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专利名称：一种实时标定四象限探测器的方法
技术领域：
本发明涉及光学设备的标定方法，特别涉及一种实时标定四象限探测器的方法
背景技术：
四象限光电二极管探测器(QD)是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐 标要求排列而成的光电探测器件，常用于激光制导或激光准直中。它具有灵敏度高、响应速 度快(可达亚毫秒量级)、测量精度高、采集信号以数字方式存储、易于后续处理等特点，所 以其在位移测量领域得到了人们的重视及应用。四象限光电二极管探测器的基本结构如图 l所示，它由四个具有相同参数的光电二极管组成，这四个光电二极管分别位于一个圆面的 四个象限。当光照射在探测器上时，由于光伏效应，每支二极管将输出一个正比于自己表面 光功率的电流信号，它们分别为Ip^、l3和14。当被探测物体作微小横向或纵向移动时，如 图1中的灰色圆所示，将引起投射到四象限光电二极管探测器左右部分光功率的差值或上 下部分光功率的差值的变化，从而引起相应的光电流的变化。左右以及上下部分光功率的 差值A Ix禾P A Iy可以分别表示如下
AIx(V工4)-(l2+l3) (1)
AIy = (V工2)-(l3+l4) (2) 上式中的A L和A Iy分别与被探测物体影像的横向移动量和纵向移动量成正比。 物体影像造成的光电流再通过四路电流-电压转换电路转换成电压，然后经求和电路以及 取差电路进行运算，最后就能得到代表物体在平面直角坐标上位置(x， y)的输出电压信 号。 要精确测量物体的位移，就必须先对QD进行标定，即得出位移和输出电压信号间 的转换关系，对位移和输出电压信号间的转换关系的标定直接关系到物体位移测量的准 确性。在参考文献1 "HL Guo， CX Liu， ZL Li， JFDuan， XH Han， BY Cheng and DZ Zhang， Displacement and force measurementswith quadrant photodetector in optical tweezers, Chin. Phys. Lett. 2003， Vol. 20， No. 6， pp 950-952"中给出了一种传统的标定方 法，该标定方法通过移动QD的x， y轴对物体影像进行扫描，得到影像相对于QD的位移与输 出电压的关系曲线，通过对曲线中线性范围内的点作线性拟合即可得出影像相对于QD的 位移与输出电压的转换系数。在图2中就给出了上述传统标定方法中，四象限光电二极管 探测器与光阱捕获的小球相对移动时，输出电压的变化曲线。 传统的标定方法需要人工调节QD的螺旋调节旋钮逐点改变QD的位移，从而产生 影像相对于QD的移动。此方法操作不方便，耗时长，并且可能因为系统的不稳定、QD位移 调节不精确等引起最终转换系数的测量误差，从而进一步对实验结果带来影响。另外，传统 标定方法中获得的位移_电压的转换系数只能应用于和该次QD标定中同样的物体。如果 物体形状不规则或是尺寸不同，就要采用不同的转换系数。但在实验过程中，每个实物的大 小、形状存在一定差别，利用传统的标定方法来获得实验当时每个实物对应的转换系数不 具有可操作性，而采用之前校准得到的系数又必然给实验带来误差。最后，传统的标定方法
3不适合对生物细胞等易破坏物体做反复的标定，限制了方法的使用范围。

发明内容
本发明的目的是克服对四象限光电二极管探测器的传统标定方法操作不便、耗时 长、容易造成测量误差的缺陷，从而提供一种操作简单、测量精度高的四象限光电二级管探 领lj器。 为了实现上述目的，本发明提供了一种光学测量系统，包括四象限光电二极管探 测器，以及被探测物体影像生成装置；还包括安装有玻璃载玻片并能带动所述玻璃载玻片 做振动的步进马达；其中， 所述的步进马达位于所述的四象限光电二极管探测器与所述的被探测物体影像 生成装置间，并使得被探测物体影像生成装置射向四象限光电二极管探测器的光线正好穿 过所述步进马达上的玻璃载玻片。 上述技术方案中，所述的步进马达带动玻璃载玻片做方波振动。 上述技术方案中，所述的步进马达所带动的玻璃载玻片的方波振动角度在
±7.5°之间。 上述技术方案中，所述的步进马达的振动频率为2Hz。 本发明还提供了一种所述的光学测量系统上实时标定四象限光电二极管探测器 的方法，包括 步骤1)、开启所述的步进马达，由所述的步进马达带动所述的玻璃载玻片做方波 振动； 步骤2)、所述的被探测物体影像生成装置发出的带有被探测物体影像的光线穿过 所述的玻璃载玻片照射到所述的四象限光电二极管探测器上，在所述玻璃载玻片做方波振 动时，被探测物体影像相对于所述四象限光电二极管探测器发生移动，得到所述四象限光 电二极管探测器的输出电压信号； 步骤3)、根据步骤2)得到的输出电压信号，以及玻璃载玻片在做方波振动时被探
测物体影像相对于所述四象限光电二极管探测器的位移，计算所述四象限光电二极管探测
器的位移与输出电压的转换系数，实现对所述四象限光电二极管探测器的标定。 上述技术方案中，在所述的步骤3)中，所述的玻璃载玻片在做方波振动时被探测
物体影像相对于所述四象限光电二极管探测器的位移通过标定得到，所述的标定包括 步骤3-1)、用视频电荷耦合器件采集所述玻璃载玻片振动时所得到的一系列光肼
中的被探测物体影像； 步骤3-2)、采用灰度重心法得到被探测物体影像的位置，从而得到被探测物体影
像相对于所述四象限光电二极管探测器的位移。 本发明的优点在于 1、本发明通过玻璃载玻片平移光线的距离和四象限光电二极管探测器的输出信 号之间的关系直接标定出四象限光电二极管的输出电压与被探测物体的影像位移间的转 换系数，且无需对原光路系统做任何的调节，因而具有操作简单快捷、可实时准确地获取实 验参数的优点。 2、本发明可以为特定的物体做实时的标定，因而克服了被检测物体尺寸一致性问题给传统方法的一次标定多次使用所带来的缺陷。 3、本发明不对被检测物体本身做诸如移动等操作，不会对被检测物体造成影响， 具有广泛的应用范围。


相对移动
图1为四象限光电二极管探测器的结构示意图2为采用传统的标定方法得到的四象限光电二极管探测器与光阱捕获的小球 时输出电压的变化曲线图3为在一个实施例中采用本发明方法的光镊系统的光路结构示意图4为玻璃片做方波振动时四象限光电二极管探测器所输出的电压信号曲线图。
图面说明
1卤素灯
4第一滤光镜
7汞灯
10物镜
13第二透镜
16CCD
19第一扩束透镜 22第三扩束透镜
2第-5聚光镜 8第二滤光镜 ll辅助物镜 14目镜 17底出口 20第二扩束透镜 23第三分色镜
25四象限光电二极管探测器
3第一反射镜 6物平面 9第一分色镜 12第二分色镜 15第四分色镜 18激光 21第二反射镜 24第四扩束透镜 26玻璃载玻片
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明加以说明。 在本发明的一个实施例中，以常见的光镊系统为例，对在该系统中如何利用本发 明的方法加以说明。 在图3中，给出了一个光镊系统的示意图，从图中可以看出，该光镊系统包括有一 个倒置研究型光学显微镜，一个电荷耦合器件(CCD，ChargeCoupled Device)以及一个四象 限光电二极管探测器(QD)，此外，还包括有其他必要的光学元件，如透镜、反射镜等。其中， 倒置研究型光学显微镜由图中的虚线框部分表示，它包括有卤素灯(Halogen Lamp)l、第一 透镜2、第一反射镜3、第一滤光镜4、聚光镜5共同组成的Koehler照明系统，以在物平面6 上形成均匀的亮场照明；汞灯7、第二滤光镜8和第一分色镜9组成荧光照明系统；物镜IO、 辅助物镜11、第二分色镜12、第二透镜13、目镜14组成光学筒长无限的成像系统，使处于物 平面6的样品在目镜14处成一放大的虚像，同时第四分色镜15将样品成像到CCD 16上； 底出口 17用于激光的引进和附加成像光路的出口。 1064nm激光18经第一扩束透镜19、第 二扩束透镜20，扩束成平行光，经第二反射镜21反射入倒置显微镜，第三扩束透镜22与显 微镜的Tube lens耦合，使激光变为平行光。扩束后的光束必须充满物镜后瞳，以保证产生 足够的光强梯度，形成稳定的光阱。物镜10、辅助物镜11、第三分色镜23、第四扩束透镜24 组成成像系统，将物平面6成像到四象限光电二极管探测器25的光敏面上，用于实验过程 的动态监视与记录。在本实施例中，倒置研究型光学显微镜可采用Leica DMIRB， CCD可采用CoolSNAP-fx，而四象限光电二极管探测器则可采用HAMAMATSU1557-03。
在得到如上配置的光镊系统后，可以对直径为1微米的聚苯乙烯小球进行测量。 在这一测量过程中，QD被用来监测聚苯乙烯小球偏离光阱中心的位移信息。如背景技术中 的描述，在采用QD对聚苯乙烯小球的位移进行监测前，需要对QD做标定，以得出位移和输 出电压信号间的转换关系。在本发明的方法中，将一厚度为1. 0mm的普通的玻璃载玻片26 安装在一个步进马达上，然后把所述的玻璃载玻片26置于QD25前，使得玻璃载玻片26在 静止时，光线能够垂直穿过并到达所述的QD25。所采用的步进马达能够控制其上的玻璃载 玻片26做方波振动，为了保证在方波振动过程中QD所产生的信号在图2的线性区(图2 中用粗线段表示的地方)内，因此，在本实施例中，玻璃载玻片的方波振动角度在±7.5° 之间，而步进马达的振动频率则为2Hz。但本领域的普通技术人员应当了解，玻璃载玻片的 方波振动角度、步进马达的振动频率乃至玻璃载玻片的厚度并不局限于本实施例中所涉及 的上述数据，技术人员可根据实际需要进行调整。 在QD前的光路中安放玻璃载玻片，且当该玻璃载玻片在步进马达的带动下做 ±7. 5°的方波振动时，根据光线经过平板玻璃后发生平移的原理，当玻璃载玻片偏转到两 个不同角度时，出射光线将发生移动，从而使得待检测聚苯乙烯小球的影像位于QD的两个 不同位置。根据QD自身的工作原理，如图4所示，QD会产生一系列频率为2Hz的方波型的 输出电压信号，根据这些输出电压信号可以得到方波信号峰峰值。通过这一操作可以知道 与输出电压相关的数据，要得到QD的位移与输出电压的转换系数，显然还需要与位移相关 的数据。 对玻璃载玻片作方波振动时小球影像相对于QD移动的距离进行标定时，可以用 一视频CCD替代QD，然后采集玻璃载玻片振动时所得到的一系列光阱中的聚苯乙烯小球图 像，再用灰度重心法处理即可得到聚苯乙烯小球影像的位置。改变小球尺寸等条件进行多 次测量，发现系统的重复性很好，影像位置和小球尺寸等因素无关。对多次测量数据统计平 均后得到聚苯乙烯小球影像相对于QD移动距离为91.6士0.9ym。通过这一操作也就得 到了聚苯乙烯小球偏离光阱中心的位移信息。在本实施例中以上述方法实现了对与位移相 关数据的测量，但本领域的技术人员应当了解，对位移的测量并不局限于上述方法，现有技 术中其它方法同样可以采用。此外，需要说明的是，由于步进马达的重复性很好，只要每次 都是摆动相同的角度，那么它的位移就是个固定的值，所以对玻璃载玻片作方波振动时小 球影像相对于QD移动的距离的标定只需要做一次即可，无需重复进行。
在得到了前述的方波信号峰峰值以及聚苯乙烯小球影像相对于QD的移动距离 后，就可以快速地得出QD的位移与输出电压的转换系数。从图4中看出，本实施例中所得 到的方波信号峰峰值的大小在250mV左右，而聚苯乙烯小球影像相对于QD的移动距离为 91. 6±0. 9 m，由此可以计算得到聚苯乙烯小球影像相对于QD的位移-电压转换系数为 5. 47±0. 05mV/iim。而如果用调节QD位置的传统方法得到如图2的校准曲线，并对其中的 线性部分拟合后所得到的聚苯乙烯小球影像相对于QD的位移-电压转换系数为5. 46mV/ y m。上述两种方法得到的结果的差别仅为0. OlmV/ ii m，小于0. 2% ，也就证明了本方法是 准确可靠的，其相对误差小于1 % ，利用此方法能够快速实时地获得精准的实验参数，提高 实验精度，而在操作的简便性上却有很大的提高。 在上述的实施例中，以常见的光镊系统为例，对本发明方法的实现以及效果都作
6了说明，本领域的普通技术人员应当了解，本发明的方法并不局限在光镊系统中使用，在其 他的测量系统，如原子力显微镜悬臂移动的测量系统、工业机械加工中工件移动的精密测 量系统等，同样可以采用本发明的方法。 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种光学测量系统，包括四象限光电二极管探测器，以及被探测物体影像生成装置；其特征在于，还包括安装有玻璃载玻片并能带动所述玻璃载玻片做振动的步进马达；其中，所述的步进马达位于所述的四象限光电二极管探测器与所述的被探测物体影像生成装置间，并使得被探测物体影像生成装置射向四象限光电二极管探测器的光线正好穿过所述步进马达上的玻璃载玻片。
2. 根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述的步进马达带动玻璃载玻 片做方波振动。
3. 根据权利要求2所述的光学测量系统，其特征在于，所述的步进马达所带动的玻璃 载玻片的方波振动角度在±7.5°之间。
4. 根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述的步进马达的振动频率为2Hz。
5. —种在权利要求l-4之一的光学测量系统上实时标定四象限光电二极管探测器的 方法，包括步骤1)、开启所述的步进马达，由所述的步进马达带动所述的玻璃载玻片做方波振动；步骤2)、所述的被探测物体影像生成装置发出的带有被探测物体影像的光线穿过所 述的玻璃载玻片照射到所述的四象限光电二极管探测器上，在所述玻璃载玻片做方波振动 时，被探测物体影像相对于所述四象限光电二极管探测器发生移动，得到所述四象限光电 二极管探测器的输出电压信号；步骤3)、根据步骤2)得到的输出电压信号，以及玻璃载玻片在做方波振动时被探测物 体影像相对于所述四象限光电二极管探测器的位移，计算所述四象限光电二极管探测器的 位移与输出电压的转换系数，实现对所述四象限光电二极管探测器的标定。
6. 根据权利要求5所述的实时标定四象限光电二极管探测器的方法，其特征在于，在 所述的步骤3)中，所述的玻璃载玻片在做方波振动时被探测物体影像相对于所述四象限 光电二极管探测器的位移通过标定得到，所述的标定包括步骤3-1)、用视频电荷耦合器件采集所述玻璃载玻片振动时所得到的一系列光肼中的 被探测物体影像；步骤3-2)、采用灰度重心法得到被探测物体影像的位置，从而得到被探测物体影像相 对于所述四象限光电二极管探测器的位移。
全文摘要
本发明提供一种光学测量系统，包括四象限光电二极管探测器，以及被探测物体影像生成装置；还包括安装有玻璃载玻片并能带动所述玻璃载玻片做振动的步进马达；其中，所述的步进马达位于所述的四象限光电二极管探测器与所述的被探测物体影像生成装置间，并使得被探测物体影像生成装置射向四象限光电二极管探测器的光线正好穿过所述步进马达上的玻璃载玻片。本发明通过玻璃载玻片平移光线的距离和四象限光电二极管探测器的输出信号之间的关系直接标定出四象限光电二极管的输出电压与被探测物体的影像位移间的转换系数，且无需对原光路系统做任何的调节，因而具有操作简单快捷、可实时准确地获取实验参数的优点。
文档编号G01B11/02GK101738164SQ20081022710
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者凌林, 屈娥, 张道中, 李兆霖, 李志远, 郭红莲, 黄璐 申请人:中国科学院物理研究所