液態(tài)環(huán)境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字全息顯微測量領(lǐng)域W及微粒位置測量領(lǐng)域，具體地說，是一種利 用數(shù)字全息顯微測量技術(shù)對液態(tài)環(huán)境下微粒H維位置進(jìn)行納米級測量的方法，特別涉及液 態(tài)環(huán)境下微粒H維位置納米級分辨力測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微粒是泛指亞微米到數(shù)百微米尺寸大小的粒子，包括細(xì)胞、病毒等生物粒子，也包 括聚苯己帰小球、磁珠、娃球、膠體、英光粒子等非生物粒子，同時還包括數(shù)微米長的棒狀物 等。微粒在液態(tài)環(huán)境下的H維位置的測量技術(shù)一直是測量學(xué)科的重要課題，在科學(xué)和工程 領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如：海洋、氣象、燃燒、導(dǎo)熱、環(huán)境污染、化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)/生命 等。對于大多數(shù)傳統(tǒng)的應(yīng)用研究領(lǐng)域，微粒的尺寸主要為數(shù)微米至數(shù)百微米，微粒位置變化 的空間范圍在毫米量級W上，而對應(yīng)的測量分辨力一般在微米量級就可W滿足要求；對于 納米生物學(xué)、納米流體學(xué)和納米熱力學(xué)等研究領(lǐng)域，微粒尺寸主要都在10微米W下，空間 位置變化的范圍一般只有數(shù)十微米，甚至數(shù)百納米，該就要求測量分辨力達(dá)到數(shù)納米，甚至 亞納米量級。目前微粒H維位置在橫向測量已經(jīng)達(dá)到納米甚至亞納米分辨力，主要方法有 化U曲變換法、質(zhì)也法、胡相關(guān)法、梯度法等；其在縱向測量測量方法主要有米氏散射匹配 法、微視覺法、后焦平面干涉法等。米氏散射測量方法分辨力能達(dá)到Inm，但是其需要精確標(biāo) 定各個物理參量，測量方法復(fù)雜，且只能對規(guī)則的微粒進(jìn)行測量；而其它方法測量分辨力約 為lOnm左右，不能達(dá)到測量要求。上述方法不能同時對多個微粒進(jìn)行測量，測量效率低，且 不能對液體環(huán)境中交疊的微粒進(jìn)行測量，其魯棒性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出基于同軸數(shù)字全息顯微技術(shù)及圖像處理 方法，實現(xiàn)復(fù)雜液態(tài)環(huán)境下多微粒H維位置納米級分辨力測量。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方 案是，液態(tài)環(huán)境下微粒H維位置納米級分辨力測量方法，包括如下步驟：
[0004] 搭建同軸數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)；
[0005] 將微粒放置于樣品池中，樣品池由蓋玻片、載玻片及封口膜組成，由環(huán)氧樹脂密 封；
[0006] 利用上述成像系統(tǒng)對微粒進(jìn)行實時跟蹤并記錄微粒全息圖像；
[0007] 對微粒的全息圖進(jìn)行預(yù)處理，利用二維整體經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解炬ffiMD)方法消除微粒 全息圖的散斑噪聲W及背景噪聲；
[000引對上述處理得到的全息圖進(jìn)行全息重構(gòu)，得到微粒的H維重構(gòu)強(qiáng)度分布信息；
[0009] 對上述得到的重構(gòu)信息進(jìn)行去卷積運算，減少離焦信號及李生像所產(chǎn)生的噪聲影 響；
[0010] 利用質(zhì)也法得到微粒的橫向位置；
[0011] 通過上述得到的微粒質(zhì)也位置，得到其在縱向的強(qiáng)度分布曲線；
[0012] 采用多項式擬合對上述曲線進(jìn)行擬合，其峰值則為微粒在縱向的位置。
[0013] 微粒包括細(xì)胞、病毒、磁珠、娃球、聚苯己帰小球、納米棒。
[0014] 利用質(zhì)也法得到微粒的橫向位置進(jìn)一步具體步驟是，全息圖中微粒的圓也即為位 置的X-Y方向的位置，由下述方程計算得到：
[0015]
【主權(quán)項】
1. 一種液態(tài)環(huán)境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是，包括如下步驟： 搭建同軸數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)； 將微粒放置于樣品池中，樣品池由蓋玻片、載玻片及封口膜組成，由環(huán)氧樹脂密封； 利用上述成像系統(tǒng)對微粒進(jìn)行實時跟蹤并記錄微粒全息圖像； 對微粒的全息圖進(jìn)行預(yù)處理，利用二維整體經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（BEEMD)方法消除微粒全息 圖的散斑噪聲以及背景噪聲； 對上述處理得到的全息圖進(jìn)行全息重構(gòu)，得到微粒的三維重構(gòu)強(qiáng)度分布信息； 對上述得到的重構(gòu)信息進(jìn)行去卷積運算，減少離焦信號及孿生像所產(chǎn)生的噪聲影響； 利用質(zhì)心法得到微粒的橫向位置； 通過上述得到的微粒質(zhì)心位置，得到其在縱向的強(qiáng)度分布曲線； 采用多項式擬合對上述曲線進(jìn)行擬合，其峰值則為微粒在縱向的位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的液態(tài)環(huán)境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是， 利用質(zhì)心法得到微粒的橫向位置進(jìn)一步具體步驟是，全息圖中微粒的圓心即為位置的X-Y 方向的位置，由下述方程計算得到：
其中，（^y。）為圓心的坐標(biāo)，^為相機(jī)測量的第i個像素的光強(qiáng)度，（Xi，yi)為圖像中 像素的位置。
3. 如權(quán)利要求1所述的液態(tài)環(huán)境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是， 對得到的全息圖進(jìn)行全息重構(gòu)進(jìn)一步具體步驟是，按照瑞利-索末菲傳播原理對全息圖進(jìn) 行三維重構(gòu)，得到硅球在三維空間中的強(qiáng)度分布信息，其計算公式如下：
ur(r, z) = Fr^FTd^r, 0)) *H(q,-z)) (2) 其中，h(r，-z)為瑞利-索末菲傳播函數(shù)，= W力&?-z)的傅里葉變換；式 中r為全息平面內(nèi)坐標(biāo)，z為軸向坐標(biāo)，Is為步驟7得到的全息圖的強(qiáng)度，F(xiàn)T'FT分別表示 傅里葉逆變換與傅里葉變換，j表示虛數(shù)單位，k為波數(shù)，q為頻域坐標(biāo)，R為光傳播距離。
4. 如權(quán)利要求1所述的液態(tài)環(huán)境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是， 對重構(gòu)三維空間強(qiáng)度信息進(jìn)行去卷積運算，計算公式如下，減弱離焦信號和孿生像等產(chǎn)生 的噪聲對娃球三維重構(gòu)光場的影響；
式中a為一個相比于FT(|h(r，_z)|2非常小的常數(shù)，一般取值范圍為0. 001?0. 01。
5. 如權(quán)利要求1所述的液態(tài)環(huán)境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是， 微粒包括細(xì)胞、病毒、磁珠、硅球、聚苯乙烯小球、納米棒。
【專利摘要】本發(fā)明涉及數(shù)字全息顯微測量領(lǐng)域以及微粒位置測量領(lǐng)域，為提出基于同軸數(shù)字全息顯微技術(shù)及圖像處理方法，實現(xiàn)復(fù)雜液態(tài)環(huán)境下多微粒三維位置納米級分辨力測量。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，液態(tài)環(huán)境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，包括如下步驟：利用同軸數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)對微粒進(jìn)行實時跟蹤并記錄微粒全息圖像；對微粒的全息圖進(jìn)行預(yù)處理；對上述處理得到的全息圖進(jìn)行全息重構(gòu)；對上述得到的重構(gòu)信息進(jìn)行去卷積運算；利用質(zhì)心法得到微粒的橫向位置；通過上述得到的微粒質(zhì)心位置，得到其在縱向的強(qiáng)度分布曲線；采用多項式擬合對上述曲線進(jìn)行擬合，其峰值則為微粒在縱向的位置。本發(fā)明主要應(yīng)用于顯微測量。
【IPC分類】G01B11-00
【公開號】CN104567682
【申請?zhí)枴緾N201510018116
【發(fā)明人】胡小唐, 雷海, 胡曉東, 常新宇, 胡春光, 李宏斌
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月14日