1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津农学院工程技术学院, 天津 300384
微球跟踪技术是生物学动态过程的重要研究工具之一。为获取相关生物学信息,需要对微纳米尺度的微球进行三维位置的测量。在实际测量中,由于液态环境中微球间及微球与其他物质间存在相互作用力,微球图像交叠的现象难以避免。交叠微球图像会导致圆环特征的交错,采用传统方法难以实现特征识别,进而无法对其定位。针对这一问题,提出了全息重构聚焦法(HRFM),通过精确定位微球的横向位置,获取其三维位置。实验结果表明HRFM定位微球位置较传统方法更为精确,且尤其适用于交叠微球位置的测量,对单个微球和交叠微球的测量均能达到2 nm的三维位移分辨力。
测量 数字全息 交叠微球 微球三维位置 重构
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 英属哥伦比亚大学化学系加拿大, 温哥华 V6T 1Z1
为了实现对液态环境中微球三维位置的快速精密测量, 尤其是轴向的测量分辨力和速度, 基于离焦成像测量理论, 结合并改进象限插值法和矢径投影算法, 提出了一种新的方法, 实现了对微球三维方向1 nm测量分辨力的跟踪测量。该方法测量效率高, 对单个粒子轴向位置的测量速率最快达到每秒上百帧甚至更高。进一步讨论了横向位置测量误差对轴向测量分辨力的影响, 分析了轴向方向大范围的跟踪测量分辨力。通过和相同实验条件下的互相关方法对比, 说明该方法在实际测量中具有可行性, 在实现相同轴向测量分辨力的情况下测量效率更高。
测量 微球三维位置 象限差值 矢径投影 单分子动力学
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像，利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构，同时对重构光场进行去卷积运算，消除了散斑、离焦信号等噪音，并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合，提高了微球三维位置测量精度。实验表明，该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量，而且能够对交叠微球进行测量，纵向分辨力达到2 nm，在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。
测量 数字全息 重构 微球三维位置 去卷积 单分子力谱
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
为了提高在液态环境中对直径微米量级微球三维位置测量的空间分辨力，尤其是轴向的测量精度，将互相关算法对相似图像高精准的匹配特性与离焦成像法测量微球三维位置的思想相结合，讨论基于互相关匹配的离焦成像法测量微球三维位置的方法。实验表明，该方法对微球轴向位置4 min内连续定位的测量标准差约为0.64 nm，已实现对微球三维方向1 nm 阶跃变化的分辨测量，这在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。相同实验条件下，与同轴数字全息显微术对微球三维位置的对比测量和分析也初步说明了该方法在实际测量应用中的可行性与高精度的特点。
测量 微球三维位置 互相关 离焦成像 生物单分子动力学
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室， 浙江 杭州 310027
小颗粒物质在自然界广泛存在且在工业生产中具有重要应用，应用数字全息技术对其进行三维研究具有重要的科学意义及实用价值。系统地对数字颗粒全息技术及其应用进行了综述,具体包括基于光散射理论、衍射理论的颗粒全息图形成及其条纹特性，颗粒全息图的数字重建方法、颗粒识别、定位以及颗粒匹配，数字全息在颗粒场中测量颗粒粒径、三维位置、形貌和三维速度的应用。数字全息作为一种三维测量技术，在颗粒场测量中具有广阔的应用前景。
全息 三维重建 三维位置 粒径 三维速度 形貌
Author Affiliations
Abstract
1 Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
2 Department of Electronic Engineering, Faculty of Engineering, Gunma University, Gunma 376-8515, Japan
3 Department of Computer Science, Faculty of Engineering, Gunma University, Gunma 376-8515, Japan
4 Medical Operations, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), JAXA Houston Office, Houston 77058, USA
A practical method for evaluating the three-dimensional (3D) position and velocity of a moving object used in the parabolic flight experiment is developed by using the binocular stereo vision measurement theory. The camera calibration mathematic model without considering the lens distortion is introduced. The direct linear transformation (DLT) algorithm is improved to accomplish the camera calibration. The camera calibration result and optimization algorithm are used to calculate the object's world coordinate from image coordinate. The 3D position and the velocity of the moving object are obtained. The standard uncertainty in estimating the velocity is 0.0024 m/s, which corresponds to 1% level of the velocity of the object in the experiment. The results show that this method is very useful for the parabolic flight experiments.
立体视觉 摄像机标定 微重力 三维位置 100.2550 Focal-plane-array image processors 150.1488 Calibration 150.6910 Three-dimensional sensing Chinese Optics Letters
2010, 8(6): 601
