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光镊系统关键技术研究:自动对焦与亚像素位移测量
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更新于2024-07-02
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"本文详细探讨了光镊系统的图像处理与系统控制技术实现,主要涉及自动对焦成像技术、亚像素位移测量以及三维平移台控制系统的开发与集成。" 在光镊技术中,自动对焦成像是一个至关重要的环节。论文深入分析了经典自动对焦技术的三个核心组成部分:调焦评价函数、窗口选择和路径搜索策略。通过对多种调焦评价函数的对比,找到了适用于光镊系统的最佳清晰度评价函数。此外,针对传统爬山算法在焦点附近可能存在的反复搜索问题,提出了一种结合曲线拟合的改进爬山算法,提高了算法的鲁棒性、时效性和精准性。 亚像素位移测量是另一个关键的技术点。论文详细研究了几种亚像素位移测量方法,包括灰度插值法、曲面拟合法、基于微区统计的梯度法和NIR迭代法。通过对这些方法进行实验分析,发现基于微区统计的梯度法在精度和计算效率上具有优势。为了进一步提升效率,论文提出了一种结合序贯相似法和梯度法的改进方法,实现了亚像素点的快速准确计算。 在系统控制层面,论文完成了三维平移台控制系统的二次开发,使其能够实现三维空间内的精确移动。这一成果为光镊系统的精细化操作提供了硬件基础。将工业相机、步进电机、平移台等硬件驱动模块与图像处理和自动对焦系统控制模块集成在一起,构建了一个综合的光镊系统控制与图像处理平台,极大地提升了系统的自动化和智能化程度。 这篇论文对于光镊系统的图像处理和系统控制技术进行了深入研究,为光镊技术在激光冷却、胶体化学、分子生物学等领域的应用提供了技术支持,推动了光镊系统的自动化和智能化进程。同时,提出的算法优化和系统集成方法对相关领域的研究与发展具有重要参考价值。
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第1章绪论
伤及被操作的细胞。飞秒激光与连续激光不同,它对被捕获粒子的力的作用随光作用
时间的不同而变化,当有光脉冲作用时,粒子便受光学力的作用,这与采用连续光源
的情况相似:当无光脉冲作用时,粒子不受光学梯度力的作用,获得瞬时自由,由于
布朗运动的影响,此时粒子的运动具有一定的随机性,又由于粒子自身重力作用,粒
子会偏离被捕获位置【18】。如果在下一个光脉冲作用期间,在光学梯度力作用下,偏离
被捕获位置的粒子又被拉回到被捕获位置,就称飞秒激光光镊实现了稳定捕获旧。
2.1《◇i
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图1.5飞秒激光显微操作实验样机结构卧18】,其中:1为飞秒脉冲激光器,2为光束耦合装置,
2.1为凸透镜,2-2、2.3为平面反射镜,2-4为检偏器,3为倒置显微镜主体,3.1为显微镜内部
光路,3.2为显微物镜,3.3为载物台,3.4为样品盒,3.5为照明光源,4.1为二维线性激励源,
4.2为CCD相机,4.3为目镜,4-4为计算机
光纤光镊系统即由光纤激光代替传统光镊系统中的捕获光源的新型光镊系统,因
光纤激光的灵活、不易受外界干扰等特性使光纤光镊有了独特的优势与特点。1993
年,A.Constable利用双光纤发出的半导体激光实现了光阱中微粒的束缚【19】,因此,
这项技术开始受到了人们的关注。光纤光镊可直接利用光纤出射的激光束实现对粒子
的微操控,能够使光阱及其操纵与光学显微镜分离,更便于操作调控和观察。光纤光
镊轻便、低廉、其光阱操纵更灵活,可以允许被捕获的生物样本自由移动,因此在生
物研究中发挥了十分重要的作用。此外,光纤头可以深入到样品池中,有效增大了搜
索捕陷粒子的范围,捕获系统与观测系统的分离也增加了可变化的自由度。2005年,
美国工程师利用光子晶体光纤发明了一类新型光镊将短脉冲藕合进一个高度非线性
的光子晶体光纤可以产生超连续白光,利用它的高度空间相干性可以将白光聚成很小
的点,形成强的“白光激光光镊”【19】。这种光镊不仅可以对微型物体进行固定、移动
等操作,而且具有非常宽的光谱,可以在多种波长范围内对物体进行光学散射光谱分
析。下图为光纤光镊的结构图。
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万方数据
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第l章绪论
图1.6光纤光镊的结构示意图,其中(a)为光镊阵列的原理图,(b)阵列光纤阵列的
局部细节显示图,(c)为使用设备(a)捕获二氧化硅小球的情况
综合以上分析可知,从最简单的单光束光镊到复杂的阵列式光镊系统,一个光镊
系统基本上由如下三部分组成,即(1)用于捕获粒子的粒子捕获系统、(2)对捕获
粒子进行成像的成像系统以及(3)系统机电控制与图像处理系统。对于不同光镊系
统,其三个部分的具体实现方式不同,但基本功能都是类似的。
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f计算机系统卜———÷——一运动控制器}—一电机控制器):
图1.7光镊的控制系统总体架构及流程图
机电系统控制和图像处理模块的基本原理如图1.7所示。在这个模块中,主要包
括机械传动机构、自动对焦成像机构、三维载物台平移机构、图像采集装置等,具体
功能如下:
(1)机架传动装置:对整个系统起到支撑作用同时还保证着系统运动的实现。
机架通过特定的连接方式与对焦运动机构、载物台运动机构相连接。
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第1罩绪论
(2)对焦运动机构:通过对焦机构调节,使物距、焦距和像距之间的相对位置
发生改变,从而得到清晰图像。
(3)载物台平移机构:在光镊系统中载物台是用来存放培养皿,当被测物体不
在镜头的视野之内时,需要调节载物台的位置。被测物体通过载物台沿着X和Y轴
在平面内移动(量程内)而移动。这个过程是需通过计算机或其他嵌入式控制器控制步
进电机驱动丝杠来完成运动的过程。
(4)图像采集装置:图像采集装置主要包括工业相机、工业镜头及其数据传输
设备。工业相机包括光感传感器、图数字像采集卡和传输数据线。其作用是将被测物
体生成相应的清晰的图像。
(5)运动控制硬件:运动控制系统即控制硬件之间的信号传递以及执行部分的
驱动,使得系统的执行部件可以根据上位机发出的命令完成一系列指定的动作过程。
控制分为开环控制和闭环控制两大类:开环控制指系统输出量不对系统控制产生作
用,因此容易构造且稳定性较好,但控制精度不高;闭环则将输出变量又引入系统中,
使得系统的响应对外部扰动和内部系统的参数变化均不大敏感,可以完成精确的点位
控制,但是闭环系统较容易出现震荡等稳定性问题。运动硬件一般为步进电机,或者
更高精度的伺服电机,甚至在超高精度和超稳定度中的压电陶瓷驱动器。
如何实现这些不同机构之间的高效、稳定和高精度的协同操控是决定光镊系统整
体性能的关键因素。
1.4本论文的研究内容及意义
如前所示,光镊系统中的机电系统控制与图像处理技术是影响系统性能的关键因
素,也是实现系统集成化、智能化和自动化的关键。论文针对这一需求,对其中的一
些关键技术进行了研究,主要包括光镊系统中的自动对焦技术、基于数学图像相关法
的亚像素位移测量技术以及三维平移台的控制技术,并搭建完成了综合的系统控制与
图像处理软件系统模块,实现了光镊操作的自动化、智能化、集成化。
为此,论文将开发一套机电控制与图像处理系统,系统组成及功能如图1.8所示。
该套系统软件的需求功能比较明显:图像采集功能,平移台控制功能,图像前后期的
处理和定量测量功能。在图像的采集功能中,必须要满足图像的实时显示,保存,感
兴趣区域的选择,以及相机的曝光时间、白色平衡、采集速度等的参数设置;平移台
的控制,其中基本功能包含:定量定向运动、位置显示、危险报警、参数设置、自动
对焦功能等:在图像的处理:中主要包括两个大部分,一是细胞图像的针对细胞的特
征的分析,如计数,细胞圆度、光亮度,大小等,另外一部分是针对光镊捕获细胞的
运行距离的测量,主要是标定,亚像素位移测量模块。
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第l章绪论
光镊系统的用户界面
、
/
、
,
图像采集模块
j
!
平移台控制模块
1
f操作界面其功能摸瑛!
工业相机的集成:
1.抓拍和连续采集的设
置,帧率的设置:
2.坏点检测、Ga嘲校
正模板获取;
3.图像分辨率、采集速
度、转化速度、白色平
衡的等相关设置:
4.感兴趣区域的选择
、视频的录制和固放、
图像的存储等;
步进电机集成:
1.电机硬件的相关设置如:
启动速度、加速度等;
2.单维运动控制如,粗精度
调,细调;
3.多维同步运行,安全报
警:
4.归零复位:
5.Z轴对自动对焦;
6.路径设置;
图1.8开发的系统模块组成及功能
1.细胞图像预处理:增
强、滤波分割等;
2细胞图像的特征、统计
分析如:大小,圆度,
计算等;
3.标定;
4.其他功能的扩展;
光学自动对焦是获得清晰图像的必不可少的前提,故自动对焦在图像获取以及测
量分析系统中有着非常重要的地位。没有光学系统的自动调焦,一些要求自动化场合
的监视、测量系统就无法实现。同时自动对焦还要求具有很好的鲁棒性和时效性,这
直接影响到实验进行的难易程度,以及能否应用到实际的工程中。因此,在自动化的
光镊的图像成像系统的成为重点个难点技术之一。
数字离散斑法相关法测量是20世纪80年代由Y狐aguehi和美国南卡罗来纳大学
的W.H.Peters和W.F.R孤son等人同时提出的【20】。由于有他具有非接触、全场测量、
光路相对简单、不需要光学干涉条纹处理、对测量环境无特定要求和可适用范围广等
众多优点,在固体力学、材料力学、复杂材料本构关系确定、生流体力学、电子封装、
工程检测与无损检测等诸多领域获得了广泛的应用,并有效地推动了其科学发展。
亚像素位移测量是在数字离散斑相关法基础上发展出来的一种新高精度测量方
法。其算法主要有如下几种:亚像素灰度插值法【211、曲面拟合法【22】、相关系数插值
法,牛顿一拉普森【23】(Newton-Rapshon,简称N.R)、基于梯度的方法;频率相关法,
后验概率算法,神经网络方法和基于迭代的最小二乘法【24】。这些算法测量精度所称精
度能到O.005.0.1piXel。在成像硬件一定的情况下,图像进行超分辨的亚像素处理对高
精度的要求就显得尤为重要。
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