基于led光源的无透镜粒子显微定位装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学测量、成像技术，特别是一种基于三色LED光源的无透镜粒子显 微定位装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 粒子显微定位是光学测量与成像的一个重要技术，无论在生物医学还是检测领 域，粒子显微定位技术都在发挥着重要的作用。纵观光学测量技术领域近半个世纪的进 展，最为经典的三维结构成像技术是断层扫描技术，但是该技术在粒子定位的应用中仍 存在其不足：首先需要对照明或者样品进行旋转才能实现某一层的平面数据，同时机械 扫描装置必然导致较低的时间效率，对于粒子的定位缺乏实时性。还有一种全息技术 的成像方法，也是三维测量的一个重要手段（[1](>)11丨611?.(^1:;^3111〇1〇8抑。117[1]· Elsevier, 2013.)。全息显微成像需要物镜作为成像放大器件，市场上的高品质显微物 镜价格普遍较高，这无疑带来了较高的制作成本。传统全息成像设备多采用激光光源，由 此引入的散斑噪声限制了其成像定位精度的提高（[2]DaintyJC.Laserspeckleand relatedphenomena[C].BerlinandNewYork,Springer-Verlag(TopicsinApplied Physics.Volume9)，1975. 298p. 1975,9.)。与此同时复杂的光源设备将对装置的灵活 性带来巨大的不便。在传统的全息干涉测量法中，因为共辄象的问题导致位于同一平面 位置但轴向位置不同的粒子之间容易互相影响，因此传统的全息干涉测量必须采用离轴 测量才能消除共辄像（[3]CucheE，MarquetP，DepeursingeC.Spatialfilteringfor zero-orderandtwin-imageeliminationindigitaloff-axisholography[J].Applied optics, 2000, 39(23) :4070-4075.)。因此，如何实现兼具快速准确，简洁高效并且低成本的 粒子显微定位成为了一个技术难题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种快速准确，简洁高效并且低成本的基于LED光源的无 透镜粒子显微定位装置及其方法。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LED光源的无透镜粒子显微定位装 置以及利用该装置进行定位方法，包括：LED光源、样品摆放槽、CMOS或CCD相机传感器，两 个以上的LED光源设置在样品摆放槽上方不同的位置，实现不同的角度对样品进行照射； 样品摆放槽设置在相机传感器的上方，样品摆放槽的下表面与相机传感器之间的距离尽量 小，且两者保持平行以保证干涉图像质量。
[0005] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)装置结构简单，相对于传统全息成像装 置，该装置兼具快速准确，简洁高效并且低成本等特性。（2)有效地将LED光源应用到粒子 定位应用中，通过数值传播与判定法法实现粒子位置与尺寸信息提取还原，实时记录多粒 子信息，实现了粒子追踪，对粒子的空间位置与尺寸的恢复准确度大幅提升。（3)仅需要利 用该装置拍摄一幅图片，通过计算成像可准确定位粒子场中粒子的位置，可以大幅提高粒 子场中粒子的定位精度。
[0006] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0007] 图1是基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置的结构示意图。
[0008] 图2是基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置的俯视图。
[0009] 图3中：(a)为一个2μπι尺寸的微粒在三个单色LED光源照射下得到的全息图； (b)为三个颜色通道的全息图在在自由空间的数值重建过程。（c)中实线代表该粒子在单 个LED光源照明形成的全息图在重建过程中轴向的强度变化。（d)中实线代表该粒子在三 个LED光源照明形成的全息图在重建过程中轴向的强度变化。
【具体实施方式】
[0010] 如图1和图2所示，本发明基于三色LED光源的无透镜粒子显微定位装置，包括 LED光源1、样品摆放槽2、CMOS或CCD相机传感器3,两个以上的LED光源1设置在样品摆 放槽2上方不同的位置，实现不同的角度对样品进行照射；样品摆放槽2设置在相机传感器 3的上方，样品摆放槽2的下表面与相机传感器3之间的距离尽量小，且两者保持平行以保 证干涉图像质量。
[0011] 本发明基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置的LED光源1使用相同颜色或不 同颜色，使用相同颜色的LED时相机传感器3为单色，使用不同颜色的LED时相机传感器3 为彩色。样品摆放槽2距离相机传感器3的距离在0cm到lcm之间。LED光源1距离相机 传感器3的高度h为10cm-5〇Cm。LED光源1的照射方向与样品摆放槽2平面之间的夹角 α为15° -90°，各LED光源1到样品摆放槽2的照射角度α相同或者不相同。
[0012] 以三个LED光源1为例进行说明，通过将LED光源1摆放在样品上方不同的三个 位置，三个LED以发光角度約实现三个不同的角度对样品进行照射。其中LED光源1 可以使用相同的颜色，也可以分别使用不同的颜色，如红，绿，蓝三色。如果LED光源1使用 相同颜色的三个LED，则需要依次点亮三个不同角度摆放的LED，并使用单色相拍连续拍摄 各个LED亮起时样品摆放槽2上的样片，得到对应三个不同角度LED照明时的图片。如果 LED光源1使用不同的颜色，如红，绿，蓝三色，可利用彩色相机传感器的红，绿，蓝三个颜色 通道合成彩色图像的原理，在三个LED同时点亮的时候拍摄样品摆放槽2上的样片，即可得 到不同角度的LED照明时的图片。
[0013] 本发明一种基于LED光源的无透镜粒子显微定位方法，实现步骤如下：
[0014] 第一步：如果相机传感器3为彩色相机传感器，LED光源1采用红、绿、蓝三个不同 颜色的单色LED，LED光源1发出的红、绿、蓝三个不同颜色的准单色光照射到样品摆放槽2， LED光源1发出红、绿、蓝三种颜色的光线，对应各自不同的角度入射到样品摆放槽2中；
[0015] 第二步：样品摆放槽2中的粒子对照射到该粒子上的光线具有调制作用，被调制 的光线形成物光，该物光由于同时被三个不同角度的光源照射，其包含三个主要传播方向， 分别对应了三种颜色的LED，其余未照射到粒子光线同样包含了三种颜色，形成参考光，该 参考光同样包含三个主要传播方向，分别对应三种颜色的LED，每一个方向或者每一个颜色 的光线发生干涉；
[0016] 第三步：由于光学干涉要求两束光之间波长相同或接近，所以三个颜色的光线之 间互不干扰，不发生干涉，三个颜色分别形成三组干涉图样，分别为红、绿、蓝三种颜色，组 成彩色干涉图，相机传感器3拍摄该彩色干涉图，此干涉图即显微定位装置获取的图像数 据，记为I，从装置获取的彩色干涉图I中分离出红、绿、蓝三幅单色图，分别记为Hr，％，Hb。
[0017] 本发明另一种基于LED光源的无透镜粒子显微定位方法，实现步骤如下：
[0018] 第一步：如果相机传感器3为单色相机传感器，LED光源1采用三个相同颜色的单 色LED，其中一个LED光源1先点亮，该点亮的LED光源1发出的准单色光照射到样品摆放 槽2,对应一个角度入射到样品摆放槽2中；
[0019] 第二步：样品摆放槽2中的粒子对照射到该粒子上的光线具有调制作用，被调制 的光线形成物光，该物光包含一个主要传播方向，对应了该点亮的LED光源1，其余未照射 到粒子光线形成参考光，该参考光同样包含一个主要传播方向，对应了该点亮的LED光源 1，该物光和参考光发生干涉得到干涉图，相机传感器3拍摄该干涉图，得到的图像数据记 为HR;点亮其余LED光源1，按上述步骤分别得到HpHB。上述三个拍摄过程的时间周期尽 量短，保证数据的实时性。
[0020] 上述两种方法中对采集的图像数据HR，^HB用于粒子信息获取，步骤如下：
[0021] 步骤1 :根据LED光源1的主要入射方向与相机传感器的平面之间的夹角α，得到 三幅复振幅全息图DR，DS，DB，即
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[0025] 其中￡: =Οχρ(./·?),(：为常数，j为虚数单位，f为波数，;§为空间平坐标；a，b,c 分别表示三幅复振幅全息图的强度，exp0表示指数函数，下标R，G，B代表红、绿、蓝三种颜 色；
[0026] 步骤2 :对三幅复振幅全息图％，0<；，％分别进行二维傅立叶变换得到频谱函