一种压电驱动测量跟踪方法、系统及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种压电驱动测量跟踪方法、系统及使用方法，属于测量控制【技术领域】。所述压电驱动测量跟踪系统包括中央监控器、摄像机、成像管装置、压电装置、物镜及电压放大器；摄像机与中央监控器连接；中央监控器与电压放大器连接，中央监控器通过电压控制电压放大器；电压放大器与压电装置连接；物镜设置在压电装置下方，压电装置带动所述物镜动作；成像管装置与压电装置连接；摄像机与成像管装置连接。本发明压电驱动测量跟踪方法及系统可采用两种方法自动跟踪观测不同位置的物体，时间分辨率可达到毫秒，空间分辨率可达到3纳米，尤其适合观察微米纳米物质的运动变化。
【专利说明】一种压电驱动测量跟踪方法、系统及使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量控制【技术领域】，特别涉及一种压电驱动测量跟踪方法、系统及使 用方法。
【背景技术】
[0002] 自上世纪90年代以来，随着显微操控和精密测量技术的发展，物理、化学和生命 等学科的研究和工程应用逐渐深入到微米纳米或者说单个分子水平。在单分子水平的研究 清晰的揭示了分子的结构、功能和运动，从本质上解释了分子体系和物质的物理化学现象， 有关研究成果呈爆炸式增长。常用的单分子操控设备有：玻璃微针、原子力显微镜、光蹑、磁 镊等。这些设备一般要对微米纳米尺度的物质进行动态观测和操作控制，对时间和空间分 辨率的要求越来越高。
[0003] 以目前已出现的光镊和磁镊为例，包括成像装置、操控和施力装置、样品槽等。选 用图像传感器来记录物体运动，实时传送到中央监控器上进行图像处理和计算。物体可以 是直径若干微米的微珠，细胞，PM2. 5颗粒物，或者荧光分子。这种装置和方法的精确度一 般只能达到几十纳米，测量速度依赖于传感器的响应速度，比较慢。这种分辨率制约了前沿 科技的研究。而且，现有技术一般只能观测固定位置的微颗粒物，微颗粒物发生位移时，需 要手工调整观测系统，操作不太方便。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种可自动跟踪观测不同位置的物体，且时间 和空间分辨率高，适合观察微米纳米物质的运动变化的压电驱动测量跟踪方法、系统及使 用方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种压电驱动测量跟踪系统，包括中央监控 器、摄像机、成像管装置、压电装置、电压放大器及物镜；所述摄像机与所述中央监控器连 接，将拍摄的图片信号传递给所述中央监控器；所述中央监控器与所述电压放大器连接，所 述中央监控器通过电压控制所述电压放大器；所述电压放大器与所述压电装置连接，通过 电压使所述压电装置产生形变；所述物镜设置在所述压电装置下方，所述压电装置带动所 述物镜运动；所述成像管装置设置在所述压电装置的上方，所述成像管装置采集所述物镜 观测的图像信号；所述摄像机与所述成像管装置连接，所述摄像机拍摄所述成像管装置的 成像。
[0006] 进一步地，所述中央监控器包括图像处理模块及压电驱动模块；所述图像处理模 块对摄像机拍摄的图像进行图像处理，分析出物体图像谱变化；所述压电驱动模块控制压 电装置运动进一步地，所述成像管装置包括丁字形成像管，所述丁字形成像管一端与所述 摄像机连接，另一端与所述压电装置连接。
[0007] 进一步地，所述压电装置包括压电陶瓷；所述压电陶瓷为环形；所述压电陶瓷一 端与所述丁字形成像管连接，另一端与所述物镜连接。
[0008] 根据本发明的一个方面，提供一种压电驱动测量跟踪系统的使用方法，包括步骤 1. 1，物镜和丁字形成像管把物体的像投到摄像机，摄像机将物体的像传输给中央监控器的 图像处理模块，进行图像处理，中央监控器的压电驱动模块通过控制电压放大器驱动压电 陶瓷带动物镜运动，分别选择底部参照物和待测物体；步骤1. 2,中央监控器分析出物体图 像谱，再通过电压放大器控制压电陶瓷形变，带动目镜动作，不断反馈各个位置的图像；步 骤1. 3,中央监控器输出物体位移值，并驱动物镜到达适宜观察物体的位置，进行跟踪。
[0009] 进一步地，所述步骤1. 1包括物镜和丁字形成像管把物体的像投到摄像机，再传 输给中央监控器的图像处理模块，进行图像处理；中央监控器的压电驱动模块通过控制电 压放大器，使压电陶瓷产生形变，改变物镜的位置，聚焦到底部参照物，同时记录压电陶瓷 位移；再通过中央控制器调整压电陶瓷和物镜，选择一个待测的物体并聚焦，同时记录压电 陶瓷位移。
[0010] 进一步地，所述步骤1.2包括中央监控器通过压电陶瓷改变物镜的位置，在底部 参照物聚焦平面附近连续扫描，计算出各个位置的图像谱，选出标准的图像谱，输出该谱对 应的压电陶瓷参照位移值；中央监控器通过压电陶瓷改变物镜的位置，在待测物体聚焦平 面附近连续扫描，计算出各个位置的图像谱，选出标准的图像谱，输出该谱对应的压电陶瓷 目标位移值；压电陶瓷目标位移值与压电陶瓷参照位移值之间的距离就是物体的位移。
[0011] 进一步地，所述步骤1. 3包括根据物体的动态位移，中央监控器驱动压电陶瓷和 镜头移动到适合观察的位置，实现动态跟踪。
[0012] 根据本发明的一个方面，提供一种压电驱动测量跟踪方法包括步骤2. 1，建立物体 的一系列位移与一系列图像谱的测量标准；步骤2. 2,物镜和丁字形成像管把物体的像投 到摄像机，再传输给中央监控器的图像处理模块，进行图像处理，实时测量物体的图像谱， 并与测量标准做比对，输出位移。
[0013] 进一步地，所述步骤2. 1包括选择一个底部的参照物，再选择一个近处待测的物 体，在两个颗粒物之间，压电陶瓷驱动物镜和聚焦平面移动，图像谱随位移逐渐变化，建立 图像谱与物体位移的相关标准。
[0014] 本发明提供的一种压电驱动测量跟踪方法、系统及使用方法的摄像机与中央监控 器连接，将拍摄的图片信号传递给中央监控器；中央监控器与电压放大器连接，中央监控器 通过电压控制电压放大器；电压放大器与压电装置连接，通过电压使压电装置产生形变； 物镜设置在压电装置下方，压电装置带动所述物镜动作；成像管装置与压电装置连接，成像 管装置采集所述物镜观测的图像信号；摄像机与成像管装置连接，摄像机拍摄所述成像管 装置的成像，可自动跟踪观测不同位置的物体，尤其适合观察微米纳米物质的运动变化。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明实施例提供的压电驱动测量跟踪系统的结构示意图；
[0016] 图2为本发明实施例提供的压电驱动测量跟踪系统的工作流程图；
[0017] 图3为本发明实施例提供压电陶瓷及物镜的主视图；
[0018] 图4为图3的俯视图；
[0019] 图5为本发明实施例提供的优化的压电驱动测量跟踪系统的标准参考图。
【具体实施方式】
[0020] 参见图1，本发明实施例提供的一种压电驱动测量跟踪系统，包括中央监控器1、 摄像机2、成像管装置、压电装置、电压放大器6及物镜5。摄像机2与中央监控器1连接， 将拍摄的图片信号传递给中央监控器1 ;中央监控器1包括图像处理模块及压电驱动模块； 图像处理模块对摄像机拍摄的图像进行图像处理，分析出物体图像谱变化。中央监控器1 与电压放大器6连接，中央监控器1通过电压控制电压放大器6 ;电压放大器6与压电装置 连接，通过电压使压电装置产生形变；压电装置包括压电陶瓷4 ;压电陶瓷4为环形；压电 陶瓷4下端与物镜5连接；压电驱动模块控制压电陶瓷4运动。物镜5设置在压电陶瓷4 下方，压电陶瓷4带动物镜5运动。成像管装置设置在压电装置的上方，成像管装置采集物 镜5观测的图像信号；摄像机2与所述成像管装置连接，摄像机2拍摄成像管装置的成像， 成像管装置包括丁字形成像管3, 丁字形成像管3 -端与所述摄像机2连接，另一端与压电 陶瓷4连接。不同倍率的物镜、成像管配合，可以观测微米纳米尺度的物体，也可以观测若 干米甚至千米的物体，在中央控制器中适当设置压电陶瓷位移对应的实际物体位移，本发 明压电驱动测量跟踪系统可以测量和跟踪若干纳米至若干千米范围内的物体。
[0021] 参见图2-4,摄像机2拍摄被测物体照片，将图片信号传输给中央监控器1，进行图 像处理；根据图像谱，中央监控器1的压电驱动模块通过控制电压放大器6,使压电陶瓷4 产生形变。压电陶瓷4为环形，这样不但可以使物镜5在压电陶瓷4产生形变时改变位置， 同时也不会影响图像的采集。物镜5的位置改变导致摄像机2拍摄的图像改变，不断反馈 到中央处理器。这样不仅实现摄像机2的自动聚焦，而且可以用来跟踪观测样品池7中或 者远处不同位置的物体。
[0022] 发明实施例提供了一种压电驱动测量跟踪系统使用方法，包括：
[0023] 步骤1. 1，物镜5和丁字形成像管3把物体的像投到摄像机2,再传输给中央监控 器1的图像处理模块，进行图像处理；中央监控器1的压电驱动模块通过控制电压放大器 6,使压电陶瓷4产生形变，改变物镜5的位置，聚焦到底部参照物，同时记录压电陶瓷位移； 再通过中央控制器1调整压电陶瓷和物镜，选择一个待测的物体并聚焦，同时记录压电陶 瓷4位移。
[0024] 步骤1. 2,中央监控器1分析出物体图像谱，再通过电压放大器控制压电陶瓷4形 变，带动目镜5动作，不断反馈各个位置的图像；中央监控器1通过压电陶瓷4改变物镜5 的位置，在底部参照物聚焦平面附近连续扫描，计算出各个位置的图像谱，选出标准的图像 谱，输出该谱对应的压电陶瓷参照位移值；中央监控器1通过压电陶瓷4改变物镜5的位 置，在待测物体聚焦平面附近连续扫描，计算出各个位置的图像谱，选出标准的图像谱，输 出该谱对应的压电陶瓷4目标位移值；压电陶瓷4目标位移值与压电陶瓷4参照位移值之 间的距离就是物体的位移。
[0025] 步骤1. 3,中央监控器1输出物体位移值，并驱动物镜5到达适宜观察物体的位置， 进行跟踪；根据物体的动态位移，中央监控器1驱动压电陶瓷4带动物镜5移动到适合观察 的位置，实现动态跟踪。
[0026] 本压电驱动测量跟踪系统使用方法测量的精确度能达到约10纳米。
[0027] 发明实施例提供了一种压电驱动测量跟踪方法，包括：
[0028] 步骤2. 1，建立物体的一系列位移与一系列图像谱的测量标准；选择一个底部的 参照物，再选择一个近处待测的物体，在两个颗粒物之间，压电陶瓷驱动物镜和聚焦平面移 动，图像谱随位移逐渐变化，建立图像谱与物体位移的相关标准。
[0029] 步骤2. 2,物镜和丁字形成像管把物体的像投到摄像机，再传输给中央监控器的图 像处理模块，进行图像处理，实时测量物体的图像谱，并与测量标准做比对，输出位移。
[0030] 这样，不需要移动物镜，图像处理结束即完成测量，所需时间短，时间分辨率可达 到毫秒。根据图像谱和位移相关性曲线，可以分割成小至3纳米的线段，达到的超高空间分 辨率。
[0031] 本发明提供的一种压电驱动测量跟踪系统的摄像机与中央监控器连接，将拍摄的 图片信号传递给中央监控器；中央监控器与电压放大器连接，中央监控器通过电压控制电 压放大器；电压放大器与压电装置连接，通过电压使压电装置产生形变；物镜设置在压电 装置下方，压电装置带动所述物镜动作；成像管装置与压电装置连接，成像管装置采集所述 物镜观测的图像信号；摄像机与成像管装置连接，摄像机拍摄所述成像管装置的成像，可自 动跟踪观测不同位置的物体，尤其适合观察微米纳米物质的运动变化。
[0032] 最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1. 一种压电驱动测量跟踪系统，其特征在于，包括：中央监控器（1)、摄像机（2)、成像 管装置、压电装置、物镜（5)及电压放大器（6);所述摄像机（2)与所述中央监控器（1)连 接，将拍摄的图片信号传递给所述中央监控器（1);所述中央监控器（1)与所述电压放大器 (6)连接，所述中央监控器（1)通过电压控制所述电压放大器（6);所述电压放大器（6)与 所述压电装置连接，通过电压使所述压电装置产生形变；所述物镜（5)设置在所述压电装 置下方，所述压电装置带动所述物镜（5)动作；所述成像管装置与所述压电装置连接，所述 成像管装置采集所述物镜（5)观测的图像信号；所述摄像机（2)与所述成像管装置连接，所 述摄像机（2)拍摄所述成像管装置的成像。
2. 根据权利要求1所述的压电驱动测量跟踪系统，其特征在于：所述中央监控器包括 图像处理模块及压电驱动模块；所述图像处理模块对摄像机拍摄的图像进行图像处理，分 析出物体图像谱；所述压电驱动模块控制压电装置动作。
3. 根据权利要求1所述的压电驱动测量跟踪系统，其特征在于：所述成像管装置包括 丁字形成像管（3)，所述丁字形成像管（3) -端与所述摄像机（2)连接，另一端与所述压电 装置连接。
4. 根据权利要求3所述的压电驱动测量跟踪系统，其特征在于：所述压电装置包括压 电陶瓷（4);所述压电陶瓷（4)为环形；所述压电陶瓷（4) 一端与所述丁字形成像管（3)连 接，另一端与所述物镜（5)连接。
5. -种压电驱动测量跟踪系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1. 1，物镜（5)和丁字形成像管（3)把物体的像投到摄像机（2)，摄像机（2)将物 体的像传输给中央监控器（1)的图像处理模块，进行图像处理，中央监控器（1)的压电驱动 模块通过控制电压放大器（1)驱动压电陶瓷（4)带动物镜（5)运动，分别选择底部参照物 和待测物体； 步骤1.2,中央监控器（1)分析出物体图像谱，再通过电压放大器控制压电陶瓷（4)形 变，带动物镜（5)动作，不断反馈各个位置的图像； 步骤1. 3,中央监控器（1)输出物体位移值，并驱动物镜（5)到达适宜观察物体的位置， 进行跟踪。
6. 根据权利要求5所述的压电驱动测量跟踪方法，其特征在于，所述步骤1. 1包括：物 镜（5)和丁字形成像管（3)把物体的像投到摄像机（2)，再传输给中央监控器（1)的图像处 理模块，进行图像处理；中央监控器（1)的压电驱动模块通过控制电压放大器（6)，使压电 陶瓷（4)产生形变，改变物镜（5)的位置，聚焦到底部参照物，同时记录压电陶瓷位移；再通 过中央控制器（1)调整压电陶瓷和物镜，选择一个待测的物体并聚焦，同时记录压电陶瓷 (4)位移。
7. 根据权利要求5所述的压电驱动测量跟踪方法，其特征在于，所述步骤1. 2包括：中 央监控器（1)通过压电陶瓷（4)改变物镜（5)的位置，在底部参照物聚焦平面附近连续扫 描，计算出各个位置的图像谱，选出标准的图像谱，输出该谱对应的压电陶瓷参照位移值； 中央监控器（1)通过压电陶瓷（4)改变物镜（5)的位置，在待测物体聚焦平面附近连续扫 描，计算出各个位置的图像谱，选出标准的图像谱，输出该谱对应的压电陶瓷（4)目标位移 值；压电陶瓷（4)目标位移值与压电陶瓷（4)参照位移值之间的距离就是物体的位移。
8. 根据权利要求5所述的压电驱动测量跟踪方法，其特征在于，所述步骤1. 3包括：根 据物体的动态位移，中央监控器（1)驱动压电陶瓷（4)带动物镜（5)移动到适合观察的位 直，实现动态跟踪。
9. 一种压电驱动测量跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤2. 1，建立物体的位移与图像谱的测量标准； 步骤2. 2,物镜（5)和丁字形成像管（3)把物体的像投到摄像机（2)，再传输给中央监 控器（1)的图像处理模块，进行图像处理，实时测量物体的图像谱，并与测量标准做比对， 输出位移。
10. 根据权利要求9所述的压电驱动测量跟踪方法，其特征在于：所述步骤2. 1包括： 选择一个底部的参照物，再选择一个近处待测的物体，在两个物体之间，压电陶瓷（4)驱动 物镜（5)和聚焦平面移动，图像谱随位移逐渐变化，建立图像谱与物体位移的相关标准。
【文档编号】G01N21/00GK104122204SQ201410359037
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】肖波涛, 符青山 申请人:华中科技大学