一种基于FPGA的集成光强反馈及光阱量化的系统

阅读：评论：0

一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统
技术领域
1.本发明属于光学俘获及探测技术领域，具体为一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统。

背景技术：

2.光镊自诞生以来，已经从基础的对样品进行二维操作拓展出了如微纳尺度粒子俘获、分子微马达等多种面对不同需求的独特构型。鉴于当前绝大多数采用光镊的实验研究均涉及对光阱性能指标的量化，需要对被俘获样品的位置信息进行探测并加以处理，使用的光电及电子学仪器需要占用一定的空间且成本较高。此外，由于机械噪声及环境因素的影响，以及四象限探测器对散射光检测能力相对较弱，因而对光阱性能指标——光阱刚度的量化精度受到限制。

技术实现要素：

3.基于上述问题，本发明提供基于pid算法的反馈环路与完备的可控光镊系统进行集成，通过引入电子学伺服系统将激光光强反馈锁定在一恒定点上，以进一步降低由机械噪声及环境因素等因素导致的量化精度的影响。其技术方案为，
4.一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，包括高功率红外激光发射模块、光场调整控制模块、扩束对齐模块、显微成像及俘获势构建模块、光阱信息量化采集模块和加载集成算法fpga模块；所述高功率红外激光发射模块产生的tem
00
模高斯激光场通过光场调整控制模块进行振幅及频率的调制，产生的光作用于加载集成算法fpga模块，加载集成算法fpga模块通过驱动模块调节光场调整控制模块产生一级衍射光，一级衍射光经过扩束对齐模块，由显微成像及俘获构建模块进行成像及位置信息获取，获取的位置信息通过光阱信息量化采集模块进行参数进行处理、优化，并传输至加载集成算法fpga模块对光场调整控制模块的声光调制器进行反馈、调节，加载集成算法fpga模块与计算机控制模块通信。
5.优选的，所述高功率红外激光发射模块包括激光器、光隔离器、半波片和线偏振镜，所述激光器发射的激光通过光隔离器、二分之波片及和线偏镜输出特定波长的线偏振光。
6.优选的，所述光场调整控制模块包括声光调制器、光电探测器、反射镜一和分束镜，所述声光调制器接收高功率红外激光发射模块发射来的激光束，经过反射镜一、分束镜进入光电探测器，由光电探测器输入至加载集成算法fpga模块，加载集成算法fpga模块进行运算后通过驱动模块调节声光调制器，进行振幅及频率的调制。
7.优选的，所述扩束对齐模块包括扩束镜组、反射镜二和二向镜一；所述反射镜二倾斜安装，使其最大面积的放射来自扩束镜组的光束，所述反射镜二与二向镜一平行安装。
8.优选的，所述显微成像及俘获势构建模块包括物镜、聚光镜、ccd相机以及led光
源，所述物镜接收来自二向镜一投射的光束，对光场强聚焦，样品被光阱捕获后，透射的光场经由聚光镜进行收集，通过led光源发出的光场经过聚光镜照射透明样品表面，并通过物镜收集，经过红外滤光后通过筒镜成像于ccd相机。
9.优选的，所述加载集成算法fpga模块内部采用基于while循环的移位寄存器结构，信号经过数模转换后经加载集成算法fpga模块中的pid算法进行实时处理，算法如下，
10.u(k)＝u(k-1)+ae(k)+be(k-1)+ce(k-2)
11.其中e(k)为setpoint与反馈值在采样点k的差，即误差；u(k)为pid输出，a、b、c为pid的权重参数。
12.优选的，对光强稳定的光阱参数量化过程包括以下步骤：
13.步骤1，高功率红外激光发射模块产生mw量级的tem
00
模高斯光场，作用于光场调整控制模块；
14.步骤2，光场调整控制模块输出可调制的驱动信号驱动声光调制器，使声光调制器出射的一级衍射光的功率及频率可控化；分束镜采样部分一级衍射光强度信息i并将其发送给加载集成算法fpga模块；
15.步骤3，可控的光场通过物镜进行聚焦，实现对微粒的动态操控；并通过显微成像及俘获势构建模块进行成像；
16.步骤4，通过对接在显微成像及俘获势构建模块上的光阱信息量化采集模块对样品空间运动信息进行采集，将得到的标定时域位置信息的数列发送给加载集成算法fpga模块；
17.步骤5，加载集成算法fpga模块将接收到的光场强度及时域位置信息通过内置的先入先出队列算法结构进行逻辑分组及并行处理，同步实现激光功率反馈控制及光功率谱密度的拐点频率计算；
18.步骤6，通过与加载集成算法fpga模块对接的计算机控制模块，基于生产消费逻辑结构及队列运算结构实现一定延时的计算机控制模块与加载集成算法fpga的同步，在计算机上提供加载集成算法fpga模块中反馈环路参数及光阱的实时调整，加载集成算法fpga模块实时性地更新数据至计算机前面板确保运算结果及控制反馈效果的实时数字化图表化展现。
19.8.根据权利要求7所述的一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，光阱信息量化采集模块包括二向镜二、镀膜透镜和四象限光电探测器，所述二向镜二位于led光源与聚光镜中间，所述镀膜透镜接受二向镜二的投射光束，经过镀膜透镜的光束由四象限光电探测器接收，并发送至加载集成算法fpga模块；
20.四象限光电探测器采集的信号经加载集成算法fpga模块采集并做快速傅里叶变换处理得到粒子布朗运动的频域数据x，y，z，通过含有一定的储存空间的先入先出队列结构，在相同采样速率下输出给计算机端；频域数据x，y，z采用计算机端经过s
x
(f)模型
[0021][0022]
对数组非线性洛伦兹拟合得到拐点频率fc，其中γ0为粘滞系数，kb为玻尔兹曼常数，t为温度，f为信号傅里叶变换后的频率值，并基于拐点频率运算实时输出表征光阱束缚粒子强弱的刚度。
[0023]
有益效果
[0024]
1.将传统基于物理仪器的光调制模块-电子学伺服系统集成为虚拟仪器，并与量化光阱参数的算法、光阱操作等功能程序集成在单个fpga模块中，确保经过电子学反馈的整个系统提供更加稳定的俘获势，进而提供更高的测量精度的同时，实现了fpga实时采集处理系统与非实时的计算机前面板数据处理的同步；并由于算法优化而能够实现多组数据的并行处理进而节省光镊操作中的参量测量时间，此外，仪器的集成化也在提供系统的高度的扩展性的同时节省了开销成本。
[0025]
2.将功率反馈环路的多个电子学仪器如pid电子模块及配套配电箱通过算法代替，并集成在一张安装在计算机主板上的fpga板卡中，极大的缩减了仪器成本和仪器占用空间，并通过引入电子学伺服系统有效实现了将激光光强反馈锁定在一恒定点上，提高了光学俘获的精度，将光阱控制功能一并集成于程序中，简化了对被俘获样品的操作流程，使得系统具备较高的集成度。
附图说明
[0026]
图1为基于fpga的集成电子学伺服及光学俘获参数量化的系统的示意图；
[0027]
图2为包含光学系统及电子学系统及计算机的模块逻辑图；
[0028]
图3为实时同步实现电子学反馈控制及光阱参量获取的控制流程图；
[0029]
图4为包含光阱功能操作、反馈环路开关及数字化显示光阱参数的计算机端主程序前面板；
[0030]
图5为包含图表化光强信息、图表化频域功率谱信息以及当前算法运行时间的计算机端二级程序面板。
[0031]
图中1-激光器，2-光隔离器，3-λ/2玻片，4-线偏镜，5-声光调制器，6-反射镜一，7-分束镜，8-扩束镜组，9-反射镜二，10-ccd相机，11-二向镜一，12-物镜，13-聚光镜，14-二向镜二，15-led光源，16-镀膜透镜，17-四象限探测器，18-fpga芯片，19-光电探测器，20-驱动模块，21-计算机，22-筒镜。
具体实施方式
[0032]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
[0033]
本实例提供了一种集成多种功能的实时参量获取并具备高精度探测功能的光学捕捉方案，有效减小了空间的占用以及仪器成本。如图2，包括高功率红外激光发射模块、光场调整控制模块、显微成像及俘获势构建模块、光阱信息量化采集模块、加载集成算法fpga模块、计算机控制模块。
[0034]
所述高功率红外激光发射模块包括激光器、光隔离器、半波片和线偏振镜，所述激光器发射的激光通过光隔离器、二分之波片及和线偏镜输出特定波长的线偏振光。
[0035]
所述光场调整控制模块包括声光调制器、光电探测器、反射镜一和分束镜，所述声光调制器接收高功率红外激光发射模块发射来的激光束，经过反射镜一、分束镜进入光电探测器，由光电探测器输入至加载集成算法fpga模块，加载集成算法fpga模块进行运算后通过驱动模块调节声光调制器，进行振幅及频率的调制。
[0036]
所述扩束对齐模块包括扩束镜组、反射镜二和二向镜一；所述反射镜二倾斜安装，使其最大面积的放射来自扩束镜组的光束，所述反射镜二与二向镜一平行安装。
[0037]
所述显微成像及俘获势构建模块包括物镜、聚光镜、ccd相机以及led光源，所述物镜接收来自二向镜一投射的光束，对光场强聚焦，样品被光阱捕获后，透射的光场经由聚光镜进行收集，通过led光源发出的光场经过聚光镜照射透明样品表面，并通过物镜收集，经过红外滤光后通过筒镜成像于ccd相机。
[0038]
光阱信息量化采集模块包括二向镜二、镀膜透镜和四象限光电探测器，所述二向镜二位于led光源与聚光镜中间，所述镀膜透镜接受二向镜二的投射光束，经过镀膜透镜的光束由四象限光电探测器接收，并发送至加载集成算法fpga模块；
[0039]
高功率红外激光发射模块的激光器产生的tem
00
模高斯激光场通过光场调整控制模块的声光调制器进行振幅，频率的调制，产生的一级衍射光通过分束镜作用于加载集成算法fpga模块进行采集及显微成像及俘获势构建模块进行成像及位置信息确认。确认后的位置信息通过光阱信息量化采集模块qpd用于参数进行处理、优化，并传输至加载集成算法fpga模块对光场调整控制模块的声光调制器进行反馈、调节。
[0040]
如图1所示，基于fpga的集成电子学伺服及光学俘获参数量化的系统操作包括如下步骤：
[0041]
步骤：1单光束光阱构建
[0042]
1.1采用对生物样品损伤较小的1064nm红外激光器1作为俘获光源输出mw量级的激光通过光隔离器2和分之波片3及线偏镜4组合，其目的是输出特定波长的线偏振光。
[0043]
1.2线偏镜4后采用扩束镜组8进行扩束准直，采用反射镜一6进行孔径的空间匹配，望远镜系统用于调整阱位；
[0044]
1.3显微成像及俘获势构建模块中的二向镜一11将该波段激光反射，通过物镜(60x，na 1.2，水浸)12对光场强聚焦。
[0045]
1.4样品被光阱捕获后，透射的光场经由聚光镜(na 0.52)13进行收集；
[0046]
1.5通过白光led光源15发出的光场经过聚光镜13照射透明样品表面并通过物镜12收集，经过红外滤光后通过筒镜22成像于科研级ccd相机10，其像面直观呈现样品及光阱状况；
[0047]
1.6通过与fpga芯片集成在一个前面板中的visa端口发送的信号，实现光阱的空间移动或阵列展开等功能。
[0048]
2光阱刚度量化模块构建
[0049]
2.1聚光镜13收集到的光场信息通过镀膜透镜16至四象限光电探测器上17，其输出的光电信号经过数学运算转化为空间三维光强信息，通过fpga芯片18实时接收时域位置数据数组；
[0050]
2.2fpga芯片18的算法中快速傅里叶变换算法将时域数据转化为携带光阱性能指标的频域数组x，y，z并分组通过先入先出队列输出给计算机；由于算法的优化，单次程序执行时间为微秒量级，等效带宽百khz-mhz量级，具备较佳的时效性。
[0051]
3稳定光阱的性能指标实时评价
[0052]
3.1带有调制端口的任意波形发生器连接射频信号放大器构成驱动模块20(包括波形发生器和功率放大器)，为光路中的声光调制器5提供驱动信号。分束镜7采样一部分强
度为i的光传输给光电探测器19，其余作为捕获光作用于样品(样品设置在样品池中，样品池位于物镜12和聚光镜中间)。
[0053]
3.2如图4的主面板中，切换工作模式为pid，设置预设值setpoint为iset；
[0054]
3.3打开pid lock，如需调整反馈算法的具体参数，可通过“show control window”按钮打开如图5的面板进行对应参数的调整；
[0055]
3.4信号经过数模转换后经fpga芯片上的pid算法
[0056]
u(k)＝u(k-1)+ae(k)+be(k-1)+ce(k-2)
[0057]
进行实时处理(其中e(k)为setpoint与反馈值在采样点k的差，即误差；u(k)为pid输出，a,b,c可通过数学运算与pid的三个参数对应，可看做权重参数)，计算机前面板中设置期望电压值iset，通过生产-消费编程结构与板卡搭建通讯，板卡基于前面板设置值iset实时输出合适的时变模拟电压信号m；
[0058]
3.5步骤3.4中的符合预期的时变模拟电压信号m对aom驱动信号进行强度调制，将实际光强动态稳定在预设点iset附近；数组i、m及iset通过fpga-计算机端通讯以图表形式实时地展现当前激光强度的稳定效果，数据在fpga芯片中并行处理的同时保持微秒量级的高速处理速度。
[0059]
3.6如步骤2，四象限光电探测器17采集的信号经fpga芯片18采集并做快速傅里叶变换处理得到粒子布朗运动的频域数据x，y，z，通过含有一定的储存空间的先入先出队列结构，在相同采样速率下输出给计算机端；
[0060]
3.7频域数据x，y，z采用计算机端labview程序内编译的理论模型
[0061][0062]
对数组非线性洛伦兹拟合得到拐点频率fc，(其中γ0为粘滞系数，kb为玻尔兹曼常数，t为温度，f为傅里叶变换后的频率)并基于拐点频率运算实时输出表征光阱束缚粒子强弱的刚度。
[0063]
3.3在图5的二级面板中实时观察fpga输出的功率锁定在iset上，打开bfp开关和live stiffness开关，在主面板中即可得到光阱的空间三维功率谱密度的拐点频率，以及对应的光阱刚度参量，实现pid算法及psd计算算法的并行运行。在二级面板中可以实时观察图表中光强i和功率谱x,y,z数据的更新，并可确认在两种算法并行运行下，整个稳定-采集算法的速度保持在3微秒。
[0064]
至此，完成了基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统。
[0065]
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，包括高功率红外激光发射模块、光场调整控制模块、扩束对齐模块、显微成像及俘获势构建模块、光阱信息量化采集模块和加载集成算法fpga模块；所述高功率红外激光发射模块产生的tem
00
模高斯激光场通过光场调整控制模块进行振幅及频率的调制，产生的光作用于加载集成算法fpga模块，加载集成算法fpga模块通过驱动模块调节光场调整控制模块产生一级衍射光，一级衍射光经过扩束对齐模块，由显微成像及俘获构建模块进行成像及位置信息获取，获取的位置信息通过光阱信息量化采集模块进行参数进行处理、优化，并传输至加载集成算法fpga模块对光场调整控制模块的声光调制器进行反馈、调节，加载集成算法fpga模块与计算机控制模块通信。2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，所述高功率红外激光发射模块包括激光器、光隔离器、半波片和线偏振镜，所述激光器发射的激光通过光隔离器、二分之波片及和线偏镜输出特定波长的线偏振光。3.根据权利要求1所述的一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，所述光场调整控制模块包括声光调制器、光电探测器、反射镜一和分束镜，所述声光调制器接收高功率红外激光发射模块发射来的激光束，经过反射镜一、分束镜进入光电探测器，由光电探测器输入至加载集成算法fpga模块，加载集成算法fpga模块进行运算后通过驱动模块调节声光调制器，进行振幅及频率的调制。4.根据权利要求1所述的一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，所述扩束对齐模块包括扩束镜组、反射镜二和二向镜一；所述反射镜二倾斜安装，使其最大面积的放射来自扩束镜组的光束，所述反射镜二与二向镜一平行安装。5.根据权利要求4所述的一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，所述显微成像及俘获势构建模块包括物镜、聚光镜、ccd相机以及led光源，所述物镜接收来自二向镜一投射的光束，对光场强聚焦，样品被光阱捕获后，透射的光场经由聚光镜进行收集，通过led光源发出的光场经过聚光镜照射透明样品表面，并通过物镜收集，经过红外滤光后通过筒镜成像于ccd相机。6.根据权利要求5所述的一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，所述加载集成算法fpga模块内部采用基于while循环的移位寄存器结构，信号经过数模转换后经加载集成算法fpga模块中的pid算法进行实时处理，算法如下，u(k)＝u(k-1)+ae(k)+be(k-1)+ce(k-2)其中e(k)为setpoint与反馈值在采样点k的差，即误差；u(k)为pid输出，a、b、c为pid的权重参数。7.根据权利要求1所述的一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，对光强稳定的光阱参数量化过程步骤如下：步骤1，高功率红外激光发射模块产生mw量级的tem
00
模高斯光场，作用于光场调整控制模块；步骤2，光场调整控制模块输出可调制的驱动信号驱动声光调制器，使声光调制器出射的一级衍射光的功率及频率可控化；分束镜采样部分一级衍射光强度信息i并将其发送给加载集成算法fpga模块；步骤3，可控的光场通过物镜进行聚焦，实现对微粒的动态操控；并通过显微成像及俘
获势构建模块进行成像；步骤4，通过对接在显微成像及俘获势构建模块上的光阱信息量化采集模块对样品空间运动信息进行采集，将得到的标定时域位置信息的数列发送给加载集成算法fpga模块；步骤5，加载集成算法fpga模块将接收到的光场强度及时域位置信息通过内置的先入先出队列算法结构进行逻辑分组及并行处理，同步实现激光功率反馈控制及光功率谱密度的拐点频率计算；步骤6，通过与加载集成算法fpga模块对接的计算机控制模块，基于生产消费逻辑结构及队列运算结构实现一定延时的计算机控制模块与加载集成算法fpga的同步，在计算机上提供加载集成算法fpga模块中反馈环路参数及光阱的实时调整，加载集成算法fpga模块实时性地更新数据至计算机前面板确保运算结果及控制反馈效果的实时数字化图表化展现。8.根据权利要求7所述的一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统，其特征在于，光阱信息量化采集模块包括二向镜二、镀膜透镜和四象限光电探测器，所述二向镜二位于led光源与聚光镜中间，所述镀膜透镜接受二向镜二的投射光束，经过镀膜透镜的光束由四象限光电探测器接收，并发送至加载集成算法fpga模块；四象限光电探测器采集的信号经加载集成算法fpga模块采集并做快速傅里叶变换处理得到粒子布朗运动的频域数据x，y，z，通过含有一定的储存空间的先入先出队列结构，在相同采样速率下输出给计算机端；频域数据x，y，z采用计算机端经过s
x
(f)模型对数组非线性洛伦兹拟合得到拐点频率fc，其中γ0为粘滞系数，k
b
为玻尔兹曼常数，t为温度，f为信号傅里叶变换后的频率值，并基于拐点频率运算实时输出表征光阱束缚粒子强弱的刚度。

技术总结

本发明属于光学俘获及探测技术领域，具体为一种基于FPGA的集成光强反馈及光阱量化的系统，包括高功率红外激光发射模块、光场调整控制模块、显微成像及俘获势构建模块、光阱信息量化采集模块和加载集成算法FPGA模块。其优点在于，将功率反馈环路的多个电子学仪器如PID电子模块及配套配电箱通过算法代替，并集成在一张安装在计算机主板上的FPGA板卡中，极大的缩减了仪器成本和仪器占用空间，并通过引入电子学伺服系统有效实现了将激光光强反馈锁定在一恒定点上，提高了光学俘获的精度。提高了光学俘获的精度。提高了光学俘获的精度。