基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统及方法

1.本发明属于流场中粒子流速与密度测量技术领域，具体涉及一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统及方法。


背景技术：

2.相关光谱技术是一种强有力的粒子动力学定量技术，已广泛应用于生物医学、生物物理和化学等多个领域。通过记录聚焦光束中粒子自由扩散或定向流动引起的光强涨落，对随时间变化的涨落信号进行相关分析，可以定量地测算粒子的浓度、扩散系数等物理参数。荧光相关光谱(fcs)利用荧光染料或荧光蛋白来标记待测生物粒子，通过记录待测样品在聚焦光斑激发下荧光强度的涨落，可得到粒子的相关物理参数。荧光标记使得人们可以对生物样品中感兴趣的生物大分子进行特异性分析。此外，通过对不同微粒进行不同颜色的荧光标记，利用双色荧光相关光谱技术还可以研究不同生物大分子之间的相互作用。然而，由于荧光物质具有光毒性和光漂白的特性，荧光相关光谱难以对生物样品进行长时间的测量，且生活中很多种颗粒物也无法进行荧光标记。因此，人们渴望探索一种无荧光标记的相关光谱方法，利用目标粒子对光的反射或散射信号来进行强度相关分析，获得粒子在自由扩散或在定向流动的液体的流速，其中粒子的浓度、扩散系数等相关物理量。
3.此外，传统的相关光谱技术均是通过产生单个焦点来获得运动状态下粒子的强度信息随时间的变化情况，该技术需要已知所产生焦点的空间体积大小，才能定量计算得到粒子的物理参数。在荧光相关光谱中，人们提出了双焦点荧光相关光谱技术：在共聚焦显微镜中加入一个微分干涉棱镜用以将两束正交偏振的激光分离成两个焦点，同时记录具有一定横向距离的两个焦点观测区域中粒子产生的强度起伏，通过使用自相关函数和互相关函数计算得到两个焦点区域中待测物理参数的相关信息。与传统的单焦点相关光谱相比，该技术仅需要事先知道两个焦点之间的横向距离便可定量获得粒子的物理参数和动态信息。尽管如此，传统的相关光谱技术条件下观测样品内的粒子信息对应的观测区域的大小和分布十分有限，无法对待测粒子进行更高通量、更全面的测量。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供了一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统，包括照明模块、成像模块、图像采集模块、分析计算模块和微流控器件，其中，
6.所述照明模块、所述成像模块和所述图像采集模块沿光束传输方向顺次耦合连接；
7.所述照明模块包括沿光束传输方向依次设置的激光器、准直透镜、扩束透镜和介质超构透镜阵列，首先通过所述激光器、所述准直透镜和所述扩束透镜产生平行光束，并使所述平行光束覆盖介质超构透镜阵列整个孔径，所述偏振片和所述四分之一波片用来实现
对光束偏振态的调控，再通过所述介质超构透镜阵列产生一组焦点阵列；
8.所述微流控器件置于所述照明模块与所述成像模块之间，用于承载含有待测粒子的溶液样品；
9.所述成像模块包括成像物镜；
10.所述图像采集模块位于所述介质超构透镜阵列的焦面后端，用于对待测粒子成像或对介质超构透镜阵列后焦面上的焦点阵列进行二次成像，而后再利用所得焦点阵列对待测粒子进行观测；
11.所述分析计算模块用于对实时观测到的待测粒子进行光强度值统计，并进行自相关和互相关分析计算，得到溶液中待测粒子的相关物理量。
12.在本发明的一个实施例中，所述介质超构透镜阵列由基底以及位于所述基底上方的结构单元周期性均匀阵列组成，其中，
13.所述基底的材料选用二氧化硅、树脂或三氧化二铝，所述结构单元周期性均匀阵列中的结构单元的尺寸及周期均小于电磁波在真空中的波长，所述结构单元的形状包括立方体波导、圆柱体波导、椭圆柱波导，所述结构单元的材料选用硅、氮化镓或二氧化钛。
14.在本发明的一个实施例中，所述照明模块包括沿光束传播方向依次设置的激光器、扩束透镜、准直透镜、偏振片、四分之一波片、介质超构透镜阵列，所述微流控器件位于所述介质超构透镜阵列与所述成像物镜的公共焦平面处，并且所述微流控器件所在平面与光束传播方向垂直，所述图像采集模块为ccd相机。
15.在本发明的一个实施例中，在所述介质超构透镜阵列与所述微流控器件之间设置会聚透镜，用于对所述介质超构透镜阵列生成的焦点阵列进行二次成像，将二次成像后的光束会聚于所述微流控器件的样品区域内。
16.在本发明的一个实施例中，所述图像采集模块还用于对流动状态下的待测粒子进行多帧连续图像采集，并对多帧连续采集获得的图像序列进行相关参数调整以确保能够对采样区域中的粒子和背景进行区别。
17.在本发明的一个实施例中，所述分析计算模块具体用于：
18.提取所述图像序列中每一帧生成的一个或多个焦点区域内部的强度信息，对包含粒子群流动信息的区域内信号强度值进行积分求和，得到一组随时间变化的光强数据曲线；
19.对得到的光强数据曲线进行数值补偿以消除信背比下降带来的影响；
20.对数值补偿后的强度信息进行图像相关计算，得到每个焦点区域的强度信息的自相关结果以及焦点区域之间的强度信息的互相关结果；
21.对得到的自相关结果和互相关结果的数据曲线进行拟合计算，获得粒子流动速度。
22.本发明的另一方面提供了一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测方法，包括：
23.s1：根据上述实施例中任一项所述的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统获得待测粒子在流动状态下的多帧连续图像序列；
24.s2：对所述图像序列进行图像相关光谱方法的计算，得到单焦点的自相关曲线以及多焦点的互相关曲线，通过函数拟合得到待测粒子的流速、浓度参数的数值。
25.在本发明的一个实施例中，所述s1包括：
26.s1.1：开启照明模块电源，调节光源强度，保证ccd相机对于超构透镜阵列所成的像清晰可见且曝光度适中；
27.s1.2：调节介质超构透镜阵列、成像物镜、ccd相机之间的位置关系，使得介质超构透镜阵列所产生的焦点能够清晰成像到ccd相机上；
28.s1.3：将微流控器件固定于介质超构透镜阵列与成像物镜之间，通过轴向移动所述微流控器件的位置，使所述微流控器件中的观测区域清晰成像，向所述微流控器件以恒定速度注入含有待测粒子的溶液；
29.s1.4：当溶液流动处于稳定状态时对样品中的待测粒子进行多帧连续图像采集，并对多帧连续采集获得的图像序列进行相关参数调整以确保ccd相机所拍摄到的图像中能够清晰区别出待测粒子与背景信息。
30.在本发明的一个实施例中，所述步骤s2包括：
31.s2.1：提取所述图像序列中每一帧生成的任一个或多个焦点区域内部的强度信息，对包含粒子群流动信息的区域内信号强度值进行积分求和，得到一组随时间变化的强度曲线，每个焦点区域的强度信息数据对应一条曲线；
32.s2.2：对得到的强度曲线进行数值补偿以消除信背比下降带来的影响；
33.s2.3：对数值补偿后的强度信息进行图像相关计算，得到每个焦点区域的强度信息的自相关结果以及焦点区域之间的强度信息的互相关结果；
34.s2.4：对得到的自相关结果和互相关结果的数据曲线进行拟合计算，获得粒子流动速度。
35.在本发明的一个实施例中，所述s2.4包括：
36.对得到的自相关结果和互相关结果的数据曲线进行拟合计算，获得粒子流动速度和浓度，其中，拟合所用的物理模型为：
[0037][0038][0039]
其中，ga()为对一个焦点区域内的强度信息进行自相关计算的结果，gc()为对两个焦点区域内的强度信息进行互相关计算的结果，n为在观测区域内流经的粒子数平均值，τd为粒子自身布朗运动引起的扩散时间参数，τf为与外部动力引起的粒子流动相关的时间参数，d0表示任意两个所取焦点间的实际距离，r0表示当前焦点的半径值；
[0040]
利用公式vf＝r0/f求得粒子流动速度，通过n除以观测区域的体积大小求得粒子浓度。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
[0042]
1、本发明无需荧光标记，利用目标粒子对光的反射或散射特性来进行图像强度值的相关分析，可对天然状态下粒子的物理量进行测量；本发明所采用的介质超构透镜阵列使得传统的多焦点相关光谱测量系统更加紧凑，并且可以通过控制照射在超构透镜阵列上电磁波的偏振态来灵活改变后方所产生的焦点的个数。
[0043]
2、本发明利用厚度仅有亚波长尺度的超构透镜阵列在很短的工作距离内生成单
个或多个焦点，对溶液中的待测粒子进行照明和观测，且易于与微流控器件集成，基于此搭建的光学系统结构紧凑；同时，该超构透镜阵列所产生的焦点数量灵活可调，可以同时对样品中多点区域进行测量，通过记录图像序列并进行后续的计算处理可获得粒子的流速和浓度等信息，相比于传统相关光谱测量系统，该方法利用超构透镜阵列在极短的工作距离内产生多个焦点，可以对样品中多点同时进行测量，简化了光路，便于与微流控器件进行集成；而且焦点数量灵活可调。
[0044]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例提供的一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统的模块示意图；
[0046]
图2是本发明实施例提供的一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统的光路示意图；
[0047]
图3是本发明实施例提供的一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统中所设计的超构透镜阵列在左旋圆偏振光、右旋圆偏振光和椭圆偏振光照射条件下分别得到的4焦点模式、9焦点模式和13焦点模式的实际图像；
[0048]
图4是本发明实施例提供的一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统中的ccd相机所拍摄得到的6000帧图像序列中的第1500帧、第3000帧、第4500帧以及第6000帧图像；
[0049]
图5是本发明实施例提供的一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统得到的不同焦点处对应的光强度值随时间的变化曲线；
[0050]
图6是对于单个焦点数据进行自相关计算得到的两组不同速度下的实验数据以及拟合曲线，其中，v
sta
表示实验测量得到的实际样品流速值，v
fit
表示经过拟合计算得到的样品流速值；
[0051]
图7是对于多个焦点数据进行互相关计算得到的两组不同速度下的实验数据以及拟合曲线，其中，v
sta
表示实验测量得到的实际样品流速值，v
fit
表示经过拟合计算得到的样品流速值；
[0052]
图8是对于多个焦点数据进行自相关计算得到的三组不同浓度下的实验数据以及拟合曲线，其中，c
sta
表示实验测量得到的实际样品浓度值，c
fit
表示经过拟合计算得到的样品浓度值。
[0053]
附图标记说明：
[0054]
1-激光器；2-扩束透镜；3-准直透镜；4-偏振片；5-四分之一波片；6-介质超构透镜阵列；7-微流控器件；8-成像物镜；9-ccd相机。
具体实施方式
[0055]
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统及方法进行详细说明。
[0056]
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方
式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
[0057]
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0058]
实施例一
[0059]
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统的模块示意图。该多焦点粒子检测系统包括照明模块、成像模块、图像采集模块、分析计算模块和微流控器件7，其中，照明模块、成像模块和图像采集模块沿光束传输方向顺次耦合。
[0060]
照明模块包括沿光束传输方向依次设置的激光器1、准直透镜2、扩束透镜3、偏振片4、四分之一波片5和介质超构透镜阵列6，首先通过激光器1、准直透镜2和扩束透镜3产生平行光束，通过偏振片4和四分之一波片5可以将入射的线偏振光转换为圆偏振光或椭圆偏振光，并使所述平行光束覆盖介质超构透镜阵列6的整个孔径，通过介质超构透镜阵列6产生一组焦点阵列；微流控器件7置于照明模块与成像模块之间，用于承载含有待测粒子的溶液样品；成像模块包括成像物镜8；图像采集模块位于介质超构透镜阵列的焦面后端，用于对待测粒子成像或对介质超构透镜阵列后焦面上的焦点阵列进行二次成像，而后再利用所得焦点阵列对待测粒子进行观测；分析计算模块用于对实时观测到的待测粒子进行光强度值统计，并进行自相关和互相关分析计算，得到溶液中待测粒子的相关物理量。
[0061]
具体地，本实施例中的介质超构透镜阵列的设计波长为635nm，因此照明模块中使用波长为635nm的连续激光，经准直扩束透镜后整形成为直径大小足以覆盖整个超构透镜阵列有效结构的平行光束；介质超构透镜阵列于照明模块之后，对入射的平行光束进行调制，形成多束会聚光束以产生多个焦点；采用微流控器件作为承载待测粒子所处溶液的容器，将其置于成像系统的光路中，可通过分析计算模块实时观测到流经微流控器件通道中的待测粒子状态并对其进行拍摄记录，在本发明的其他实施例中，微流控器件还可替换为活体生物样品；图像采集模块位于介质超构透镜阵列的后焦平面后端，该图像采集模块将超构表面后焦面上的焦点阵列进行二次成像的同时对于待测粒子进行直接成像。
[0062]
在本实施例中所采用的介质超构透镜阵列是一种具备产生多焦点功能的超构表面，阵列中的每个子超构透镜都起到凸透镜的作用。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统的光路示意图。该介质超构透镜阵列共包含13个子超构透镜，每个子超构透镜的焦距均为10微米，整个子超构透镜的长宽尺寸为30
×
30微米。该子超构透镜由低介电常数材料的基底和高介电常数的结构单元周期性均匀阵列组成。其中，本实例中制备的子超构透镜的基底部分所选取的材料为二氧化硅，基底上表面结构单元所使用的材料为硅。所述基底的厚度为非特征参量，对子超构透镜器件性能无显著影响，设计合适的厚度保证所制备的子超构透镜器件的稳定性。所述结构单元周期性均
匀阵列中的结构单元的尺寸及周期均小于电磁波在真空中的波长，所选用的结构单元是截面形状为长方形的立方体波导。整个介质超构透镜阵列的超构表面采取pb相位的调控方法控制光束的相位，即以结构单元的铅锤中轴线为旋转轴，通过控制旋转角度可实现对相位延迟近乎线性的调控，具体关系可表示为：其中，表示超构表面上不同位置处所需提供的相位延迟量，θ为任意位置处的结构单元相对于参考位置所旋转过的角度。而对于每一个子超构透镜内各位置所需要的相位延迟量与各位置坐标之间的关系需满足：
[0063][0064]
其中，λ表示子超构透镜的工作波长，f表示子超构透镜的焦距，r表示超构透镜阵列中的单个子超构透镜上的径向坐标。根据以上关系设计的子超构透镜可以实现将平行光会聚成点的效果，整个超构透镜阵列上通过集成多个子超构透镜能够实现将单束激光整形为多束会聚光束的功能，从而进行多点采样。
[0065]
如图2所示，本实施例的照明模块包括沿光束传播方向依次设置的激光器1、扩束透镜2、准直透镜3、偏振片4、四分之一波片5和介质超构透镜阵列6，其中，激光器1所发出的激光波长为635nm，为介质超构透镜阵列超构表面设计的工作波长。成像模块为成像物镜8；图像采集模块为ccd相机9，微流控器件7置于成像物镜8与ccd相机9之间，微流控器件7作为承载待测粒子所处溶液的容器，以对所述待测粒子进行成像。
[0066]
具体地，偏振片4和四分之一波片5的作用是将激光器1发出的激光的偏振态转换为圆偏振或椭圆偏振，从而保证基于pb相位调控的超构表面能够正常工作。可选地，在微流控器件7后方设置第二组偏振片和四分之一波片(附图中未示出)，用于调控出射光的偏振态，以便更加灵活地调控该系统中介质超构透镜阵列的工作模式，在本实施例中仅采用一组。
[0067]
在本实施例中，准直透镜3位于介质超构透镜阵列6之前，需要保证其产生的准直光束能够完全照射在介质超构透镜阵列6的超构表面上，透射光形成焦点阵列后直接照射在微流控器件7中，并在后端用成像物镜8和ccd相机9收集经超构透镜阵列6和样品调制后的光并成像。需要说明的是，在本发明的另一实施例中，在图2的光路基础上添加一会聚透镜置于介质超构透镜阵列6之后，可对超构表面生成的焦点阵列进行二次成像，将二次成像后的光束会聚于微流控器件7的样品区域内，成像物镜8仍置于微流控器件7后方并与其共轴，使从会聚透镜出射的光束传递至成像物镜8的入瞳处。
[0068]
另一方面，本实施例的介质超构透镜阵列6通过结合传播相位和pb相位两种相位调控方式，结合成像系统实现了偏振复用功能，可以完成更加灵活的焦点生成方案，具体地，该超构表面可以通过旋转偏振片4控制入射光的偏振态，进而实现不同的工作模式：具体参见图3，当入射光为右旋偏振态时，可产生2
×
2排列的4个焦点，当入射光为左旋偏振态时，可产生3
×
3排列的9个焦点，而当入射光为特定的椭圆偏振光时，则可以同时激发出以上两种模式。
[0069]
进一步地，本实施例的多焦点粒子检测可以实现对流动溶液中粒子属性的测量，分析计算模块能够测量溶液中待测粒子的流速信息，具体地，本实施例的分析计算模块具体用于：
[0070]
提取所述图像序列中每一帧生成的任一个或多个焦点区域内部的强度信息，对包含粒子群流动信息的区域内信号强度值进行积分求和，得到一组随时间变化的强度曲线；
[0071]
对得到的强度曲线进行数值补偿以消除信背比下降带来的影响；
[0072]
对数值补偿后的强度信息进行图像相关计算，得到每个焦点区域的强度信息的自相关结果以及焦点区域之间的强度信息的互相关结果；
[0073]
对得到的自相关结果和互相关结果的数据曲线进行拟合计算，获得粒子流动速度。
[0074]
在实际过程中，该多焦点粒子检测的操作过程包括如下步骤：
[0075]
步骤1：开启激光器1的电源，调节出射激光的光强，保证ccd相机9对于介质超构透镜阵列6能够清晰成像且曝光度适中，过曝会导致观测区域内待测粒子有效信息的丢失；
[0076]
步骤2：将微流控器件或生物活体样品固定于会聚透镜和成像物镜的公共焦点处，保证微流控器件或生物样品所在的平面于光学系统的光轴垂直，同时保证光束能够完全通过微流控器件或生物样品的有效探测区域。本实施例以pmma微球粉末的水溶液作为待测样品，为减少粒子的团聚效应并保证观测区域内始终有均匀的pmma小球流过，需尽量确保合适的pmma小球溶液的浓度配比，所使用的溶液中pmma微球粉末为0.025g，水溶剂约为1ml；
[0077]
步骤3：轴向移动微流控器件7位置进行调焦，使微流控器件7的观测区域能够清晰成像，此时以恒定速度向微流控器件7的入口端注入待测溶液，流经通道部分的溶液从微流控器件的出口端流出。本实施例中将待测溶液样品灌注入注射器内，使用微流控泵推动注射器，待溶液在微流控器件中的流动状态处于稳态后，此时观察到的溶液中流动的粒子群可作为计算所用的有效图像数据；
[0078]
步骤4：通过计算机端与ccd相机相关联的图像采集软件将图像的帧率调整至每秒200帧左右，对流动状态下的粒子样品进行多帧连续采集和存储，并在软件中对ccd相机所采集的图像的曝光时间、增益以及γ值进行调整以确保观测区域中的粒子与背景间有较高的对比度和合适的亮度。本实施例中进行了共6000帧、时长约30s的连续拍摄，可以得到如图4所示的实际图像，此处在超构透镜阵列处于4焦点模式下，从中选取了第1500帧、第3000帧、第4500帧和第6000帧图像作为展示，均可在四个焦点所形成的探测区域内清晰地看到经过的pmma小球。
[0079]
步骤5：对于在步骤4得到的图像序列中各个观测区域内的信号强度求和，可以得到时长30s的一组强度随时间的关系曲线，并对其进行数值补偿以消除信背比波动带来的影响，接着基于某一组或多组强度积分-时间曲线进行图像相关光谱的计算，进一步得到单焦点的自相关曲线以及多焦点的互相关曲线，最终通过物理函数拟合计算得到粒子流速的具体数值。
[0080]
步骤5的具体过程包括：
[0081]
s5.1：提取图像序列中每一帧中生成的任一个或多个焦点区域内部的强度信息，对包含粒子群流动信息的观测区域内的信号强度值进行积分求和，从而得到一组总时长30s的随时间变化的强度积分曲线，如图5所示，图像焦点1和图像焦点2分别对应pmma小球先后流经的两个观测区域内的强度积分随时间变化曲线；
[0082]
s5.2：对得到的强度曲线进行数值补偿以消除信背比波动带来的影响，在本实施例中，首先对步骤s5.1中得到的6000个强度积分数据依据等距求平均值的方法缩放至100
个数据，接着结合以下函数进行拟合：
[0083][0084]
其中，a,b,c分别为三项待拟合系数，x表示自变量时间，y(x)表示随时间变化的因变量光强度值，i表示该拟合多项式中的第i项，之后将缩放的数据的自变量数据利用最近邻插值法扩展成长度为6000的数组，再利用拟合所得到的函数求得对应的拟合强度值，实现的最终补偿后结果的强度积分曲线即如图6所示。
[0085]
s5.3：引入延迟量τ，对以上通过拟合修正得到的强度值数组进行图像光谱相关计算：
[0086]
ga(τ)＝《ic(t)ic(t+τ)》/《ic(t)》
2-1
[0087]
gc(τ)＝《i1(t)i2(t+τ)》/《i1(t)》《i2(t)》-1
[0088]
其中，ga为对某一个焦点区域内的强度信息进行自相关计算的结果，gc为对某两个焦点区域内的强度信息进行互相关计算的结果，均为时间延迟量相关的函数，ic(t)为某一个焦点在任一时间点t下的图像强度值，ic(t+τ)为在t+τ时刻下对应的图像强度值，i1和i2分别对应图像中两个相关焦点的强度值，所选取的两个焦点区必须为同一粒子群沿特定方向依次流经的区域。
[0089]
在本实施例中，设置介质超构透镜阵列在四焦点模式下进行工作，选取左侧两焦点作为观测区域，首先由步骤5.2中统计得到的积分强度曲线对两个区域分别进行自相关计算，同时通过调节微流控泵的推进速度改变溶液样品的流动速度，以获得不同速度条件下的统计结果，得到的实验结果如图6中的圆点状标记所示，左右两张图分别对应着微流控泵中所设置的速度在4μl/min和5μl/min条件下的情况。另一方面，再基于步骤5.2中统计得到的积分强度曲线对两个区域进行互相关计算，得到的实验结果如图7中的圆点状标记所示。需要说明的是，为了证明本方法可测量的速度范围足够大，图7中测算互相关结果时特意将微流控泵的速度设置调整至40μl/min和45μl/min的条件下进行实验。
[0090]
s5.4：对得到的自相关结果以及互相关结果的数据曲线根据以下物理模型或基于此的变形进行拟合计算：
[0091][0092][0093]
其中，n为在观测区域内流经的粒子数平均值，τd为由于粒子自身布朗运动引起的扩散时间参量，τf为由于外部动力引起的粒子流动相关的时间参量，d0表示任意两个所取焦点所在观测区域的实际距离，r0表示某一焦点的半径值。随后，利用公式vf＝r0/τf求得粒子流动速度，通过n除以观测区域的体积大小求得粒子浓度。
[0094]
在本实施例中，首先对两组不同的较慢速度的实验所得到的自相关结果根据上式中ga(τ)所对应的物理函数进行拟合，测量和拟合结果见图6，在两个速度条件下拟合得到的参数τf分别为0.044s和0.027s，焦点所形成的每个圆形观测区域的半径值为11.2μm，利
用公式vf＝r0/τf可以求得在两个慢速条件下的拟合速度分别为252μm/s、417μm/s。另一方面，对两组不同的较快速度的实验所得到的互相关结果根据上式中gc(τ)所对应的物理函数进行拟合，测量和拟合结果见图7，在两个速度条件下拟合得到的参数τf分别为0.004s和0.003s，同理可以求得在两个快速条件下的拟合速度分别为2909μm/s、4267μm/s。拟合得到的结果与实际速度平均误差约为8.07％，因此本发明实施例的方法可以较准确地测量粒子流速。
[0095]
本发明无需荧光标记，利用目标粒子对光的反射或散射特性来进行强度相关分析，可对天然状态下的粒子进行测量；本发明所采用的介质超构透镜阵列使得传统的多焦点相关光谱测量系统更加紧凑，并且可以通过控制照射在超构透镜阵列上电磁波的偏振态来灵活改变后方所产生的焦点的个数。本发明利用厚度仅有亚波长尺度的超构透镜阵列在很短的工作距离内生成单个或多个焦点，对溶液中的待测粒子进行照明和观测，且易于与微流控器件集成，基于此搭建的光学系统结构紧凑；同时，该超构透镜阵列所产生的焦点数量灵活可调，可以同时对样品中多点区域进行测量，通过记录图像序列并进行后续的计算处理可获得粒子的流速和浓度等信息。，相比于传统相关光谱测量系统，该方法利用超构透镜阵列在极短的工作距离内产生焦点，简化了光路，便于与微流控器件进行集成；而且焦点数量灵活可调，可以对样品中多点同时进行测量。
[0096]
实施例二
[0097]
在实施例一的基础上，本实施例提供了一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测方法，该方法具体包括：
[0098]
s1：利用实施例一所述的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统获得待测粒子在流动状态下的多帧连续图像序列。
[0099]
具体地，本实施例的s1包括：
[0100]
s1.1：开启照明模块电源，调节光源强度，保证ccd相机对于超构透镜阵列所成的像清晰可见且曝光度适中；
[0101]
s1.2：将微流控器件固定于介质超构透镜阵列与成像物镜的公共焦点处，保证微流控器件所在的平面与光束传播方向垂直，同时保证光束能够完全通过微流控器件的有效探测区域；
[0102]
s1.3：轴向移动所述微流控器件的位置，使所述微流控器件中的观测区域清晰成像，以恒定速度向所述微流控器件注入含有待测粒子的溶液并使得溶液流动状态处于稳定状态；
[0103]
s1.4：对流动状态下的待测粒子进行多帧连续图像采集，并对多帧连续采集获得的图像序列进行相关参数调整以确保采样区域的粒子与背景间有较高的对比度和合适的亮度。
[0104]
s2：对所述图像序列进行图像相关光谱方法的计算，得到单焦点的自相关曲线以及多焦点的互相关曲线，通过函数拟合得到待测粒子的流速、浓度参数的数值。
[0105]
在本实施例中，所述s2包括：
[0106]
s2.1：提取所述图像序列中每一帧生成的任一个或多个焦点区域内部的强度信息，对包含粒子群流动信息的区域内信号强度值进行积分求和，得到一组随时间变化的强度曲线，每个焦点区域的强度信息数据对应一条曲线；
[0107]
s2.2：对得到的强度曲线进行数值补偿以消除信背比下降带来的影响；
[0108]
s2.3：引入延迟量τ，对数值补偿后的强度信息进行图像相关计算，得到每个焦点区域的强度信息的自相关结果以及焦点区域之间的强度信息的互相关结果，其中，所述自相关结果和所述互相关结果的表达式分别为：
[0109]
ga(τ)＝《ic(t)ic(t+τ)》/《ic(t)》
2-1
[0110]
gc(τ)＝《i1(t)i2(t+τ)》/(《i1(t)》《i2(t)》)-1
[0111]
其中，ga(τ)为对一个焦点区域内的强度信息进行自相关计算的结果，gc(τ)为对两个焦点区域内的强度信息进行互相关计算的结果，ic(t)为一个焦点在任一时间点t下的图像强度值，ic(t+τ)为在时间点t+τ下对应的图像强度值，i1和i2分别对应图像中两个相关焦点的强度值，所选取的两个焦点区域为同一粒子群沿特定方向依次流经的区域。
[0112]
s2.4：对得到的自相关结果和互相关结果的数据曲线进行拟合计算，获得粒子流动速度。
[0113]
在本实施例中，对三组不同浓度的样品分别执行上述实验步骤，所得到的自相关结果根据上式中ga(τ)所对应的物理函数进行拟合，具体结果见图8，图中从左至右三张子图分别对应三个浓度条件下的测量和拟合结果。三个浓度条件下拟合得到的平均粒子数n分别为0.82、0.55和0.34，焦点所形成的每个圆形焦斑的观测区域在相机画面上呈现的面积为201μm2，微流控器件厚度为100μm，则观测体积为201μm2×
100μm＝0.201
×
10-4
μl。利用c＝n/v可以求得在两个慢速条件下的拟合浓度分别为4.10
×
104/μl、2.76
×
104/μl、1.67
×
104/μl，而这三种样品的实际统计浓度分别为4.17
×
104/μl、2.64
×
104/μl、1.83
×
104/μl，平均测量误差为4.93％，测算结果可以较准确地反映实际流体浓度。
[0114]
本发明设计了一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测方法，通过介质超构透镜阵列产生的多个焦点对溶液中的待测粒子进行多点采样并进行后续的数据处理和相关计算。相比于荧光相关光谱技术来说无需采用荧光标记，观测过程中不会受到光漂白的影响，可对天然状态下的粒子进行测量。相对于传统的双焦点相关光谱的成像系统，引入超构透镜阵列使得光学系统更加紧凑，而且更加容易实现两个焦点以上的多点探测，本实施例中就通过一个超构表面实现了至少4个、至多13个焦点的相关光谱系统，有效地丰富了单次实验数据的信息量，且焦点数量灵活可调。
[0115]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，本发明所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0116]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。
[0117]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统，其特征在于，包括照明模块、成像模块、图像采集模块、分析计算模块和微流控器件(7)，其中，所述照明模块、所述成像模块和所述图像采集模块沿光束传输方向顺次耦合连接；所述照明模块包括沿光束传输方向依次设置的激光器(1)、准直透镜(2)、扩束透镜(3)、偏振片(4)、四分之一波片(5)和介质超构透镜阵列(6)，首先通过所述激光器(1)、所述准直透镜(2)和所述扩束透镜(3)产生平行光束，并使所述平行光束覆盖介质超构透镜阵列(6)整个孔径，再通过所述介质超构透镜阵列(6)产生一组焦点阵列；所述微流控器件(7)置于所述照明模块与所述成像模块之间，用于承载含有待测粒子的溶液样品；所述成像模块包括成像物镜(8)；所述图像采集模块位于所述成像物镜(8)的焦面后端，用于对待测粒子成像或对介质超构透镜阵列后焦面上的焦点阵列进行二次成像，而后再利用所得焦点阵列对待测粒子进行观测；所述分析计算模块用于对实时观测到的待测粒子进行光强度值统计，并进行自相关和互相关分析计算，得到溶液中待测粒子的相关物理量。2.根据权利要求1中的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统，其特征在于，所述介质超构透镜阵列由基底以及位于所述基底上方的结构单元周期性均匀阵列组成，其中，所述基底的材料选用二氧化硅、树脂或三氧化二铝，所述结构单元周期性均匀阵列中的结构单元的特征尺寸及周期均小于电磁波在真空中的波长，所述结构单元的形状包括立方体波导、圆柱体波导、椭圆柱波导，所述结构单元的材料选用硅、氮化镓或二氧化钛。3.根据权利要求1中的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统，其特征在于，所述照明模块包括沿光束传播方向依次设置的激光器(1)、扩束透镜(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、四分之一波片(5)、介质超构透镜阵列(6)，所述成像模块包括成像物镜(8)；所述图像采集模块为ccd相机(9)，所述微流控器件(7)位于所述介质超构透镜阵列(6)与所述成像物镜(8)的公共焦平面处，并且所述微流控器件(7)所在平面与光束传播方向垂直。4.根据权利要求3中的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统，其特征在于，除了使用所述介质超构透镜阵列(6)对样品进行直接成像外，在所述介质超构透镜阵列(6)与所述微流控器件(7)之间设置会聚透镜，能够用于对所述介质超构透镜阵列(6)生成的焦点阵列进行二次成像，再将二次成像后的光束会聚于所述微流控器件(7)的样品区域内。5.根据权利要求3中的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统，其特征在于，所述图像采集模块还用于对流动状态下的待测粒子进行多帧连续图像采集，并对多帧连续采集获得的图像序列进行相关参数调整以确保能够清晰区别出采样区域中的粒子和背景信息。6.根据权利要求5中的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统，其特征在于，所述分析计算模块具体用于：提取所述图像序列中每一帧生成的一个或多个焦点区域内部的强度信息，对包含粒子群流动信息的区域内信号强度值进行积分求和，得到一组随时间变化的光强数据曲线；对得到的光强数据曲线进行数值补偿以消除信背比下降带来的影响；对数值补偿后的强度信息进行图像相关计算，得到每个焦点区域的强度信息的自相关结果以及焦点区域之间的强度信息的互相关结果；
对得到的自相关结果和互相关结果的数据曲线进行拟合计算，获得粒子流动速度。7.一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测方法，其特征在于，包括：s1：根据权利要求1至6所述的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统获得待测粒子在流动状态下的多帧连续图像序列；s2：对所述图像序列进行图像相关光谱方法的计算，得到单焦点的自相关曲线以及多焦点的互相关曲线，通过函数拟合得到待测粒子的流速、浓度参数的数值。8.根据权利要求7所述的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测方法，其特征在于，所述s1包括：s1.1：开启照明模块电源，调节光源强度，保证ccd相机对于超构透镜阵列所成的像清晰可见且曝光度适中；s1.2：调节介质超构透镜阵列、成像物镜、ccd相机之间的位置关系，使得介质超构透镜阵列所产生的焦点能够清晰成像到ccd相机上；s1.3：将微流控器件固定于介质超构透镜阵列与成像物镜之间，通过轴向移动所述微流控器件的位置，使所述微流控器件中的观测区域清晰成像，向所述微流控器件以恒定速度注入含有待测粒子的溶液；s1.4：当溶液流动处于稳定状态时对样品中的待测粒子进行多帧连续图像采集，并对多帧连续采集获得的图像序列进行相关参数调整以确保ccd相机所拍摄到的图像中能够清晰区别出待测粒子与背景信息。9.根据权利要求6所述的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测方法，其特征在于，所述步骤s2包括：s2.1：提取所述图像序列中每一帧生成的任一个或多个焦点区域内部的强度信息，对包含粒子群流动信息的区域内信号强度值进行积分求和，得到一组随时间变化的强度曲线，每个焦点区域的强度信息数据对应一条曲线；s2.2：对得到的强度曲线进行数值补偿以消除信背比下降带来的影响；s2.3：对数值补偿后的强度信息进行图像相关计算，得到每个焦点区域的强度信息的自相关结果以及焦点区域之间的强度信息的互相关结果；s2.4：对得到的自相关结果和互相关结果的数据曲线进行拟合计算，获得粒子流动速度。10.根据权利要求9所述的基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测方法，其特征在于，所述s2.4包括：对得到的自相关结果和互相关结果的数据曲线进行拟合计算，获得粒子流动速度和浓度，其中，拟合所用的物理模型为：度，其中，拟合所用的物理模型为：其中，g
a
(τ)为对一个焦点区域内的强度信息进行自相关计算的结果，g
c
(τ)为对两个焦点区域内的强度信息进行互相关计算的结果，n为在观测区域内流经的粒子数平均值，τ
d
为
粒子自身布朗运动引起的扩散时间参数，τ
f
为与外部动力引起的粒子流动相关的时间参数，d0表示任意两个所取焦点间的实际距离，r0表示当前焦点的半径值；利用公式v
f
＝r0/τ
f
求得粒子流动速度，通过n除以观测区域的体积大小求得粒子浓度。

技术总结
本发明公开了一种基于超构透镜阵列的多焦点粒子检测系统及方法，包括照明模块、成像模块、图像采集模块、分析计算模块和微流控器件，其中，照明模块包括沿光束传输方向依次设置的激光器、准直透镜、扩束透镜和介质超构透镜阵列，首先通过激光器、准直透镜和扩束透镜产生平行光束，并使平行光束覆盖介质超构透镜阵列整个孔径，再通过介质超构透镜阵列产生一组焦点阵列；微流控器件置于照明模块与成像模块之间，用于承载含有待测粒子的溶液样品；图像采集模块位于介质超构透镜阵列的焦面后端；分析计算模块用于得到溶液中待测粒子的相关物理量。本发明利用超构透镜阵列在极短的工作距离内产生焦点阵列，简化了光路，便于与微流控器件进行集成。控器件进行集成。控器件进行集成。


技术研发人员：索虹飞 于岚 葛苏阳 王国玺 郑娟娟
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/9/5