液態環境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及數字全息顯微測量領域W及微粒位置測量領域，具體地說，是一種利 用數字全息顯微測量技術對液態環境下微粒H維位置進行納米級測量的方法，特別涉及液 態環境下微粒H維位置納米級分辨力測量方法。
【背景技術】
[0002] 微粒是泛指亞微米到數百微米尺寸大小的粒子，包括細胞、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，同時還包括數微米長的棒狀物 等。微粒在液態環境下的H維位置的測量技術一直是測量學科的重要課題，在科學和工程 領域具有廣泛的應用，如：海洋、氣象、燃燒、導熱、環境污染、化學、材料、生物醫學/生命 等。對于大多數傳統的應用研究領域，微粒的尺寸主要為數微米至數百微米，微粒位置變化 的空間范圍在毫米量級W上，而對應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、納米流體學和納米熱力學等研究領域，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十微米，甚至數百納米，該就要求測量分辨力達到數納米，甚至 亞納米量級。目前微粒H維位置在橫向測量已經達到納米甚至亞納米分辨力，主要方法有 化U曲變換法、質也法、胡相關法、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到Inm，但是其需要精確標 定各個物理參量，測量方法復雜，且只能對規則的微粒進行測量；而其它方法測量分辨力約 為lOnm左右，不能達到測量要求。上述方法不能同時對多個微粒進行測量，測量效率低，且 不能對液體環境中交疊的微粒進行測量，其魯棒性低。
【發明內容】
[0003] 為克服現有技術的不足，本發明旨在提出基于同軸數字全息顯微技術及圖像處理 方法，實現復雜液態環境下多微粒H維位置納米級分辨力測量。為此，本發明采取的技術方 案是，液態環境下微粒H維位置納米級分辨力測量方法，包括如下步驟：
[0004] 搭建同軸數字全息顯微成像系統；
[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，由環氧樹脂密 封；
[0006] 利用上述成像系統對微粒進行實時跟蹤并記錄微粒全息圖像；
[0007] 對微粒的全息圖進行預處理，利用二維整體經驗模態分解炬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行全息重構，得到微粒的H維重構強度分布信息；
[0009] 對上述得到的重構信息進行去卷積運算，減少離焦信號及李生像所產生的噪聲影 響；
[0010] 利用質也法得到微粒的橫向位置；
[0011] 通過上述得到的微粒質也位置，得到其在縱向的強度分布曲線；
[0012] 采用多項式擬合對上述曲線進行擬合，其峰值則為微粒在縱向的位置。
[0013] 微粒包括細胞、病毒、磁珠、娃球、聚苯己帰小球、納米棒。
[0014] 利用質也法得到微粒的橫向位置進一步具體步驟是，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]
【主權項】
1. 一種液態環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： 搭建同軸數字全息顯微成像系統； 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，由環氧樹脂密封； 利用上述成像系統對微粒進行實時跟蹤并記錄微粒全息圖像； 對微粒的全息圖進行預處理，利用二維整體經驗模態分解（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行全息重構，得到微粒的三維重構強度分布信息； 對上述得到的重構信息進行去卷積運算，減少離焦信號及孿生像所產生的噪聲影響； 利用質心法得到微粒的橫向位置； 通過上述得到的微粒質心位置，得到其在縱向的強度分布曲線； 采用多項式擬合對上述曲線進行擬合，其峰值則為微粒在縱向的位置。
2. 如權利要求1所述的液態環境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是， 利用質心法得到微粒的橫向位置進一步具體步驟是，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，^為相機測量的第i個像素的光強度，（Xi，yi)為圖像中 像素的位置。
3. 如權利要求1所述的液態環境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是， 對得到的全息圖進行全息重構進一步具體步驟是，按照瑞利-索末菲傳播原理對全息圖進 行三維重構，得到硅球在三維空間中的強度分布信息，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，= W力&?-z)的傅里葉變換；式 中r為全息平面內坐標，z為軸向坐標，Is為步驟7得到的全息圖的強度，FT'FT分別表示 傅里葉逆變換與傅里葉變換，j表示虛數單位，k為波數，q為頻域坐標，R為光傳播距離。
4. 如權利要求1所述的液態環境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是， 對重構三維空間強度信息進行去卷積運算，計算公式如下，減弱離焦信號和孿生像等產生 的噪聲對娃球三維重構光場的影響；
式中a為一個相比于FT(|h(r，_z)|2非常小的常數，一般取值范圍為0. 001?0. 01。
5. 如權利要求1所述的液態環境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，其特征是， 微粒包括細胞、病毒、磁珠、硅球、聚苯乙烯小球、納米棒。
【專利摘要】本發明涉及數字全息顯微測量領域以及微粒位置測量領域，為提出基于同軸數字全息顯微技術及圖像處理方法，實現復雜液態環境下多微粒三維位置納米級分辨力測量。為此，本發明采取的技術方案是，液態環境下微粒三維位置納米級分辨力測量方法，包括如下步驟：利用同軸數字全息顯微成像系統對微粒進行實時跟蹤并記錄微粒全息圖像；對微粒的全息圖進行預處理；對上述處理得到的全息圖進行全息重構；對上述得到的重構信息進行去卷積運算；利用質心法得到微粒的橫向位置；通過上述得到的微粒質心位置，得到其在縱向的強度分布曲線；采用多項式擬合對上述曲線進行擬合，其峰值則為微粒在縱向的位置。本發明主要應用于顯微測量。
【IPC分類】G01B11-00
【公開號】CN104567682
【申請號】CN201510018116
【發明人】胡小唐, 雷海, 胡曉東, 常新宇, 胡春光, 李宏斌
【申請人】天津大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月14日