一種基于光學(xué)俘獲的原位校準(zhǔn)壓電平臺(tái)位移的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于光學(xué)俘獲的原位校準(zhǔn)壓電平臺(tái)位移的方法，該方法通過分析光鑷系統(tǒng)中被俘獲標(biāo)準(zhǔn)尺寸小球的布朗運(yùn)動(dòng)的位置信號(hào)，可以高精度檢測壓電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位移幅度和頻率。該方法除了需要被檢測的壓電平臺(tái)外，還需要在顯微成像下利用激光俘獲標(biāo)準(zhǔn)微粒，并采用探測器快速探測微粒的位置運(yùn)動(dòng)信號(hào)。通過壓電平臺(tái)發(fā)送低頻固定振幅的運(yùn)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)樣品室運(yùn)動(dòng)，光阱中被俘獲微粒受到流體周期性粘滯阻力的作用，檢測微粒的運(yùn)動(dòng)信號(hào)可校準(zhǔn)位置敏感探測器的電壓比例系數(shù)。然后再次用壓電平臺(tái)發(fā)送信號(hào)驅(qū)動(dòng)樣品室運(yùn)動(dòng)，分析被捕獲微粒的功率譜，并將功率譜尖峰與本底熱噪聲比較反演出壓電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位移的真實(shí)幅度，尖峰所在頻率即為壓電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的頻率。
【專利說明】一種基于光學(xué)俘獲的原位校準(zhǔn)壓電平臺(tái)位移的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)高精度位移檢測和光學(xué)微操縱【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于光學(xué) 俘獲的原位校準(zhǔn)壓電平臺(tái)位移的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓電平臺(tái)在生物顯微鏡、光鑷和原子力顯微鏡等需要精密控制位移的儀器上有著 廣泛應(yīng)用。壓電平臺(tái)有著納米運(yùn)動(dòng)的精度，但在實(shí)際使用時(shí)，受到環(huán)境和固定耦合件等各種 因素的影響，驅(qū)動(dòng)所承載固定件或樣品運(yùn)動(dòng)幅度與儀器驅(qū)動(dòng)標(biāo)稱值會(huì)有偏差，這種偏差會(huì) 導(dǎo)致壓電平臺(tái)作為準(zhǔn)確測量儀器用于標(biāo)定其它信號(hào)時(shí)會(huì)傳遞較大的誤差。對(duì)光鑷和原子力 顯微鏡系統(tǒng)，許多參數(shù)的校準(zhǔn)都依賴壓電平臺(tái)精確運(yùn)動(dòng)的幅度，因此，壓電平臺(tái)自身運(yùn)動(dòng)幅 度的偏差導(dǎo)致后續(xù)校準(zhǔn)參數(shù)偏離正常值。
[0003] 壓電平臺(tái)儀器出廠時(shí)有各種檢測方法，最常用的光學(xué)干涉法校準(zhǔn)壓電陶瓷的運(yùn)動(dòng) 信號(hào)具有很高精度。但在實(shí)際使用中，用該方法校準(zhǔn)壓電平臺(tái)上樣品室的運(yùn)動(dòng)幅度存在一 定困難，如壓電平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅度受到運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)方向的影響。采用粘底微粒檢測運(yùn)動(dòng) 幅度的圖像法，檢測精度依賴微粒位置的精度，難以分析較高頻率下微粒的運(yùn)動(dòng)。
[0004] 本發(fā)明基于光學(xué)俘獲提出在實(shí)際工作環(huán)境中檢測壓電平臺(tái)特性的方法，即原位校 準(zhǔn)壓電平臺(tái)位移法，將待測壓電平臺(tái)和樣品室安裝在帶有光電探測位移的光鑷系統(tǒng)上，通 過本發(fā)明提出的一套標(biāo)準(zhǔn)操作流程和數(shù)據(jù)分析，即實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電平臺(tái)位移的高精度檢測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的提供一種原位檢測壓電平臺(tái)位移的方法，該方法對(duì)平臺(tái)位移特性的 檢測具有普實(shí)性，適用于進(jìn)行微小位移的精密測量系統(tǒng)。該方法還適合利用平臺(tái)提供的高 精度位移測量提升單分子檢測中力譜的精度。
[0006] 本發(fā)明的原理在于：
[0007] 本發(fā)明利用光鑷檢測壓電平臺(tái)真實(shí)運(yùn)動(dòng)幅度和頻率流程，見圖1。利用壓電平臺(tái)驅(qū) 動(dòng)樣品室運(yùn)動(dòng)，利用光鑷檢測被捕獲微粒的受限布朗運(yùn)動(dòng)，根據(jù)流體力學(xué)法校準(zhǔn)位置探測 器的電壓比例系數(shù)，反過來用校準(zhǔn)的比例系數(shù)分析在壓電平臺(tái)驅(qū)動(dòng)下受限微粒運(yùn)動(dòng)信號(hào)的 功率譜，獲得真實(shí)運(yùn)動(dòng)幅度。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：該方法的步驟如下：
[0009] 步驟1、構(gòu)建光鑷系統(tǒng)包括激光器（1)、第一透鏡（2)、第二透鏡（3)、第一全反射平 面鏡（4)、第二全反射平面鏡（5)、第三透鏡（6)、45度半反半透平面鏡（7)、第四透鏡（8)、 高倍顯微物鏡（9)、待測壓電平臺(tái)（10)、樣品室（11)、第五透鏡（12)、低通濾波鏡片（13)、第 六透鏡（14)、位置敏感探測器（15)和照明光源（16);將激光器⑴發(fā)射的光束經(jīng)過第一透 鏡（2)和第二透鏡（3)擴(kuò)束成平行光入射到第一全反射平面鏡（4)，經(jīng)第一全反射平面鏡 (4)反射后入射到第二全反射平面鏡（5)，經(jīng)第二全反射平面鏡（5)反射后再依次經(jīng)過第三 透鏡（6)、45度半反半透平面鏡（7)和第四透鏡（8)后入射到高倍顯微物鏡（9)后瞳的光 斑大約6mm，第三透鏡（6)和第四透鏡（8)用于擴(kuò)束，45度半反半透平面鏡（7)用于反射光 束，樣品室（11)放置在待測壓電平臺(tái)（10)上，樣品室內(nèi)充滿聚苯乙烯微球懸浮液，通過物 鏡（9)聚焦的光束捕獲微粒，經(jīng)微粒散射的激光由第五透鏡（12)重新會(huì)聚，會(huì)聚的激光經(jīng) 過低通濾波鏡片（13)折返對(duì)準(zhǔn)位置敏感探測器（15)靶面，低通濾波鏡片（13)為反射激光 透過照明光的低通濾波鏡片，第六透鏡（14)將第五透鏡（12)后焦面的光斑共軛成像投影 在位置敏感探測器（15)靶面上，照明光源（16)(的照明光）經(jīng)過第五透鏡（12)聚焦對(duì)樣 品照明，由視頻監(jiān)控相機(jī)（17)成像并通過計(jì)算機(jī)視屏實(shí)時(shí)顯示；
[0010] 步驟2、使用未經(jīng)修正的三角波運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)樣品室周期性運(yùn)動(dòng)，根據(jù)視頻監(jiān)控相機(jī) (17)和位置敏感探測器（15)同時(shí)監(jiān)控被光阱捕獲微粒的位置，測定在位置敏感探測器 (15)上電壓轉(zhuǎn)換為位移的比例系數(shù)3 ;
[0011] 步驟3、發(fā)送特定振幅A和頻率fd的正弦波驅(qū)動(dòng)待測的壓電平臺(tái)（10)，用位 置敏感探測器（15)測量阱中微粒的位置信號(hào)，其功率譜P(f)與頻率f滿足，P(f)=

【權(quán)利要求】
1. 一種基于光學(xué)俘獲的原位校準(zhǔn)壓電平臺(tái)位移的方法，其特征在于：該方法的步驟如 下： 步驟1、構(gòu)建光鑷系統(tǒng)包括激光器（1)、第一透鏡（2)、第二透鏡（3)、第一全反射平面鏡 (4)、第二全反射平面鏡（5)、第三透鏡（6)、45度半反半透平面鏡（7)、第四透鏡（8)、高倍顯 微物鏡（9)、待測壓電平臺(tái)（10)、樣品室（11)、第五透鏡（12)、低通濾波鏡片（13)、第六透鏡 (14)、位置敏感探測器（15)和照明光源（16);將激光器（1)發(fā)射的光束經(jīng)過第一透鏡（2) 和第二透鏡（3)擴(kuò)束成平行光入射到第一全反射平面鏡（4)，經(jīng)第一全反射平面鏡（4)反 射后入射到第二全反射平面鏡（5)，經(jīng)第二全反射平面鏡（5)反射后再依次經(jīng)過第三透鏡 (6)、45度半反半透平面鏡（7)和第四透鏡（8)后入射到高倍顯微物鏡（9)后瞳的光斑大約 6mm，第三透鏡（6)和第四透鏡（8)用于擴(kuò)束，45度半反半透平面鏡（7)用于反射光束，樣品 室（11)放置在待測壓電平臺(tái)（10)上，樣品室內(nèi)充滿聚苯乙烯微球懸浮液，通過物鏡（9)聚 焦的光束捕獲微粒，經(jīng)微粒散射的激光由第五透鏡（12)重新會(huì)聚，會(huì)聚的激光經(jīng)過低通濾 波鏡片（13)折返對(duì)準(zhǔn)位置敏感探測器（15)靶面，低通濾波鏡片（13)為反射激光透過照明 光的低通濾波鏡片，第六透鏡（14)將第五透鏡（12)后焦面的光斑共軛成像投影在位置敏 感探測器（15)靶面上，照明光源（16)的照明光經(jīng)過第五透鏡（12)聚焦對(duì)樣品照明，由視 頻監(jiān)控相機(jī)（17)成像并通過計(jì)算機(jī)視屏實(shí)時(shí)顯示； 步驟2、使用未經(jīng)修正的三角波運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)樣品室周期性運(yùn)動(dòng)，根據(jù)視頻監(jiān)控相機(jī)（17) 和位置敏感探測器（15)同時(shí)監(jiān)控被光阱捕獲微粒的位置，測定在位置敏感探測器（15)上 電壓轉(zhuǎn)換為位移的比例系數(shù)3 ; 步驟3、發(fā)送特定振幅A和頻率fd的正弦波驅(qū)動(dòng)待測的壓電平臺(tái)（10)，用位置 敏感探測器（15)測量阱中微粒的位置信號(hào)，其功率譜P(f)與頻率f滿足，P(f)=
PthOTal⑴+Pf_⑴，其中受限熱運(yùn)動(dòng)的功率譜為 f。為顆粒在光阱 J
為探測器的電壓比例系數(shù)，PV°U(f)為探測器實(shí)測的電壓信號(hào)的功率譜；根據(jù) 洛侖茲線型擬合為
、B為擬合參數(shù)，獲得
，實(shí)際 中的特征頻率；受迫運(yùn)動(dòng)的功率譜 S為脈沖函數(shù)；P(f)= * 運(yùn)動(dòng)幅度
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于光學(xué)俘獲的原位校準(zhǔn)壓電平臺(tái)位移的方法，其特征在 于：該方法可以校準(zhǔn)電動(dòng)平臺(tái)的位移。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于光學(xué)俘獲的原位校準(zhǔn)壓電平臺(tái)位移的方法，其特征 在于：該方法通過校準(zhǔn)的壓電平臺(tái)位移參數(shù)，運(yùn)用該原理發(fā)送特定頻率和振幅的運(yùn)動(dòng)信號(hào)， 可原位標(biāo)定俘獲不同大小微粒時(shí)位置探測器件的比例系數(shù)0、微粒半徑和光阱剛度k= 2JrkBTfc/D。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK104406528SQ201410685964
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】周金華, 李迪, 李銀妹, 鐘敏成, 王自強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)