CN103162629B - 一种一维光阱微粒位移检测方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

处于光阱中的微粒，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一。

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：

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k₀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k₀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k_m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|k₀-a|＞＝10，令b=10；否则，令b=min(|k₀+a|,|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。

附图说明

图1是一维光阱微粒位移检测系统原理示意图；

其中1为可调激光光源，2为光隔离器，3为CCD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；

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、一维光纤光阱系统基片5、CCD采集显微镜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10~20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f₀(x,y)，视频其它帧所提取图像的灰度分布函数为f_n(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：

$g_0\left(x\right)=\frac{1}{P}\underset{y=1}{\overset{P}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_0(x,y)---<1>$

$g_n\left(x\right)=\frac{1}{P}\underset{y=1}{\overset{P}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_n(x,y)---<2>$

其中：p为图像在y方向的像素数。

由于光阱中微粒所在环境背景的一致性，故y方向的微粒位移不会对<1>式<2>式的结果产生影响。经过<1>式<2>式的处理，可将二维问题简化为一维问题，大大降低了问题的复杂度，提高了图像处理的效率。

常用的互相关函数包括直接互相关函数、归一化互相关函数和归一化协方差互相关函数等。

1）直接互相关函数

$\mathrm{CO}\left(k\right)=\underset{x=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_0\left(x\right)\&CenterDot;g_n(x-k)---\left(1\right)$

2）归一化互相关函数

$\mathrm{CO}\left(k\right)=\frac{\underset{x=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_0\left(x\right)\&CenterDot;g_n(x-k)}{\sqrt{\underset{x=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g_0}^2\left(x\right)}\sqrt{\underset{x=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g_n}^2(x-k)}}---\left(2\right)$

3）归一化协方差互相关函数

$\mathrm{CO}\left(k\right)=\frac{\underset{x=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}[g_0\left(x\right)-{\stackrel{-}{g}}_0]\&CenterDot;[g_n(x-k)-{\stackrel{-}{g}}_n]}{\sqrt{\underset{x=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[g_0\left(x\right)-{\stackrel{-}{g}}_0]}^2}\sqrt{\underset{x=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[g_n(x-k)-{\stackrel{-}{g}}_n]}^2}}---\left(3\right)$

其中：CO(k)为互相关函数值；

q为图像在x方向的像素数；

k为互相关参数，即第n帧图像x方向的偏移。

取实际得到粒子视频的任意两帧，设定x方向图像偏移为[-50,50]，计算上述三种互相关函数值，其结果如图2-a、2-b、2-c所示。对比三种互相关函数计算结果可知，直接互相关函数值在负向偏移时差异不明显，与互相关函数的理论不一致，原因可能为背景光变化的影响，归一化互相关函数和归一化协方差互相关函数的计算结果类似，均与互相关理论吻合的较好，但归一化协方差互相关函数的计算量更大，在效果差不多的情况下，选择归一化互相关函数可大大提高处理效率，故本发明采用归一化互相关函数进行计算。

根据k的不同，x-k会超过视频边界，导致该部分g_n(x-k)取不到相应值，在此作以下处理：当x-k≤0时，令g_n(x-k)=g_n(1)；当x-k≥q时，令g_n(x-k)=g_n(q)，由于光阱背景灰度基本一致，故上述处理不会对互相关结果产生任何影响，且比直接将g_n(x-k)置零更接近实际情况。

互相关参数范围的选择应根据CCD分辨率、微粒尺寸及微粒最大位移确定。如若CCDx向分辨率为800像素，微粒尺寸为10，微粒最大位移约为20像素，则k范围可选择为[-40,40]，也可以选择更大范围，但必须保证微粒在计算过程中始终处于视场内，由于更小的范围可能会导致实际位移超出范围且需给二次曲线拟合预留左右各10个点的值，因此建议不要再缩小k的范围。

求计算出的归一化互相关函数的最大值，并确定该最大值对应的k的值k₀，此k₀值即为像素级精度的微粒位移。

实际上，归一化互相关函数与k的关系曲线近似为抛物线，因此可通过二次曲线拟合求取更精确的归一化互相关函数最大值。选择k₀左右各10个值，如若k₀为10，则选择k₀范围为[0,20]，并取该范围对应的归一化互相关函数值进行二次曲线拟合，拟合方法采用最小二乘法，求出拟合得到的二次曲线的最高点，并取该最高点对应的横坐标值k_m，此k_m值即为亚像素级精度的微粒位移。对相邻帧的微粒位移值作差分运算，可得微粒的瞬态位移。由检测得到的位移信息可推导出光阱中微粒的稳定度或对应的外界条件如系统的加速度值。

一种一维光阱微粒位移检测方法的流程图如图3所示，其具体步骤如下：

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k₀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k₀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k_m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|k₀-a|＞＝10，令b=10；否则，令b=min(|k₀+a|,|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。

Claims (2)

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                                                的范围[-a,a]，a为正整数，其值大于微粒能取到的最大位移，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的值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)取左右各b个点的值作为自变量，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：若且，令b=10；否则，令b=min(,)；

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。