:若k0+a >= 10且|kQ-a| >= 10，令b=10 ;否则，令b=min (I k0+a I，|k0_a|)；5)取下一帧，重复步骤3)、步骤4)，若该帧为不是视频最后一帧，重复步骤5)，否则进行步骤6)；6)视频处理结束，汇总并保存微粒位移信息。本发明的有益效果:本发明通过CCD采集光阱中微粒位移视频，通过数据降维处理算法将复杂的二维图像数据转换为简单的一维数据，并采用数字图像处理技术解调出视频每帧微粒位移相对于微粒初始参考位置的位移，从而得到整个视频拍摄过程中微粒的位移信息，为分析光阱中微粒位置稳定度和检测光阱中微粒位移提供了一种快速、行之有效的方法，为光阱传感技术的发展创造了良好的条件。本发明中的微粒位移检测方法同样适用于二维光阱的微粒位移检测，只需在两个方向分别求取一维的位移即可。
图1是一维光阱微粒位移检测系统原理示意图；其中I为可调激光光源，2为光隔离器，3为CXD采集显微镜，4为测试计算机，5为一维光纤光阱系统基片。图2_a是直接互相关函数计算结果示意
图2_b是归一化互相关函数计算结果示意图；图2-c是归一化协方差互相关函数计算结果示意图；图3是一维光阱微粒位移检测方法流程示意图。
具体实施例方式图1为一维光阱微粒位移检测系统原理示意图。一维光阱微粒位移检测系统包括可调激光光源1、光隔离器2、一维光纤光讲系统基片5、CCD米集显微镜3、测试计算机4。一维光纤光阱系统基片包括带“十”字凹形槽的玻璃底片、微粒、微粒悬浮液及两根相对的光纤。实验中所选微粒为聚苯乙烯微粒、碳化硅或二氧化硅微粒，其尺寸为1(Γ20微米，实验时在光阱捕获到微粒后调节激光功率使微粒尽量保持在视场中心位置；微粒悬浮液为去离子水、KOH溶液或NaCl溶液；两根光纤可放置在“十”字凹形槽的任意一条槽中，实验时尽量使“十”字中心位于显微镜中心视场中心，且保证两根光纤基本对齐。打开可调激光器，调整两束光的光强，使微粒保持在光阱中央位置，打开显微镜和测试计算机的CCD成像软件，调节显微镜使微粒位于视场中央且成像清晰，打开微粒视频处理软件进行微粒视频处理获取微粒位移信息。基本原理:设视频第一帧所提取图像的灰度分布函数为fjx，y)，视频其它帧所提取图像的灰度分布函数为fn(x，y)，图像数据为二维数据，若对二维数据直接求取二维互相关函数，则运算效率大大降低，将大大影响位移检测的时间分辨率。故在此对数据进行降维处理，设一维光阱方向为X方向，则令:
权利要求
1.一种一维光阱微粒位移检测方法，其特征在于它的步骤如下: 1)调整显微镜使微粒在拍摄过程中始终处于视场中，将显微镜物镜对准包含微粒的一维光阱区域，打开CCD采集光阱中微粒位移视频，并由计算机进行处理； 2)取视频各帧图像进行处理，对于一维光阱，只考虑X方向的微粒位移，将每帧图像的二维数据进行降维处理，即将每列的数据相加求平均作为该列的像素值，由此得到X方向的一维等效图像数据，若所取帧为视频第一帧，则在缓存中保存该帧一维等效图像数据，并将第一帧微粒所处位置定义为初始参考位置； 3)若所取帧不是第一帧，设定归一化互相关函数参数■fc的范围[_a，a]，a为正整数，其值大于微粒可能取到的最大位移，归一化互相关函数参数范围的选择根据CCD分辨率、微粒尺寸及微粒最大位移确定，在参数i属于[_a，a]范围内计算该帧一维等效图像数据与第一帧一维等效图像数据的归一化互相关函数，则归一化互相关函数取最大值时对应的参数r的值知即为微粒的相对于初始参考位置的位移，此位移的精度为像素级别； 4)取知左右各b个点的t值作为自变量，对应的归一化互相关函数值作为应变量进行二次曲线拟合，拟合可采用最小二乘法进行，找出拟合得到的二次曲线的最高点，此最高点对应的参数t的值即为微粒的相对于初始参考位置的亚像素精度的位移，其中b为正整数，其取值规则为:若丨知+ (丨>=〗0且|.%^|>=10,令b=10 ;SM，$b=min(|A0+M,l^o-^l ); 5)取下一帧，重复步骤3)、步骤4)，若该帧为不是视频最后一帧，重复步骤5)，否则进行步骤6)； 6)视频处理结束，汇总并保存微粒位移信息。
2.根据权利要求1所 述的一维光阱微粒位移检测方法，其特征在于，结合两个正交方向的所述的一维光阱微粒位移得到二维光阱的微粒位移。
全文摘要
本发明公开了一种一维光阱微粒位移检测方法。本方法通过CCD采集得到光阱中微粒的运动视频，对视频的每一帧提取图像信息，并对每一帧提取的图像进行数字图像处理，从而得到光阱中微粒的实时位移信息。本发明采用图像数据降维处理的方法，将复杂的二维运算转换为简单的一维运算，大大降低了运算的复杂度，并通过数字图像处理方法得到亚像素级别的光阱微粒位移信息，为分析光阱中粒子位置稳定度和光阱力传感技术奠定了基础。本发明的方法同样适用于二维光阱的微粒位移检测。
文档编号G01B11/02GK103162629SQ201310042348
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者胡慧珠, 缪立军, 舒晓武, 刘承 申请人:浙江大学