一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法
【专利摘要】本发明提供一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法，该方法通过分析光镊系统中被俘获标准尺寸小球的布朗运动的位置信号，可以高精度检测压电平台运动位移幅度和频率。该方法除了需要被检测的压电平台外，还需要在显微成像下利用激光俘获标准微粒，并采用探测器快速探测微粒的位置运动信号。通过压电平台发送低频固定振幅的运动信号驱动样品室运动，光阱中被俘获微粒受到流体周期性粘滞阻力的作用，检测微粒的运动信号可校准位置敏感探测器的电压比例系数。然后再次用压电平台发送信号驱动样品室运动，分析被捕获微粒的功率谱，并将功率谱尖峰与本底热噪声比较反演出压电平台运动位移的真实幅度，尖峰所在频率即为压电平台运动的频率。
【专利说明】一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学高精度位移检测和光学微操纵【技术领域】，具体涉及一种基于光学 俘获的原位校准压电平台位移的方法。
【背景技术】
[0002] 压电平台在生物显微镜、光镊和原子力显微镜等需要精密控制位移的仪器上有着 广泛应用。压电平台有着纳米运动的精度，但在实际使用时，受到环境和固定耦合件等各种 因素的影响，驱动所承载固定件或样品运动幅度与仪器驱动标称值会有偏差，这种偏差会 导致压电平台作为准确测量仪器用于标定其它信号时会传递较大的误差。对光镊和原子力 显微镜系统，许多参数的校准都依赖压电平台精确运动的幅度，因此，压电平台自身运动幅 度的偏差导致后续校准参数偏离正常值。
[0003] 压电平台仪器出厂时有各种检测方法，最常用的光学干涉法校准压电陶瓷的运动 信号具有很高精度。但在实际使用中，用该方法校准压电平台上样品室的运动幅度存在一 定困难，如压电平台的运动幅度受到运动过程和运动方向的影响。采用粘底微粒检测运动 幅度的图像法，检测精度依赖微粒位置的精度，难以分析较高频率下微粒的运动。
[0004] 本发明基于光学俘获提出在实际工作环境中检测压电平台特性的方法，即原位校 准压电平台位移法，将待测压电平台和样品室安装在带有光电探测位移的光镊系统上，通 过本发明提出的一套标准操作流程和数据分析，即实现对压电平台位移的高精度检测。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的提供一种原位检测压电平台位移的方法，该方法对平台位移特性的 检测具有普实性，适用于进行微小位移的精密测量系统。该方法还适合利用平台提供的高 精度位移测量提升单分子检测中力谱的精度。
[0006] 本发明的原理在于：
[0007] 本发明利用光镊检测压电平台真实运动幅度和频率流程，见图1。利用压电平台驱 动样品室运动，利用光镊检测被捕获微粒的受限布朗运动，根据流体力学法校准位置探测 器的电压比例系数，反过来用校准的比例系数分析在压电平台驱动下受限微粒运动信号的 功率谱，获得真实运动幅度。
[0008] 本发明采用的技术方案为：该方法的步骤如下：
[0009] 步骤1、构建光镊系统包括激光器（1)、第一透镜（2)、第二透镜（3)、第一全反射平 面镜（4)、第二全反射平面镜（5)、第三透镜（6)、45度半反半透平面镜（7)、第四透镜（8)、 高倍显微物镜（9)、待测压电平台（10)、样品室（11)、第五透镜（12)、低通滤波镜片（13)、第 六透镜（14)、位置敏感探测器（15)和照明光源（16);将激光器⑴发射的光束经过第一透 镜（2)和第二透镜（3)扩束成平行光入射到第一全反射平面镜（4)，经第一全反射平面镜 (4)反射后入射到第二全反射平面镜（5)，经第二全反射平面镜（5)反射后再依次经过第三 透镜（6)、45度半反半透平面镜（7)和第四透镜（8)后入射到高倍显微物镜（9)后瞳的光 斑大约6mm，第三透镜（6)和第四透镜（8)用于扩束，45度半反半透平面镜（7)用于反射光 束，样品室（11)放置在待测压电平台（10)上，样品室内充满聚苯乙烯微球悬浮液，通过物 镜（9)聚焦的光束捕获微粒，经微粒散射的激光由第五透镜（12)重新会聚，会聚的激光经 过低通滤波镜片（13)折返对准位置敏感探测器（15)靶面，低通滤波镜片（13)为反射激光 透过照明光的低通滤波镜片，第六透镜（14)将第五透镜（12)后焦面的光斑共轭成像投影 在位置敏感探测器（15)靶面上，照明光源（16)(的照明光）经过第五透镜（12)聚焦对样 品照明，由视频监控相机（17)成像并通过计算机视屏实时显示；
[0010] 步骤2、使用未经修正的三角波运动驱动样品室周期性运动，根据视频监控相机 (17)和位置敏感探测器（15)同时监控被光阱捕获微粒的位置，测定在位置敏感探测器 (15)上电压转换为位移的比例系数3 ;
[0011] 步骤3、发送特定振幅A和频率fd的正弦波驱动待测的压电平台（10)，用位 置敏感探测器（15)测量阱中微粒的位置信号，其功率谱P(f)与频率f满足，P(f)=
【权利要求】
1. 一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法，其特征在于：该方法的步骤如 下： 步骤1、构建光镊系统包括激光器（1)、第一透镜（2)、第二透镜（3)、第一全反射平面镜 (4)、第二全反射平面镜（5)、第三透镜（6)、45度半反半透平面镜（7)、第四透镜（8)、高倍显 微物镜（9)、待测压电平台（10)、样品室（11)、第五透镜（12)、低通滤波镜片（13)、第六透镜 (14)、位置敏感探测器（15)和照明光源（16);将激光器（1)发射的光束经过第一透镜（2) 和第二透镜（3)扩束成平行光入射到第一全反射平面镜（4)，经第一全反射平面镜（4)反 射后入射到第二全反射平面镜（5)，经第二全反射平面镜（5)反射后再依次经过第三透镜 (6)、45度半反半透平面镜（7)和第四透镜（8)后入射到高倍显微物镜（9)后瞳的光斑大约 6mm，第三透镜（6)和第四透镜（8)用于扩束，45度半反半透平面镜（7)用于反射光束，样品 室（11)放置在待测压电平台（10)上，样品室内充满聚苯乙烯微球悬浮液，通过物镜（9)聚 焦的光束捕获微粒，经微粒散射的激光由第五透镜（12)重新会聚，会聚的激光经过低通滤 波镜片（13)折返对准位置敏感探测器（15)靶面，低通滤波镜片（13)为反射激光透过照明 光的低通滤波镜片，第六透镜（14)将第五透镜（12)后焦面的光斑共轭成像投影在位置敏 感探测器（15)靶面上，照明光源（16)的照明光经过第五透镜（12)聚焦对样品照明，由视 频监控相机（17)成像并通过计算机视屏实时显示； 步骤2、使用未经修正的三角波运动驱动样品室周期性运动，根据视频监控相机（17) 和位置敏感探测器（15)同时监控被光阱捕获微粒的位置，测定在位置敏感探测器（15)上 电压转换为位移的比例系数3 ; 步骤3、发送特定振幅A和频率fd的正弦波驱动待测的压电平台（10)，用位置 敏感探测器（15)测量阱中微粒的位置信号，其功率谱P(f)与频率f满足，P(f)=
PthOTal⑴+Pf_⑴，其中受限热运动的功率谱为 f。为颗粒在光阱 J
为探测器的电压比例系数，PV°U(f)为探测器实测的电压信号的功率谱；根据 洛仑兹线型拟合为
、B为拟合参数，获得
，实际 中的特征频率；受迫运动的功率谱 S为脉冲函数；P(f)= * 运动幅度
2. 根据权利要求1所述一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法，其特征在 于：该方法可以校准电动平台的位移。
3. 根据权利要求1所述一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法，其特征 在于：该方法通过校准的压电平台位移参数，运用该原理发送特定频率和振幅的运动信号， 可原位标定俘获不同大小微粒时位置探测器件的比例系数0、微粒半径和光阱刚度k= 2JrkBTfc/D。
【文档编号】G01B11/02GK104406528SQ201410685964
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】周金华, 李迪, 李银妹, 钟敏成, 王自强 申请人:中国科学技术大学