[发明专利]一种定位与表征球形微粒的方法及其装置

说明书

本发明公开了一种定位与表征球形微粒的方法及其装置。该方法的步骤为：S1采集暗场图像；S2采集光源均匀照射下的明场图像；S3在传感器上方放置含有球形微粒的溶液样本，采集全息图序列，同时调整相机曝光时间；S4估计空视场下的传感器平面的图像，作为背景图像；S5对拍摄的全息图以及背景图像进行平场校正；S6得到归一化的光源照射样本形成的全息图像；S7将全息图像拟合至由散射函数和入射光场所描述的表达式，对拍摄的微粒实现高精度三维定位，并同时精确表征微粒的尺寸和折射率信息。本发明将无透镜显微装置拍摄的全息图与Lorenz‑Mie理论相结合，可以对与传感器芯片一致大小的视场下的球形微粒实现亚微米级精度的定位。

技术领域

本发明属于无透镜显微领域，尤其涉及一种定位与表征球形微粒的方法及其装置。

背景技术

大量的现有和新兴的应用将受益于对微粒运动的定位、表征或追踪，如生物医学、流体力学和软物质领域中的胶体球、纳米棒、蛋白质聚集体等的定位与追踪，水质检测中污染物的表征等。

先前的对于微粒的追踪与表征等相关研究是建立在标准的倒置光学显微镜上，用准直、衰减的HeNe激光器替代传统的白炽照明器和聚光器。利用常规的目镜来放大干涉图案，然后用灰度摄像机记录全息图。然而，这种技术受到视场(FOV，field-of-view)和成像分辨率二者互相制衡的影响。标准的光学显微镜的高放大倍率代表了更小的视场，因而阻碍了其在需要大视野下定位、识别、追踪多个微粒的情况下的应用。为了获得高分辨率和大视场的图像，需要机械扫描和拼接来扩大有限的视场，这不仅使成像过程复杂化，而且显著增加了这些系统的总体成本。即使如此，时间分辨率仍然会受到影响。

无透镜全息显微镜近年来已经成为新的成像技术。与基于透镜的传统全息显微镜相比，无透镜全息显微镜直接对透过物体的光线采样，而无需在物体和传感器平面之间使用任何成像透镜，因此空间带宽积与空间分辨率不再相关。具有单倍放大率(样本与传感器平面距离极小，几乎不存在放大)的无透镜全息显微镜与成像传感器有着一致大小的视场，而不需要任何透镜和其他中间光学元件。这允许成像装置可以进一步的简化，同时有效地避免了传统的基于透镜的成像系统中不可避免的光学像差和色散。此外，整个系统结构紧凑，成本效益高，为资源有限的环境中大视场下多微粒的同时定位和表征提供了一种可能的解决方案。

目前的研究中，对无透镜全息显微拍摄的图像使用角谱法和自动对焦算法实现对样本粗糙的定位，根据反向传播到焦平面的图像实现对样本尺寸的粗略估计。此种方法只能实现对样本粗略的定位与尺寸估计，并且无法获得样本的组成成分的相关信息。

发明内容

针对以上现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种定位与表征球形微粒的方法，该方法可以在大视场下对各球形微粒精确定位并表征，得到各个微粒的尺寸与折射率信息。本发明的另外一个目的是提供实现该方法的装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种定位与表征球形微粒的方法，包括如下步骤：

S1，关闭光源，采集暗场图像；

S2，打开光源，采集光源均匀照射下的明场图像；

S3，在传感器上方放置含有球形微粒的溶液样本，并保证样本到传感器的距离远小于样本到光源的距离；打开光源，按一定的时间间隔采集全息图序列，同时调整相机曝光时间，避免微粒无规则布朗运动造成的干涉图案模糊；

S4，估计空视场下的传感器平面的图像，作为背景图像，即入射光照射无微粒存在的溶液并传播至传感器平面形成的图像；

S5，对步骤S3的全息图以及步骤S4估计出的背景图像进行平场校正；

S6，根据平场校正后的背景图像对平场校正后的全息图进行归一化，得到归一化的光源照射样本形成的全息图像；