基于数字全息的样品漂移主动补偿方法及装置

摘要

本发明属于精密测量领域，为提供一种样品漂移主动补偿方法及装置，提高测量系统对样品漂移的补偿速度和精度，并实现三维尺度上的漂移补偿。为此，本发明采取的技术方案是，基于数字全息的样品漂移主动补偿装置，包括：激光器，衰减器，特殊载玻片，三维纳米移动平台，物镜，二维高速光电检测器，处理系统，反馈系统，移动平台控制台，虚线处的平面为全息图平面；由激光器生成单色连续激光，用于系统的照明光源；衰减器用于调节激光器发出的照明激光的光强。本发明主要应用于精密测量。

权利要求

1.一种基于数字全息的样品漂移主动补偿方法，其特征是，利用如下装置实现：激光器，半透半反分光镜，第一衰减器，物镜，三维纳米移动平台，第二衰减器，扩束装置，分光棱镜，光阑，二维高速光电检测器，处理系统，反馈系统，移动平台控制台；具体步骤为：使单色连续激光垂直入射粒子场，被微球衍射的光波作为物光波，未被微球衍射的光波作为参考光波；这两束光波在二维高速光电检测器平面上干涉形成粒子场的全息图，记录在二维高速光电检测器上，由于微球是规则的，且其全息图是规则的圆环，因此对微球的平面位移测量根据对一系列全息图中圆心进行跟踪测量得到；确定圆心的位置就得到每个微球在平面位置上的分布，根据每个微球位置的偏移量可确定样品的漂移量，样品的平面漂移量可由下式确定：式中，Δx和Δy为系统的二维漂移量，Δxi和Δyi为单个微球的二维漂移量，n为微球的数量；

对于轴向位移的测量通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配方式来实现。

2.如权利要求1所述的基于数字全息的样品漂移主动补偿方法，其特征是，衍射图样相关性匹配的方式通过调整三维纳米移动平台进行轴向位移，在二维高速光电检测器中预存一系列全息图作为数据库，从而确定样品台的轴向位移量，在补偿轴向位移时，通过将获取的全息图和预存的全息图进行相关性计算，相关性最大的全息图所对应的轴向位移就是此时系统的轴向位移量。

3.如权利要求1所述的基于数字全息的样品漂移主动补偿方法，其特征是，数字全息对微球位置测量是对再现像的强度信息进行处理来实现的：通过对所记录的全息图进行不同距离的数字重构获得多幅重构强度图，从而得到微球在空间中的三维强度分布图，当重构距离与记录距离相等时，得到聚焦清晰的强度图像，此时微球位置的强度为最大值，根据微球纵向上强度曲线的峰值得到微球在纵向上的位置，从而实现对微球位置的测量。

4.如权利要求1所述的基于数字全息的样品漂移主动补偿方法，其特征是，轴向漂移量均可由下式确定：

式中，Δz为系统的轴向漂移量，Δzi为单个微球的轴向漂移量，再通过移动平台控制台控制纳米三维移动平台进行主动补偿。

说明书

基于数字全息的样品漂移主动补偿方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于精密测量领域，尤其涉及一种基于数字全息的样品漂移主动补偿方法及装置。技术背景

[0002] 对于高精密的测量设备而言，外界的轻微扰动会引起测量误差。尤其是精度要求很高的场所(nm量级)，设备运行时内部的振动，地面的振动和测量样品自身的流动都会造成测量误差，使测量的结果失真。

[0003] 例如对于超分辨显微系统而言，在其成像过程中，由于热漂移和应力漂移等因素的影响，样品会在轴向位置上发生位置漂移产生离焦，对显微系统的成像精度造成影响。特别是对于基于单分子定位的超分辨显微技术，如基于探针定位技术的光敏定位显微镜(Photo Activated Localization Microscopy，PALM)和随机光学重建显微镜(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，STORM)等，需要对同一样品面进行多次重复的成像，这种漂移所带来的影响更为明显，因为轴向漂移将导致多次重复成像的并非为同一样品面。同时，由于外界和自身的扰动因素造成移动平台发生的轻微振动会使样品发生轴向位移和平面位移。样品的平面漂移将使显微系统所成的相失真。因此，一种可以实时对样品的空间漂移进行检测并进行三维补偿的方法在显微系统中具有十分重要的应用价值。

[0004] 近年来，随着科学技术的发展，科研工作者们提出了多种测量样品漂移的方法，其中以光学非接触测量方法的应用最为广泛。目前，光学非接触测量方法多是基于共焦系统。这种系统虽然具有较好的测量精度，但是构造比较复杂，且只针对轴向漂移，无法实现三维漂移补偿。

发明内容

[0005] 为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种样品漂移主动补偿方法及装置，提高测量系统对样品漂移的补偿速度和精度，并实现三维尺度上的漂移补偿。为此，本发明采取的技术方案是，基于数字全息的样品漂移主动补偿装置，包括：激光器，衰减器，特殊载玻片，三维纳米移动平台，物镜，二维高速光电检测器，处理系统，反馈系统，移动平台控制台，虚线处的平面为全息图平面；

[0006] 由激光器生成单色连续激光，用于系统的照明光源；

[0007] 衰减器用于调节激光器发出的照明激光的光强；

[0008] 特殊载玻片固着于三维纳米移动平台上，用于承载样品并且附着或刻蚀微球；

[0009] 三维纳米移动平台通过调节位置用于主动补偿样品的漂移；

[0010] 物镜用于成像，使二维高速光电检测器获取全息图；

[0011] 二维高速光电检测器为CMOS或高速CCD，用于快速获取微球位相图的位置和位相的变化；

[0012] 处理系统根据二维高速光电检测器提供的微球位相图，通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配方式确定微球的位移量，从而得到样品的漂移量，向反馈系统提供信号确定其反馈量；

[0013] 反馈系统根据样品的漂移量向移动平台控制台提供反馈信号；

[0014] 移动平台控制台接收反馈信号，根据反馈信号输出电压驱动位置调节进行纳米级的补偿。

[0015] 用于附着的微球是直径为0.5-10μm的微球；微球固定在三维纳米移动平台基底上，微球的固定分为物理方法和生物包被法两种。物理方法是将微球熔融在玻璃基底上达到固定的目的，生物包被法是在微球表面用链霉亲和素包被，用氨基或者羧基基团对玻璃基底进行修饰，通过化学键的作用将微球固定在玻璃基底上；

[0016] 直接刻蚀出微球：刻蚀的方式分为干法刻蚀和湿法刻蚀，湿法刻蚀主要通过腐蚀液与三维纳米移动平台基底玻璃表面接触形成一个硅酸盐层，然后被研磨掉；干法刻蚀通过刻蚀气体或高速离子撞击等方式破坏三维纳米移动平台基底二氧化硅表面从而实现刻蚀效果。

[0017] 基于数字全息的样品漂移主动补偿装置，包括：激光器，半透半反分光镜，第一衰减器，物镜，三维纳米移动平台，第二衰减器，扩束装置，分光棱镜，光阑，二维高速光电检测器，处理系统，反馈系统，移动平台控制台；

[0018] 由激光器生成单色连续激光，用于系统的照明光源；

[0019] 半透半反分光镜透过部分连续激光作为物光波，反射部分连续激光作为参考光波；

[0020] 第一衰减器用于调节透过半透半反分光镜的激光强度。

[0021] 物镜用于将调节后的连续激光聚焦于样品并反向收集样品表面反射的物光波；

[0022] 三维纳米移动平台上放置有待测样品，通过调节位置用于主动补偿样品的漂移；

[0023] 第二衰减器用于调节半透半反分光镜反射的激光强度，作为参考光波；

[0024] 扩束镜由两个透镜组成，用于调整参考光波的信宽与经物镜反向收集的物光波信宽相同；

[0025] 分光棱镜用于将扩束后的参考光波与物光波合束；

[0026] 光阑用于遮挡透过分光棱镜的参考光波；

[0027] 二维高速光电检测器为CMOS或高速CCD，用于快速获取微球位相图的位置和位相的变化；

[0028] 处理系统根据二维高速光电检测器提供的微球位相图，通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配等方式确定微球的位移量，从而得到样品的漂移量，向反馈系统提供信号确定其反馈量；

[0029] 反馈系统根据样品的漂移量向移动平台控制台提供反馈信号；

[0030] 移动平台控制台接收反馈信号，根据反馈信号输出电压控制纳米三维移动平台进行纳米级的补偿。

[0031] 基于数字全息的样品漂移主动补偿方法，利用前述装置实现，具体步骤为：使单色连续激光垂直入射粒子场，被微球衍射的光波作为物光波，未被微球衍射的光波作为参考光波；这两束光波在二维高速光电检测器平面上干涉形成粒子场的全息图，记录在二维高速光电检测器上，由于微球是规则的，且其全息图是规则的圆环，因此对微球的平面位移测量根据对一系列全息图中圆心进行跟踪测量得到；确定圆心的位置就得到每个微球在平面位置上的分布’根据每个微球位置的偏移量可确定样品的漂移量，样品的平面漂移量可由下式确定：

[0032]

[0033]

[0034] 式中，Δx和Δy为系统的二维漂移量，Δxi和Δyi为单个微球的二维漂移量，n为微球的数量；

[0035] 对于轴向位移的测量通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配方式来实现。

[0036] 衍射图样相关性匹配的方式主要通过调整三维纳米移动平台进行轴向位移，在二维高速光电检测器中预存一系列全息图作为数据库，从而确定样品台的轴向位移量，在补偿轴向位移时，通过将获取的全息图和预存的全息图进行相关性计算，相关性最大的全息图所对应的轴向位移就是此时系统的轴向位移量。

[0037] 数字全息对微球位置测量是对再现像的强度信息进行处理来实现的：通过对所记录的全息图进行不同距离的数字重构获得多幅重构强度图，从而得到微球在空间中的三维强度分布图，当重构距离与记录距离相等时，得到聚焦清晰的强度图像。此时微球位置的强度为最大值。根据微球纵向上强度曲线的峰值得到微球在纵向上的位置，从而实现对微球位置的测量。

[0038] 两种实现方式的轴向漂移量均可由下式确定：

[0039]

[0040] 式中，Δz为系统的轴向漂移量，Δzi为单个微球的轴向漂移量，再通过移动平台控制台控制纳米三维移动平台进行主动补偿。

[0041] 与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

[0042] 本发明将数字全息技术应用于超分辨显微系统，因而实现了多微球纳米位移测量，其测量分辨率可达到纳米量级，补偿的响应时间可达到毫秒量级，并可对样品漂移进行三维补偿。

附图说明

[0043] 图1是本系统的透射式光路示意图。

[0044] 图中，(1)为激光器，(2)为衰减器，(3)为特殊载玻片，(4)为三维纳米移动平台，(5)为物镜，(6)为二维高速光电检测器，(7)为处理系统，(8)为反馈系统，(9)为移动平台控制台，虚线处的平面为全息图平面。

[0045] 图2是本系统的反射式光路示意图。

[0046] 图中，(10)为激光器，(11)为半透半反分光镜，(12)为衰减器，(13)为物镜，(14)为三维纳米移动平台，(15)为衰减器，(16)为扩束装置，(17)为分光棱镜，(18)为光阑，(19)为二维高速光电检测器，(20)为处理系统，(21)为反馈系统，(22)为移动平台控制台。

具体实施方式

[0047] 数字全息技术是一种新型的三维成像技术，其基本原理是采用光敏电子成像器件代替传统的全息干板记录全息图，并模拟光学衍射过程，再现出原始物场的波前分布，从而实现物场的三维重建。数字全息显微技术具有高分辨率、非接触、抗震性好、实时、全视场微观测量等特点，已经广泛应用到微结构表面形貌测量、生物医学、粒子流速测量等领域。目前，数字全息技术应用在超高分辨显微领域，可以使用微球进行空间位置的检测，通过微球位相图的位置和位相的变化分别求取平面位移和轴向位移。数字全息技术得到的是微球的位相分布，照明的均匀性和波动、外界杂散光带来的影响能够被很大程度地抑制。目前数字全息技术测量微球轴向位移的分辨力已处于纳米量级，因此基于数字全息的样品补偿装置其精度可达纳米级别。

[0048] 本发明的技术方案如下：

[0049] 1.一种基于数字全息的样品漂移主动补偿方法及装置，其中，采用透射式补偿方式，包括：激光器(1)，衰减器(2)，特殊载玻片(3)，三维纳米移动平台(4)，物镜(5)，二维高速光电检测器(6)，处理系统(7)，反馈系统(8)，移动平台控制台(9)，虚线处的平面为全息图平面。

[0050] 2.由激光器(1)生成单色连续激光，用于系统的照明光源。

[0051] 3.衰减器(2)用于调节激光器(1)发出的照明激光的光强。

[0052] 4.特殊载玻片(3)用于承载样品并且附着或刻蚀微球。

[0053] 本发明实例中，用于附着的微球是直径为0.5-10μm的微球。首先需要将微球固定在基底上。微球的固定一般分为物理方法和生物包被法两种。物理方法是将微球熔融在玻璃基底上达到固定的目的，生物包被法是在微球表面用链霉亲和素包被，用氨基或者羧基基团对玻璃基底进行修饰，通过化学键的作用将微球固定在玻璃基底上。

[0054] 本发明实例中，还可直接在玻璃片上直接刻蚀出微球。刻蚀的方式分为干法刻蚀和湿法刻蚀。湿法刻蚀主要通过腐蚀液与玻璃表面接触形成一个硅酸盐层，然后在与抛光板接触时被研磨掉。抛光板是刻蚀微球时所用的工具。干法刻蚀通过刻蚀气体或高速离子撞击等方式破坏二氧化硅表面从而实现刻蚀效果。

[0055] 5.三维纳米移动平台(4)通过调节位置用于主动补偿样品的漂移。

[0056] 6.物镜(5)用于成像，使二维高速光电检测器(6)获取全息图。图中虚线处的平面为全息图平面。

[0057] 7.二维高速光电检测器(6)为CMOS或高速CCD，用于快速获取微球位相图的位置和位相的变化。

[0058] 8.处理系统(7)根据二维高速光电检测器(6)提供的微球位相图，通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配等方式确定微球的位移量，从而得到样品的漂移量，向反馈系统(8)提供信号确定其反馈量。

[0059] 9.反馈系统(8)根据样品的漂移量向移动平台控制台(9)提供反馈信号。

[0060] 10.移动平台控制台(9)接收反馈信号，根据反馈信号输出电压控制纳米三维移动平台(4)进行纳米级的补偿。

[0061] 11.采用反射式补偿方式，包括：激光器(10)，半透半反分光镜(11)，衰减器(12)，物镜(13)，三维纳米移动平台(14)，衰减器(15)，扩束装置(16)，分光棱镜(17)，光阑(18)，二维高速光电检测器(19)，处理系统(20)，反馈系统(21)，移动平台控制台(22)。

[0062] 12.由激光器(10)生成单色连续激光，用于系统的照明光源。

[0063] 13.半透半反分光镜(11)透过部分连续激光作为物光波，反射部分连续激光作为参考光波。

[0064] 14.衰减器(12)用于调节透过半透半反分光镜(12)的激光强度。

[0065] 15.物镜(13)用于将调节后的连续激光聚焦于样品并反向收集样品表面反射的物光波。

[0066] 16.三维纳米移动平台(14)通过调节位置用于主动补偿样品的漂移。

[0067] 17.衰减器(15)用于调节半透半反分光镜(11)反射的激光强度，作为参考光波。

[0068] 18.扩束镜(16)由两个透镜组成，用于调整参考光波的信宽与经物镜(13)反向收集的物光波信宽相同。

[0069] 19.分光棱镜(17)用于将扩束后的参考光波与物光波合束。

[0070] 20.光阑(18)用于遮挡透过分光棱镜(17)的参考光波。

[0071] 21.二维高速光电检测器(19)为CMOS或高速CCD，用于快速获取微球位相图的位置和位相的变化。

[0072] 22.处理系统(20)根据二维高速光电检测器(19)提供的微球位相图，通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配等方式确定微球的位移量，从而得到样品的漂移量，向反馈系统(21)提供信号确定其反馈量。

[0073] 23.反馈系统(21)根据样品的漂移量向移动平台控制台(22)提供反馈信号。

[0074] 24.移动平台控制台(22)接收反馈信号，根据反馈信号输出电压控制纳米三维移动平台(14)进行纳米级的补偿。

[0075] 数字全息技术可以直接得到物体的相位分布，即可测量物体的表面形貌、折射率、温度场等参数，通过比较物体变化前后的相位差就可实施运动、变形或物性的测量。目前对于微米尺度的微球，位移测量的分辨力为纳米量级。数字全息技术应用在超高分辨显微领域，可以使用微球进行空间位置的检测，通过微球位相图的位置和位相的变化分别求取平面位移和轴向位移。本发明基于数字全息技术，并提出相应的光学系统，结合附图，详细说明如下。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0076] 图1示出了本发明实施例提供的基于数字全息的样品漂移主动补偿方法及装置的透射式光路示意图，详述如下。

[0077] 激光器(1)生成单色连续激光，用于系统的照明光源。

[0078] 衰减器(2)用于调节激光器(1)发出的单色连续激光的强度。

[0079] 特殊载玻片(3)用于承载样品并附着或刻蚀微球。以附着方法为例，在载玻片中心位置注射微量的微球溶液，用平底加热器加热使微球熔融在玻片基底上，同时使液体蒸发。沿着载玻片长边，在微球周围两端贴上封口膜，将盖玻片覆盖在封口膜上，放在加热器上加热。封口膜在加热的过程中融化，轻轻平压盖玻片将其粘贴在载玻片上形成样品槽。用移液器吸取纯水从盖玻片边缘注射入样品槽。由于液体的毛细现象，纯水将会充满整个样品槽从而排去空气，最后用环氧树脂将样品槽两端密封。

[0080] 三维纳米移动平台(4)通过调节位置用于主动补偿样品的漂移。

[0081] 物镜(5)用于成像，使二维高速光电检测器(6)获取全息图。

[0082] 二维高速光电检测器(6)为CMOS或高速CCD，用于快速获取微球位相图的位置和位相的变化。

[0083] 单色连续激光垂直入射粒子场，被微球衍射的光波作为物光波，未被微球衍射的光波作为参考光波。这两束光波在二维高速光电检测器平面上干涉形成粒子场的全息图，记录在二维高速光电检测器上。由于微球是规则的，且其全息图是规则的圆环，因此对微球的平面位移测量可以根据对一系列全息图中圆心进行跟踪测量得到。确定圆心的位置就可以得到每个微球在平面位置上的分布。根据每个微球位置的偏移量可确定样品的漂移量。故样品的平面漂移量可由下式确定：

[0084]

[0085]

[0086] 式中，Δx和Δy为系统的二维漂移量，Δxi和Δyi为单个微球的二维漂移量，n为微球的数量。

[0087] 对于轴向位移的测量主要通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配等方式来实现。

[0088] 衍射图样相关性匹配的方式主要通过调整三维纳米移动平台进行轴向位移，在二维高速光电检测器中预存一系列全息图作为数据库，从而确定样品台的轴向位移量。在补偿轴向位移时，通过将获取的全息图和预存的全息图进行相关性计算，相关性最大的全息图所对应的轴向位移就是此时系统的轴向位移量。

[0089] 数字全息对微球位置测量是对再现像的强度信息进行处理来实现的。通过对所记录的全息图进行不同距离的数字重构获得多幅重构强度图，从而得到微球在空间中的三维强度分布图。当重构距离与记录距离相等时，得到聚焦清晰的强度图像。此时微球位置的强度为最大值。根据微球纵向上强度曲线的峰值得到微球在纵向上的位置，从而实现对微球位置的测量。

[0090] 两种实现方式的轴向漂移量均可由下式确定：

[0091]

[0092] 式中，Δz为系统的轴向漂移量，Δzi为单个微球的轴向漂移量。再通过移动平台控制台控制纳米三维移动平台进行主动补偿。

[0093] 处理系统(7)根据二维高速光电检测器(6)提供的微球位相图，通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配等方式确定微球的位移量，从而得到样品的漂移量，向反馈系统(8)提供信号确定其反馈量。

[0094] 反馈系统(8)根据样品的漂移量向移动平台控制台(9)提供反馈信号。电压反馈电路，根据样品的漂移量向移动平台控制台(9)提供电压信号，控制纳米三维移动平台(4)进行纳米级的补偿。

[0095] 移动平台控制台(9)接收反馈信号，根据反馈信号输出电压控制纳米三维移动平台(4)进行纳米级的补偿。

[0096] 图2示出了本发明实施例提供的基于数字全息的样品漂移主动补偿方法及装置的反射式光路示意图，详述如下。

[0097] 激光器(10)生成单色连续激光，用于系统的照明光源。

[0098] 半透半反分光镜(11)透过部分连续激光作为物光波，反射部分连续激光作为参考光波。

[0099] 衰减器(12)用于调节透过半透半反分光镜(11)的连续激光的强度。

[0100] 物镜(13)用于将调节后的连续激光聚焦于样品并反向收集样品表面反射的物光波。

[0101] 三维纳米移动平台(14)通过调节位置用于主动补偿样品的漂移。

[0102] 衰减器(15)用于调节半透半反分光镜(11)反射的连续激光的强度，作为参考光波。

[0103] 扩束装置(16)由两个透镜组成，用于调整参考光波的信宽与经物镜(13)反向收集的物光波信宽相同。

[0104] 分光棱镜(17)用于将扩束后的参考光波与物光波合束。

[0105] 光阑(18)用于遮挡透过分光棱镜(17)的参考光波。

[0106] 二维高速光电检测器(19)为CMOS或高速CCD，用于快速获取微球位相图的位置和位相的变化。

[0107] 处理系统(20)根据二维高速光电检测器(19)提供的微球位相图，通过全息图的数值重构或利用衍射图样相关性匹配等方式确定微球的位移量，从而得到样品的漂移量，向反馈系统(21)提供信号确定其反馈量。

[0108] 反馈系统(21)根据样品的漂移量向移动平台控制台(22)提供反馈信号。

[0109] 移动平台控制台(22)接收反馈信号，根据反馈信号输出电压控制纳米三维移动平台(14)进行纳米级的补偿。