基于光诱导介电泳全自动微观操作系统研究

摘要

目前，在基于微/纳尺度物质如纳米粒子、纳米线、碳纳米管、金纳米颗粒、细胞、DNA、病毒等的微机电系统（MEMS）、纳米器件及传感器的制造中，尚无可对大量粒子进行有效的自动化并行操纵的方法。纳米器件或传感器中含有大量的纳米粒子，要实现对任意微/纳米粒子的分离、操作、运输、排列与装配是极其困难的，也是制约纳米材料与技术产业化的关键所在。本论文提出了一种基于光诱导介电泳全自动微观操作系统，主要开展了以下几个方面的研究：
　　（1）研究图像自动获取和预处理方法，用于实现对光诱导介电泳微观操作系统被操作样品图像的自动获取、图像自动预处理。分析了机器视觉系统所采集的图像中的噪声来源。研究了图像预处理中的均值滤波、中值滤波和高斯滤波等图像滤波的效果。对常用的根据系统中被操作的微纳米尺度样品图像的特点，选择合适的图像灰度化、图像增强和平滑去噪方法对图像进行消除噪声、校正失真、有选择的突出图像中的特征部分，使得视觉系统可以快速准确的提取到图像中所需要的信息。
　　（2）研究图像的分割和目标识别方法，用于对光诱导介电泳微观操作系统被操纵样品图像中目标的自动识别。研究并对比分析了全局阈值和自适应阈值化分割图像的效果，形态学膨胀运算和腐蚀运算对微粒填充效果，研究了霍夫变换算法，利用改进型霍夫变换算法对图像中的目标进行识别，得到图像中圆形目标的像素级精度的位置和尺寸参数。
　　（3）研究虚拟电极的设计和产生方法。根据实际的操纵目的设计了圆环形虚拟电极形状，包括几何尺寸和运动路径。系统利用面向对象的程序设计思想将圆形电极形状封装成独立的类，并将其几何尺寸参数和运动参数定义为类的成员变量。通过类的方法实现对虚拟电极参数的设置，再利用Visual C++6.0中的画图工具完成相应形状虚拟电极的绘制。虚拟电极的运动速度是通过设置系统定时器间隔时间来实现。
　　（4）在分析光诱导介电泳全自动操作系统功能的基础上，提出了模块化的控制系统软件结构，包括图像获取模块、图像处理模块、虚拟电极产生模块和平台驱动模块，并研究了个模块的具体实现方法。搭建了光诱导介电泳全自动操作系统实验平台及其软硬件控制系统，成功进行了微米和纳米尺度的操作对象大规模全自动化操作实验研究。从而验证了系统具有全自动微观操纵能力以及对微纳米材料的芯片级、大规模、批量化操纵能力。

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第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2微纳米操纵技术研究现状

1.3光诱导介电泳技术研究现状

1.4本论文的主要工作

第2章 图像预处理

2.1数字图像的获取和表示

2.2图像灰度化

2.3图像增强处理方法

2.4图像的平滑去噪

2.5本章小结

第3章 图像分割和目标识别

3.1图像二值化

3.2形态学处理

3.3霍夫变换

3.4本章小结

第4章 软硬件系统设计与实现

4.1系统设计

4.2硬件平台

4.3软件系统设计与实现

4.4实验结果与分析

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢