CN105424561A - 基于led光源的无透镜粒子显微定位装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置及其方法，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。本发明的装置结构简单，兼具快速准确，简洁高效并且成本低；通过数值传播与判定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。

Description

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

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

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]CollierR.Opticalholography[M].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.Laserspeckleandrelatedphenomena[C].BerlinandNewYork,Springer-Verlag(TopicsinAppliedPhysics.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，因为共轭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轭像([3]CucheE,MarquetP,DepeursingeC.Spatialfilteringforzero-orderandtwin-imageeliminationindigitaloff-axisholography[J].Appliedoptics,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

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。

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。

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。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

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。

图2是基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置的俯视图。

图3中：(a)为一个2μm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

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。

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1cm之间。LED光源1距离相机传感器3的高度h为10cm-50cm。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。

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。

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：

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；

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；

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H_R,H_G,H_B。

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：

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；

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H_R；点亮其余LED光源1，按上述步骤分别得到H_G，H_B。上述三个拍摄过程的时间周期尽量短，保证数据的实时性。

上述两种方法中对采集的图像数据H_R,H_G,H_B用于粒子信息获取，步骤如下：

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D_R,D_G,D_B，即

其中C为常数，j为虚数单位，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，exp()表示指数函数，下标R,G,B代表红、绿、蓝三种颜色；

步骤2：对三幅复振幅全息图D_R,D_G,D_B分别进行二维傅立叶变换得到频谱函数A_R(ξ,η),A_G(ξ,η),A_B(ξ,η)，其中(ξ,η)为复振幅对应的频谱所在平面的空间坐标，对频谱函数A_R(ξ,η),A_G(ξ,η),A_B(ξ,η)进行数值传播，数值传播公式为

其中z为传播距离，λ为LED颜色中心波长，然后对A(ξ,η)进行二维逆傅立叶变换得到一组新的复振幅全息图D'_R,D'_G,D'_B，将D'_R,D'_G,D'_B三者取模，分别得到|D'_R|,|D'_G|,|D'_B|，并将|D'_R|,|D'_G|,|D'_B|三者相乘得到判定图像J；

步骤3：如果z超出样品摆放槽2的范围，跳至步骤5，否则判断图像J中是否出现极大值亮点，如果有，则将其位置与尺寸信息记录；如果没有则进入下一步；

步骤4：回到步骤2，将z增加距离Δz；

步骤5：整理步骤3中粒子的位置与尺寸数据，从而完成拍摄该幅全息图时刻的粒子场重建；

步骤6：完成所有不同时刻的粒子场重建，得到粒子场在不同时刻的三维信息分布，包括粒子的三维位置与尺寸，从而完成无透镜粒子显微定位。

通过上述步骤可以看出，本发明采用的基于三色LED光源的无透镜粒子显微定位方法使用三色LED作为光源可实现样品的高速记录，从而可以完成粒子空间位置的实时动态恢复，可实现粒子追踪。

为了测试基于三色LED光源的无透镜粒子显微定位装置及其方法的有效性，本发明选取尺寸为2μm尺寸的粒子作为实验对象。如图3所示，(a)为一个2μm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。图中白色亮点代表了粒子的空间位置；(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。虚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，对应于轴向最大光强处垂直于轴向的光强分布；(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，虚线代表该粒子在全息图重建过程中，对应于轴向最大光强处垂直于轴向的光强分布；(a)中的比例尺为5(c)μm，(d)中的灰色区域代表2μm粒子的尺寸。从结果中可以明显看出，三色LED相对单个LED照明在粒子尺寸定位上更加准确，且仅通过一副图片即可定位粒子。通过比例尺可以看出，测量粒子的尺寸与实际吻合。该结果证明了基于三色LED光源的无透镜粒子显微定位装置可实时地获取图像数据，通过基于三色LED光源的无透镜粒子显微定位方法可依据该实时拍摄的图像数据用于粒子位置与尺寸信息的还原。

Claims (8)

1.一种基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置，其特征在于包括：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。

2.根据权利要求1所述的基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置，其特征在于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。

3.根据权利要求1或2所述的基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置，其特征在于样品摆放槽(2)距离相机传感器(3)的距离在0cm到1cm之间。

4.根据权利要求1所述的基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置，其特征在于LED光源(1)距离相机传感器(3)的高度h为10cm-50cm。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于LED光源的无透镜粒子显微定位装置，其特征在于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。

6.一种基于LED光源的无透镜粒子显微定位方法，其特征在于步骤如下：

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；

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；

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H_R,H_G,H_B。

7.一种基于LED光源的无透镜粒子显微定位方法，其特征在于步骤如下：

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；

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H_R；点亮其余LED光源(1)，按上述步骤分别得到H_G，H_B。

8.根据权利要求6或7所述的基于三色LED光源的无透镜粒子显微定位方法，其特征在于对采集的图像数据H_R,H_G,H_B用于粒子信息获取，步骤如下：

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D_R,D_G,D_B，即

其中C为常数，j为虚数单位，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，exp()表示指数函数，下标R,G,B代表红、绿、蓝三种颜色；

步骤2：对三幅复振幅全息图D_R,D_G,D_B分别进行二维傅立叶变换得到频谱函数A_R(ξ,η),A_G(ξ,η),A_B(ξ,η)，其中(ξ,η)为复振幅对应的频谱所在平面的空间坐标，对频谱函数A_R(ξ,η),A_G(ξ,η),A_B(ξ,η)进行数值传播，数值传播公式为

立叶变换得到一组新的复振幅全息图D'_R,D'_G,D'_B，将D'_R,D'_G,D'_B三者取模，分别得到|D'_R|,|D'_G|,|D'_B|，并将|D'_R|,|D'_G|,|D'_B|三者相乘得到判定图像J；

步骤3：如果z超出样品摆放槽(2)的范围，跳至步骤5，否则判断图像J中是否出现极大值亮点，如果有，则将其位置与尺寸信息记录；如果没有则进入下一步；

步骤4：回到步骤2，将z增加距离Δz；

步骤5：整理步骤3中粒子的位置与尺寸数据，从而完成拍摄该幅全息图时刻的粒子场重建；

步骤6：完成所有不同时刻的粒子场重建，得到粒子场在不同时刻的三维信息分布，包括粒子的三维位置与尺寸，从而完成无透镜粒子显微定位。