基于led光源的無(wú)透鏡粒子顯微定位裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量、成像技術(shù)，特別是一種基于三色LED光源的無(wú)透鏡粒子顯 微定位裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 粒子顯微定位是光學(xué)測(cè)量與成像的一個(gè)重要技術(shù)，無(wú)論在生物醫(yī)學(xué)還是檢測(cè)領(lǐng) 域，粒子顯微定位技術(shù)都在發(fā)揮著重要的作用?？v觀光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域近半個(gè)世紀(jì)的進(jìn) 展，最為經(jīng)典的三維結(jié)構(gòu)成像技術(shù)是斷層掃描技術(shù)，但是該技術(shù)在粒子定位的應(yīng)用中仍 存在其不足：首先需要對(duì)照明或者樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)某一層的平面數(shù)據(jù)，同時(shí)機(jī)械 掃描裝置必然導(dǎo)致較低的時(shí)間效率，對(duì)于粒子的定位缺乏實(shí)時(shí)性。還有一種全息技術(shù) 的成像方法，也是三維測(cè)量的一個(gè)重要手段（[1](>)11丨611?.(^1:;^3111〇1〇8抑。117[1]· Elsevier, 2013.)。全息顯微成像需要物鏡作為成像放大器件，市場(chǎng)上的高品質(zhì)顯微物 鏡價(jià)格普遍較高，這無(wú)疑帶來(lái)了較高的制作成本。傳統(tǒng)全息成像設(shè)備多采用激光光源，由 此引入的散斑噪聲限制了其成像定位精度的提高（[2]DaintyJC.Laserspeckleand relatedphenomena[C].BerlinandNewYork,Springer-Verlag(TopicsinApplied Physics.Volume9)，1975. 298p. 1975,9.)。與此同時(shí)復(fù)雜的光源設(shè)備將對(duì)裝置的靈活 性帶來(lái)巨大的不便。在傳統(tǒng)的全息干涉測(cè)量法中，因?yàn)楣草m象的問(wèn)題導(dǎo)致位于同一平面 位置但軸向位置不同的粒子之間容易互相影響，因此傳統(tǒng)的全息干涉測(cè)量必須采用離軸 測(cè)量才能消除共輒像（[3]CucheE，MarquetP，DepeursingeC.Spatialfilteringfor zero-orderandtwin-imageeliminationindigitaloff-axisholography[J].Applied optics, 2000, 39(23) :4070-4075.)。因此，如何實(shí)現(xiàn)兼具快速準(zhǔn)確，簡(jiǎn)潔高效并且低成本的 粒子顯微定位成為了一個(gè)技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種快速準(zhǔn)確，簡(jiǎn)潔高效并且低成本的基于LED光源的無(wú) 透鏡粒子顯微定位裝置及其方法。
[0004] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于LED光源的無(wú)透鏡粒子顯微定位裝 置以及利用該裝置進(jìn)行定位方法，包括：LED光源、樣品擺放槽、CMOS或CCD相機(jī)傳感器，兩 個(gè)以上的LED光源設(shè)置在樣品擺放槽上方不同的位置，實(shí)現(xiàn)不同的角度對(duì)樣品進(jìn)行照射； 樣品擺放槽設(shè)置在相機(jī)傳感器的上方，樣品擺放槽的下表面與相機(jī)傳感器之間的距離盡量 小，且兩者保持平行以保證干涉圖像質(zhì)量。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)于傳統(tǒng)全息成像裝 置，該裝置兼具快速準(zhǔn)確，簡(jiǎn)潔高效并且低成本等特性。（2)有效地將LED光源應(yīng)用到粒子 定位應(yīng)用中，通過(guò)數(shù)值傳播與判定法法實(shí)現(xiàn)粒子位置與尺寸信息提取還原，實(shí)時(shí)記錄多粒 子信息，實(shí)現(xiàn)了粒子追蹤，對(duì)粒子的空間位置與尺寸的恢復(fù)準(zhǔn)確度大幅提升。（3)僅需要利 用該裝置拍攝一幅圖片，通過(guò)計(jì)算成像可準(zhǔn)確定位粒子場(chǎng)中粒子的位置，可以大幅提高粒 子場(chǎng)中粒子的定位精度。
[0006] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1是基于LED光源的無(wú)透鏡粒子顯微定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008] 圖2是基于LED光源的無(wú)透鏡粒子顯微定位裝置的俯視圖。
[0009] 圖3中：(a)為一個(gè)2μπι尺寸的微粒在三個(gè)單色LED光源照射下得到的全息圖； (b)為三個(gè)顏色通道的全息圖在在自由空間的數(shù)值重建過(guò)程。（c)中實(shí)線代表該粒子在單 個(gè)LED光源照明形成的全息圖在重建過(guò)程中軸向的強(qiáng)度變化。（d)中實(shí)線代表該粒子在三 個(gè)LED光源照明形成的全息圖在重建過(guò)程中軸向的強(qiáng)度變化。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明基于三色LED光源的無(wú)透鏡粒子顯微定位裝置，包括 LED光源1、樣品擺放槽2、CMOS或CCD相機(jī)傳感器3,兩個(gè)以上的LED光源1設(shè)置在樣品擺 放槽2上方不同的位置，實(shí)現(xiàn)不同的角度對(duì)樣品進(jìn)行照射；樣品擺放槽2設(shè)置在相機(jī)傳感器 3的上方，樣品擺放槽2的下表面與相機(jī)傳感器3之間的距離盡量小，且兩者保持平行以保 證干涉圖像質(zhì)量。
[0011] 本發(fā)明基于LED光源的無(wú)透鏡粒子顯微定位裝置的LED光源1使用相同顏色或不 同顏色，使用相同顏色的LED時(shí)相機(jī)傳感器3為單色，使用不同顏色的LED時(shí)相機(jī)傳感器3 為彩色。樣品擺放槽2距離相機(jī)傳感器3的距離在0cm到lcm之間。LED光源1距離相機(jī) 傳感器3的高度h為10cm-5〇Cm。LED光源1的照射方向與樣品擺放槽2平面之間的夾角 α為15° -90°，各LED光源1到樣品擺放槽2的照射角度α相同或者不相同。
[0012] 以三個(gè)LED光源1為例進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)將LED光源1擺放在樣品上方不同的三個(gè) 位置，三個(gè)LED以發(fā)光角度約實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同的角度對(duì)樣品進(jìn)行照射。其中LED光源1 可以使用相同的顏色，也可以分別使用不同的顏色，如紅，綠，藍(lán)三色。如果LED光源1使用 相同顏色的三個(gè)LED，則需要依次點(diǎn)亮三個(gè)不同角度擺放的LED，并使用單色相拍連續(xù)拍攝 各個(gè)LED亮起時(shí)樣品擺放槽2上的樣片，得到對(duì)應(yīng)三個(gè)不同角度LED照明時(shí)的圖片。如果 LED光源1使用不同的顏色，如紅，綠，藍(lán)三色，可利用彩色相機(jī)傳感器的紅，綠，藍(lán)三個(gè)顏色 通道合成彩色圖像的原理，在三個(gè)LED同時(shí)點(diǎn)亮的時(shí)候拍攝樣品擺放槽2上的樣片，即可得 到不同角度的LED照明時(shí)的圖片。
[0013] 本發(fā)明一種基于LED光源的無(wú)透鏡粒子顯微定位方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0014] 第一步：如果相機(jī)傳感器3為彩色相機(jī)傳感器，LED光源1采用紅、綠、藍(lán)三個(gè)不同 顏色的單色LED，LED光源1發(fā)出的紅、綠、藍(lán)三個(gè)不同顏色的準(zhǔn)單色光照射到樣品擺放槽2， LED光源1發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色的光線，對(duì)應(yīng)各自不同的角度入射到樣品擺放槽2中；
[0015] 第二步：樣品擺放槽2中的粒子對(duì)照射到該粒子上的光線具有調(diào)制作用，被調(diào)制 的光線形成物光，該物光由于同時(shí)被三個(gè)不同角度的光源照射，其包含三個(gè)主要傳播方向， 分別對(duì)應(yīng)了三種顏色的LED，其余未照射到粒子光線同樣包含了三種顏色，形成參考光，該 參考光同樣包含三個(gè)主要傳播方向，分別對(duì)應(yīng)三種顏色的LED，每一個(gè)方向或者每一個(gè)顏色 的光線發(fā)生干涉；
[0016] 第三步：由于光學(xué)干涉要求兩束光之間波長(zhǎng)相同或接近，所以三個(gè)顏色的光線之 間互不干擾，不發(fā)生干涉，三個(gè)顏色分別形成三組干涉圖樣，分別為紅、綠、藍(lán)三種顏色，組 成彩色干涉圖，相機(jī)傳感器3拍攝該彩色干涉圖，此干涉圖即顯微定位裝置獲取的圖像數(shù) 據(jù)，記為I，從裝置獲取的彩色干涉圖I中分離出紅、綠、藍(lán)三幅單色圖，分別記為Hr，％，Hb。
[0017] 本發(fā)明另一種基于LED光源的無(wú)透鏡粒子顯微定位方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0018] 第一步：如果相機(jī)傳感器3為單色相機(jī)傳感器，LED光源1采用三個(gè)相同顏色的單 色LED，其中一個(gè)LED光源1先點(diǎn)亮，該點(diǎn)亮的LED光源1發(fā)出的準(zhǔn)單色光照射到樣品擺放 槽2,對(duì)應(yīng)一個(gè)角度入射到樣品擺放槽2中；
[0019] 第二步：樣品擺放槽2中的粒子對(duì)照射到該粒子上的光線具有調(diào)制作用，被調(diào)制 的光線形成物光，該物光包含一個(gè)主要傳播方向，對(duì)應(yīng)了該點(diǎn)亮的LED光源1，其余未照射 到粒子光線形成參考光，該參考光同樣包含一個(gè)主要傳播方向，對(duì)應(yīng)了該點(diǎn)亮的LED光源 1，該物光和參考光發(fā)生干涉得到干涉圖，相機(jī)傳感器3拍攝該干涉圖，得到的圖像數(shù)據(jù)記 為HR;點(diǎn)亮其余LED光源1，按上述步驟分別得到HpHB。上述三個(gè)拍攝過(guò)程的時(shí)間周期盡 量短，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。
[0020] 上述兩種方法中對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)HR，^HB用于粒子信息獲取，步驟如下：
[0021] 步驟1 :根據(jù)LED光源1的主要入射方向與相機(jī)傳感器的平面之間的夾角α，得到 三幅復(fù)振幅全息圖DR，DS，DB，即
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 其中￡: =Οχρ(./·?),(：為常數(shù)，j為虛數(shù)單位，f為波數(shù)，;§為空間平坐標(biāo)；a，b,c 分別表示三幅復(fù)振幅全息圖的強(qiáng)度，exp0表示指數(shù)函數(shù)，下標(biāo)R，G，B代表紅、綠、藍(lán)三種顏 色；
[0026] 步驟2 :對(duì)三幅復(fù)振幅全息圖％，0<；，％分別進(jìn)行二維傅立葉變換得到頻譜函