一種電荷耦合微位移測量方法
2023-10-24 05:12:57 2
專利名稱：一種電荷耦合微位移測量方法
技術領域：
本發明涉及一種位移測量方法，尤其是涉及一種適於微小位移測量的方法。
CCD(Charge Coupled Device)具有噪聲小、採集信號以數字方式存儲，易於後續處理等特點，所以其在位移測量領域得到了人們的重視及應用。通過對CCD所獲取目標圖象光能積分重心的提取可實現目標位置的判定(文獻1，馮琛，CCD太陽角度計中的形心計算法，紅外研究，1987，6(3)161-66；文獻2，譚偉軍、陳桂林，無衍射光束在CCD像點位值提取算法中的應用，光學技術，1998(6)13-15；文獻3，祝世平、房建成、周銳、俞文伯、申功勳，太陽能帆板平面度測量系統中光斑圖象處理方法研究，光學技術，1999(9)3-6)，此方法目前被廣泛採用。設包含了像斑輪廓的圖象的左下角為原點，圖象寬和高分別為m和n個像素，像素尺寸為a×b，按光能積分量重心提取法可知像斑位置(x，y)為x=i=1i=mj=1j=nig(i,j)/Isum-----(1)]]>y=i=1i=mj=1j=njg(i,j)/Isum-----(2)]]>其中，g(i，j)為像素(i，j)的灰度值，總積分量Isum為Isum=i=1i=mj=1j=ng(i,j)-----(3)]]>由於CCD像元具有一定的幾何尺寸，所以從CCD獲取的圖象具有局部積分平滑、採樣離散化等特點。在式(1)、(2)中，點(i，j)被當作了像素(i，j)的光積分量重心，這導致利用該方法所提取的位置信號勢必會受到CCD採樣離散化和像元尺寸的影響，給位移測量引進了系統誤差，致使CCD位移測量系統位移精度的降低(文獻4，Brian F.Alexander，et，Elimination ofSystematic Error in Subpixel Accuracy Centroid Estimation，Opt Eng，1991，130(9)1320-1331)。此外，目標圖象光能積分重心提取法還有計算量大，速度較慢，實現起來較困難的缺點。目前，微小位移的快速精確測量多採用四象限光電二極體探測器來實現(文獻5，Robert M.Simmons，Jeffrey T.Finer，Steven Chu，and James A.Spudich.，「Quantitative Measurements ofForce and Displacement Using an Optical Trap」，Biophysical Journal.1996，.1(4)pp 1813-1822.)。其原理是通過處理分析各象限光能積分量的變化來判斷目標位置。它具有靈敏度高、響應速度快等優點，但同時有需設計專門的電子線路、測量範圍小、調試難度大、噪聲難以抑制等缺點。
本發明的目的在於克服已有技術的不足，將包含了目標對象的CCD子窗口視為一「虛擬四象限探測器」，通過比較各象限的光能積分量偏差來實現目標位置的判定，從而提供一種廉價、方便、實用的微位移測量系統。該系統不需要設計專用電子線路、測量範圍方便可調、調試簡單、可有效抑制CCD光敏元尺寸對位移檢測的影響、計算量小、可快速完成目標位置提取、實現位移測量的亞像元解析度。
本發明的目的是這樣實現的本發明將包含了目標對象的CCD子窗口視為一「虛擬四象限探測器」，將CCD圖象數位化的特點與四象限光電二極體位置判斷機理相結合。由於球型物體具有良好的對稱性、像斑中心位置容易判斷，所以可將一球體粘接到檢測目標，通過對球體位移的記錄實現對檢測目標位移變化的間接檢測。如
圖1所示，一球型物體成象到CCD光敏面，將包含球體輪廓的子窗口限定為觀察窗口，把它當作一「虛擬四象限探測器」。所攝取圖象中像素的灰度級與相應曝光時間內光敏元的光積分量相對應，從而從攝取的圖象序列可分析比較「四象限探測器」四個象限的光積分量變化，得到目標的位移信息。設「虛擬四象限探測器」中心為原點，其寬和高分別為m和n個像素，則監視窗口的四象限總的光積分量I1、I2、I3和I4分別為I1=i=1i=m/2j=1j=n/2g(i,j)-----(4)]]>I2=i=-m/2i=-1j=1j=n/2g(i,j)-----(5)]]>I3=i=-m/2i=-1j=-n/2j=-1g(i,j)-----(6)]]>I4=i=1i=m/2j=-n/2j=-1g(i,j)-----(7)]]>橫向和縱向的光積分量偏差ΔIx、ΔIy為ΔIx＝(I1+I4)-(I2+I3) (8)ΔIy＝(I1+I2)-(I3+I4) (9)則所監視球體偏離中心的橫向和縱向的位移量xd、yd和光積分量偏差ΔIx、ΔIy的關係可分別表示為xd=Ixpx-----(10)]]>yd=Iypy-----(11)]]>其中px、py分別為每單位橫向和縱向的位移量對應的光積分量偏差。
理想條件下，球體在CCD上成像強度呈均勻分布，則光積分量偏差隨x，y的變化如圖2所示，其中x，y的變化同光積分量偏差基本呈線性，特別在初始位置附近具有良好的線性度，所以通過分析四個象限的光積分量偏差可判定目標球體的位移。
下面將該方法應用於水平二維位移的測量(如圖3所示)，具體步驟如下1)對光積分量偏差同目標球體位置的關係進行標定，即確定px、py的數值。球體2經光學放大系統3成像到CCD4的光敏面。
步驟1精密微動平臺1沿x方向作橫向移動，球體2在精密微動平臺的帶動下產生一橫向位移序列(xd0、xd1、xd2、… …、xdn)，同時記錄相應的圖象序列(frame0、frame1、frame2、……、framen)；步驟2根據球體圖象輪廓的初始位置、大小和移動範圍開闢位置和大小合適的子窗口，並將其視為「虛擬四象限探測器」；步驟3對所記錄的圖象序列進行背景濾除，以減小背景噪聲對探測精度的影響；步驟4由式4-8計算光積分量的偏差(ΔIx0、ΔIx1、ΔIx2、……、ΔIxn)；步驟5根據式10，由位移序列(xd0、xd1、xd2、… …、xdn)和相應的(ΔIx0、ΔIx1、ΔIx2、……、ΔIxn)計算每單位橫向位移量對應的光積分量偏差px。
將上述步驟1中精密微動平臺1的橫向移動改為縱向移動，重複以上步驟1-5即可定標每單位縱向位移量對應的光積分量偏差py。
2)對觀察目標位移變化的測量。
步驟1如圖4所示，將球體2固定於被檢測對象5；步驟2記錄相應的球體的圖象序列(frame0、frame1、frame2、……、framen)；步驟3根據球體的初始位置、大小和移動範圍開闢位置和大小合適的子窗口，並將其視為「虛擬四象限探測器」；步驟4對所記錄的圖象序列進行背景濾除，以減小背景噪聲對探測精度的影響；步驟5由式4-8計算光積分量的偏差(ΔIx0、ΔIx1、ΔIx2、……、ΔIxn)和(ΔIy0、ΔIy1、ΔIy2、……、ΔIyn)；步驟6根據式10、11，計算球體橫向和縱向的位移量(xd0、xd1、xd2、… …、xdn)、(yd0、yd1、yd2、… …、ydn)。由於檢測對象與球體1相連，故xd、yd同樣是檢測對象的位移變化。
若檢測對象為球體1本身，則上述步驟1可省略。
通過監視「虛擬四象限探測器」各象限光積分量的變化，判斷目標位移的過程不涉及CCD光敏元的尺寸，所以它不再是位移測量系統誤差的來源。與光能積分量重心提取法相比，CCD光敏元尺寸對位移檢測的影響得到有效抑制，可實現位移測量的亞像元解析度。
由式1-3知，要完成大小為m×n個像素的圖象像斑中心的提取，需進行3×m×n次加法運算、2×m×n次乘法運算和2次除法運算。而由式4-11知，用本發明所提供的方法完成同樣工作時僅需進行m×n+4次加法運算、2次減法運算和2次除法運算。相比而言，本發明運算次數的減少，特別是省略了複雜的乘法運算，使得位移測量系統計算量減小、可快速完成目標位置提取。
與四象限光電二極體檢測系統相比，由於本發明可根據目標位置、大小和移動範圍動態地改變「虛擬四象限探測器」的位置和大小，所以該方法使得位移測量系統測量範圍方便可調、調試簡單、且不需設計專用電子線路，有利於縮短位移測量系統的開發周期、降低成本。
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細描述圖1是「虛擬四象限探測器」示意圖；圖2是球體位置變化同光積分能量偏差的理論關係；圖3是「虛擬四象限探測器」的定標裝置示意圖；圖4是位移測量裝置示意圖；圖5是顯微成像系統示意圖；圖6是壓電精密微動平臺輸入信號；圖7是光積分量偏差的變化；圖8是1微米直徑的聚苯乙烯球體圖象，圖8(a)為濾除背景前，圖8(b)為濾除背景後；圖9是樣品池底部1微米直徑的聚苯乙烯球體的位移變化。
實施例1圖5是一顯微成像系統示意圖。其中光源6，透鏡7、9和反射鏡8共同組成照明系統；樣品池10固定在壓電精密微動平臺1上，壓電微動平臺驅動電壓同位移量關係為8nm/V；透鏡11、12、14和反射鏡13組成300倍放大成像系統，將處於樣品池內的觀察樣品成像到CCD4。
首先進行光積分量偏差同球心位置關係的標定。位移測量系統的定標過程如下步驟1將1微米的聚苯乙烯球體粘接在樣品池10的底部，壓電精密微動平臺1在如圖6所示峰-峰值為100V三角波的驅動下，沿x方向作峰-峰值為800nm的周期運動，記錄相應的圖象序列。相應CCD虛擬四象限探測器內x方向光積分量的偏差如圖7所示；步驟2根據球體的初始位置、大小和移動範圍在相應CCD圖象序列內開闢位置和大小合適的子窗口，並將其視為「虛擬四象限探測器」。如圖8所示，1微米的聚苯乙烯球體的像斑直徑約為40個像素，在此，我們開闢的「虛擬四象限探測器」尺寸為80×80像素；步驟3對所記錄的圖象序列進行背景濾除，以減小背景噪聲對探測精度的影響。在此，我們通過閾值設定濾除了圖象背景，圖8(a)、(b)分別給出了原始和濾除了背景的圖象；步驟4由式4-8計算光積分量偏差，如圖7所示；步驟5根據式10和壓電微動平臺驅動電壓同位移量的關係8nm/V，由圖6、7知px＝52 CCD灰度值/nm。
比較圖7，8知壓電微動平臺驅動電壓同光積分量的偏差呈較好的線性關係但仍有一定的偏差，這包括了驅動信號、壓電微動平臺及CCD成像系統的影響。其中壓電微動平臺的非線性和電滯特性是關鍵因素。
將上述步驟1中精密微動平臺1的橫向移動改為縱向移動，重複以上步驟1-5可定標每單位縱向位移量對應的光積分量偏差py，在以上實驗條件下，實驗結果表明py同px具有相同的值，即py＝52 CCD灰度值/nm。
上面對光積分量偏差與球體位置關係進行了標定，下面可用該系統對顯微成像系統的穩定性進行定量的測量步驟1將直徑為1μm的聚苯乙烯球體固定在樣品池底部，在無幹擾的條件下記錄CCD圖象序列；步驟2根據球體的初始位置、大小和移動範圍在相應CCD圖象序列內開闢位置和大小合適的子窗口，並將其視為一「虛擬四象限探測器」，在此我們開闢的「虛擬四象限探測器」尺寸為80×80像素；步驟3通過閾值設定，濾除圖象背景；步驟4由式4-8計算光積分量偏差；步驟5根據光積分量偏差，計算相應的位移量。
圖9(a)、(b)分別給出了球體在x、y方向的位移變化。由圖9知，在記錄時間內球體的位移變化峰-峰值小於8nm，圖9(a)、(b)中數據所對應的標準偏差分別為0.91nm、0.97nm。圖9中位移信號的隨機變化包括了整個系統的噪聲，如成像系統的穩定性、觀測球體自身與樣品池之間固定的穩定性等因素。像方一個數字圖象像素的尺寸大約對應物方30nm，這也就是說在本實驗的條件下，該方法的位移測量解析度優於1/30個像素尺寸。
權利要求
1.一種CCD微位移測量方法，其特徵在於包括以下步驟1)對光積分量偏差同目標球體位置關係的標定，即確定px、py的數值，位移測量系統的定標過程如下步驟1將球體與被檢測對象固定在一起，精密微動平臺沿x方向作橫向的周期運動，球體在精密微動平臺的帶動下產生一橫向位移序列(xd0、xd1、xd2、… …、xdn)，同時記錄相應的圖象序列(frame0、frame1、frame2、……、framen)，步驟2根據球體圖象輪廓的初始位置、大小和移動範圍在相應CCD圖象序列內開闢子窗口，並將其視為「虛擬四象限探測器」，步驟3通過閾值設定對所記錄的圖象序列進行背景濾除，步驟4計算光積分量的偏差，步驟5由位移序列(xd0、xd1、xd2、… …、xdn)和相應的光積分量偏差(ΔIx0、ΔIx1、ΔIx2、……、ΔIxn)計算每單位橫向位移量對應的光積分量偏差px，將上述步驟1中精密微動平臺1的橫向移動改為縱向移動，重複以上步驟1-5定標每單位縱向位移量對應的光積分量偏差py；2)對觀察目標位移變化的測量步驟1將球體固定於被檢測對象，在無幹擾的條件下記錄CCD圖象序列，步驟2根據球體的初始位置、大小和移動範圍在相應CCD圖象序列內開闢子窗口，並將其視為一「虛擬四象限探測器」，步驟3通過閾值設定，濾除圖象背景，步驟4計算光積分量的偏差(ΔIx0、ΔIx1、ΔIx2、……、ΔIxn)和(ΔIy0、ΔIy1、ΔIy2、……、ΔIyn)，步驟5根據光積分量偏差，計算球體橫向和縱向的位移量(xd0、xd1、xd2、… …、xdn)、(yd0、yd1、yd2、… …、ydn)，由於檢測對象與球體相連，故球體橫向和縱向的位移量xd、yd即是檢測對象的位移變化。
2.按權利要求1所述的CCD微位移測量方法，其特徵在於若檢測對象為球體本身，則上述步驟1可省略。
全文摘要
本發明涉及一種微小位移測量方法。本發明將包含了目標對象的CCD子窗口視為一「虛擬四象限探測器」,通過比較各象限的光能積分量偏差來實現目標位置的判定,從而提供一種廉價、方便、實用的微位移測量系統。該系統不需要設計專用電子線路、測量範圍方便可調、調試簡單、可有效抑制CCD光敏元尺寸對位移檢測的影響、計算量小、可快速完成目標位置提取、實現位移測量的亞像元解析度。
文檔編號G01B11/04GK1375683SQ01104110
公開日2002年10月23日 申請日期2001年3月15日 優先權日2001年3月15日
發明者姚新程, 李兆林, 郭紅蓮, 張道中 申請人:中國科學院物理研究所