[发明专利]一种在双光束光阱中校对图像传感器轴线失准的方法

说明书

本发明公开一种在双光束光阱中校对图像传感器轴线失准的方法，在利用图像传感器测量光阱中微粒位移时，若图像传感器的轴线与双光束轴向存在失准，会使微粒在图像横向和纵向上的观测位移出现相互耦合，并给位移的精密观测和光阱刚度的被动式标定带来极为不利的影响；在双光束光阱中，由于光学结合作用，给定直径和数量的微球将沿双光束轴向排列成稳定的一维链式结构；通过观测链结构中微球的位移，可以解算出图像传感器横向与双光束轴向之间存在的失准角度，从而矫正微粒在图像中的观测位移，进一步提高位移精密观测和光阱刚度被动式标定的精度。本发明具有易操作实现、观测便利和干扰因素少等优点，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于微操控领域，涉及一种在双光束光阱中利用光学结合作用校对图像传感器轴线失准的方法。

背景技术

在物理学领域，光阱技术的出现为基础理论的新认识和重要物理量的测量提供了新的实验方法和技术，其中涉及的光悬浮、光捕获和光致旋转等实验现象充分体现了光与微粒之间相互作用的力传递过程。光阱中力的测量一般采用间接的方法，即先把待测力转换成容易测量的光力，进而转换成捕获微球相对阱位的偏移；因此，在可实时标定刚度的光阱的简谐区内，对微力的精确测量主要依靠对微球位移的精确测量。

目前光阱中测量微球位移的方法主要采用的方法之一是利用图像传感器对光阱平面成像，通过分析微球的图像得到其位移。一般在成像测量的过程中，主要分析垂直于观测方向的二维平面内微球的位移，这种位移通常会被沿两个方向分解，即沿双光束的轴向和与之垂直的径向，在这两个方向上微粒的布朗运动所引起的位移变化一般被认为是独立的。

然而由于缺少较为精准的参考依据，传感器所采集图像中的横向和纵向较难分别与光阱中的轴向和径向完全对应，通常会存在一定的失准。这种差异将使得微球在轴向和径向上的实际位移不能与微粒在图像横向和纵向上的观测位移相互对应，且观测位移会出现相互耦合的情况[韩翔，倏逝波光阱中多微粒动力学理论和实验研究[D].国防科技大学博士论文，2016年6月]。若在观测位移方向上微球所感受的光阱刚度相近，这种耦合作用并不会给位移测量带来显著的影响，因此长期处于被忽视的状态。然而在双光束光阱中轴向和径向上的光阱刚度相差较大，这种耦合作用会给位移的精密观测和光阱刚度的被动式标定带来极为不利的影响。通常可根据微球在图像横向和纵向上由布朗运动所致位移波动的相关程度来定性判断失准状态，也可以通过关闭单侧光束并追踪微球的运动轨迹来粗略的动态解算失准参数，此时在微粒轨迹的追踪过程中容易受到复杂的背景光场和周围环境的影响而引入新的误差因素。

发明内容

为了克服现有方法的不足，本发明提供了一种在双光束光阱中利用光学结合作用校对图像传感器轴线失准的方法，具体技术方案如下：

一种在双光束光阱中校对图像传感器轴线失准的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在双光束光阱的阱域内，加入N个同样大小的微球，所述微球由于光学结合作用将沿双光束光阱的轴线方向排列成稳定的一维链式结构；

步骤二、以所记录图像中的横轴为X轴，纵轴为Y轴，左下顶点像素为原点O，建立直角坐标系XOY；通过图像解析方法，得到链中微球在观测时段内由于布朗运动所导致的位移波动为{x_i(t)，y_i(t)}，其中x_i(t)代表第i个微球在t时刻的横坐标，y_i(t)代表第i个微球在t时刻的纵坐标；分别对解算的位移离散数列{x_i，y_i}进行平均，确定出各微球的平衡位置{x_i0，y_i0}，采用表达式1)和表达式2)进行计算：