CN104406528A - 一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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。 

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。 

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

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。 

本发明的原理在于： 

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。 

本发明采用的技术方案为：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β； 

步骤3、发送特定振幅A和频率f_d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)＝P_thermal(f)+P_force(f)，其中受限热运动的功率谱为f_c为颗粒在光阱中的特征频率；受迫运动的功率谱δ为脉冲函数；P(f)＝β²P^volt(f)，β为探测器的电压比例系数，P^volt(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  <math><math display = 'block'> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>thermal</mi> <mrow> <mi>vo</mi> <mi>l</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>B</mi> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;plus;</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </math> B为拟合参数，获得实际运动幅度 $A^{\&prime;}=\mathrm{\&beta;}\sqrt{2w_{\mathrm{ex}}(1+f_c^2/f_d^2)},$ 其中 $w_{\mathrm{ex}}=[P^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)-P_{\mathrm{thermal}}^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)]\mathrm{\&Delta;f}.$

其中，该方法可以校准电动平台的位移。 

其中，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，可原位标定光阱俘获不同大小微粒时位置探测器件的比例系数β、微粒半径和光阱刚度κ＝2πk_BTf_c/D。 

本发明的优点和积极效果为： 

1)、本发明可以用于测量压电平台和样品室作为整体的真实运动特性，包括运动幅度和频率特性，以及压电平台运动幅度的修正系数。包括测量二维不同方向上的压电平台运动特性。 

2)、本发明通过校准的压电平台参数，运用该原理发送特定频率和振幅的运动信号，原位标定不同微粒大小时探测器的比例系数β、微粒半径和光阱刚度κ＝2πk_BTf_c/D 

3)、对比显微图像分析方法，本发明特别适用在高频运动情况下校准压电平台运动幅度。 

附图说明

图1为利用光镊检测压电平台驱动的真实幅度和频率的流程图。 

图2为激光俘获和光电探测的光镊系统图。 

图中，1为激光器；2、3、6、8、12和14为第一、第二、第三、第四、第五、第六透镜；4和5为第一、第二全反射平面镜；7为45度半反半透平面镜；9为高倍显微物镜；10为待测的压电平台；11为固定在压电平台上的样品室；13为反射激光透过照明光的低通滤波镜片；15为位置敏感探测器；16为显微镜照明光源；17为视频监控相机。 

图3为位置敏感探测器电压比例位移比例系数实验测量。 

图4为实验测量压电平台作25Hz振动时位置敏感探测器探测微粒运动的功率谱信号。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。 

本发明检测流程见图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，反过来用通过校准的比例系数分析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。 

本发明的基础需要搭建一套带有光电探测的光镊系统，见图2。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一对全反射平面镜，即第一全反射平面镜4和第二全反射平面镜5，再经过第三透镜6和第四透镜8的扩束，到高倍显微物镜9后瞳的光斑大约6mm。45度半反半透平面镜7将激光反射进入物镜，使照明光透过。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(0.993μm±0.021μm，4009A，Duke Scientific)。通过物镜9聚焦的光束俘获微球，被微球散射的激光经过第五透镜12重新会聚，激光经过低通滤波镜片13折返对准位置敏感探测器(PSD)15靶面。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16经过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。 

通过视频监控相机17监控的图像，操控待测压电平台10带动样品室11，光阱俘获微粒。然后设置10为三角波运动(或者来回往复运动)，同时用视频监控相机17和位置敏感探测器15记录微粒的图像信息和光电探测信号。通过图像自相关运算分析视频监控相机17记录的图像信息，统计微粒偏离光阱中心的距离ΔX。将位置敏感探测器15记录的电压信号统计分布作高斯拟合，得到双峰间距为ΔX^V，则探测器电压转换位移系数ΔX^V＝βΔX。压电平台以2.5Hz频率进行三角波运动，设定幅度分别为30μm、40μm、50μm、60μm和70μm，微粒受到流体粘滞阻力作用会周期性偏离光阱中心。通过位置敏感探测器15和视频监控相机17分别统计ΔX^V和ΔX，即线性拟合出x方向β＝1984.5±17.6nm/V，见图3。 

通过待测的压电平台发送频率为f_d振幅为1μm的正弦运动信号，光阱中微粒受到扰动不停作余弦运动。用视频监控相机17采集微粒的运动信号作傅立叶变换，根据 拟合除了f_d外的运动信号，见图4(f_d＝25Hz)，即获得在f_d处的热运动所造成的功率谱(拟合曲线)。测量尖峰最高点功率谱信号P^volt(f_d)即可得到  $w_{\mathrm{ex}}=[P^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)-P_{\mathrm{thermal}}^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)]\mathrm{\&Delta;f}.$ 真实的运动幅度便可由 $A^{\&prime;}=\mathrm{\&beta;}\sqrt{2w_{\mathrm{ex}}(1+f_c^2/f_d^2)}$ 反推出来。我们测量一系列运动频率(5Hz/10Hz/20Hz/25Hz/50Hz)下发送1μm振幅运动，其真实运动幅度为0.938μm、0.902μm、0.847μm、0.793μm和0.601μm，可见随着频率增大压电平台驱动样品室所能运动的真实幅度在不断减小。频谱上的f_d与驱动信号的频率一致，误差小于0.5％。 

这在实际使用压电平台去校准其它仪器运动幅度时，压电平台所能驱动运动的幅度需要先校准，才能尽可能小的影响二级校准误差。 

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。 

Claims (3)

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β； 

步骤3、发送特定振幅A和频率f_d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)＝P_thermal(f)+P_force(f)，其中受限热运动的功率谱为f_c为颗粒在光阱中的特征频率；受迫运动的功率谱δ为脉冲函数；P(f)＝β²P^volt(f)，β为探测器的电压比例系数，P^volt(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  <math><math display = 'block'> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>thermal</mi> <mrow> <mi>vo</mi> <mi>l</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>B</mi> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;plus;</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </math> B为拟合参数，获得实际运动幅度其中

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β、微粒半径和光阱刚度κ＝2πk_BTf_c/D。