CN101183027A - 微流体温度场测量装置及用该装置测微流体温度场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流体温度场测量装置，包括光源，其特点是还包括起偏器、聚光镜、半透半反射棱镜、偏振分光棱镜、物镜、四分之一波片、检偏器和CCD，光源射出的光束通过起偏器变成偏振光，再经过聚光镜会聚成平行光，该光线经过半透半反射棱镜，反射至偏振分光棱镜后被剪切成两束光；这两束光通过物镜射到微流体芯片上，再按照原方向反射，通过物镜、偏振分光棱镜、半透半反射棱镜、四分之一波片、检偏器，最终成像在CCD靶面上。由于采用共光路光学系统，消除了外界因素对光路的干扰，减少了测量误差。本发明方法采用相移干涉测量方法，使得温度测量误差由现有技术的3℃提高到0.1℃；空间分辨率由现有技术的毫米级提高到微米级。

Description

微流体温度场测量装置及用该装置测微流体温度场的方法

技术领域

本发明涉及一种微流体温度场测量装置，还涉及利用这种测量装置测量微流体温度场的方法。

背景技术

采用光学方法解决与折射率相关的流场的温度场参数测量问题，在流场温度场分布的测量中使用广泛。使用最为广泛的有迈克耳逊干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪。

参照图1，文献1“利用迈克耳逊干涉仪研究温度场及其误差分析，《物理实验》Vol.26No.4.温学达等”公开了一种利用迈克耳逊干涉仪进行温度场测量的装置和方法，其干涉仪光路图：光线首先在分光板1处分成两束光分别为物光、参考光；物光束经过被测物体2后，在反射镜3处按照原方向发生反射；参考光束经过补偿镜4后，在反射镜3处按照原方向发生反射；两束光同时汇聚到投影屏5处，产生干涉图像。

参照图2，文献2“Application of holographic interferometry and 2D PIV for HSC convectiveflow diagnostics.Meas.Sci.Technol.2004，15：664-672”公开了一种利用Mach-Zehnder干涉仪进行温度场测量的装置和方法，其干涉仪光路图为：光线从光源6发出，在反射镜3处发生反射；经过扩束准直之后，在半透半反射棱镜7处一半光线直接透射出去成为物光，一半光线反射成为参考光。物光经过被测物体2，再经过反射镜3反射到半透半反射棱镜7上；同时，参考光也经过反射镜3反射到半透半反射棱镜7上；物光与参考光在半透半反射棱镜7汇聚，产生干涉图像。

迈克耳逊干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪都属于分光路系统，很容易受外界影响，当参考光臂与物光臂的温度、空气密度或臂长不一样时，都会引起测量不确定度误差；上述干涉测量方法对实验环境要求比较高，引起的温度测量误差一般为3℃，同时，空间分辨率在毫米级别，所以，这两种干涉仪只适合宏观流场测量，不适合微流场的测量。

发明内容

为了克服现有技术分的分光路光学系统存在测量误差的不足，本发明提供一种微流体温度场测量装置，采用共光路光学系统，可以消除外界因素对光路的干扰，减少测量误差。

本发明还提供利用上述测量装置测量微流体温度场的方法，采用相移干涉测量方法，可以满足微流体芯片中微管道尺寸在微米数量级的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种微流体温度场测量装置，包括光源，其特点是，还包括起偏器、聚光镜、半透半反射棱镜、偏振分光棱镜、物镜、四分之一波片、检偏器、CCD，光源射出的光束通过起偏器起偏，变成偏振光，再经过聚光镜，会聚成平行光同时消除光线中的杂散光；该光线经过半透半反射棱镜，反射至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将该光束剪切成振动方向正交的两束光；这两束光通过物镜，汇聚成两束平行光，该平行光分别射到微流体芯片的不同位置，再按照原方向反射出去，通过物镜、偏振分光棱镜合成为一束光线；该光线穿过半透半反射棱镜、四分之一波片、检偏器，最终成像在CCD靶面上。

一种上述微流体温度场测量装置的测量方法，其特点是包括以下步骤：

(a)读取由CCD拍摄的干涉图像的光强信息S；

(b)根据关系式：S＝I₀+I_csin(2α-Δ)，通过旋转检偏器(14)，引入已知α₁、α₂、α₂、...α_n值(n≥3)，联立成方程组：

S₁＝I₀+I_csin(2α₁-Δ)；

S₂＝I₀+I_csin(2α₂-Δ)；

S₃＝I₀+I_csin(2α₃-Δ)；

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S_n＝I₀+I_csin(2α_n-Δ)；

其中：I₀是直流背景光强；I_c是交流背景光强；α是检偏器与偏振分光棱镜的夹角；Δ是微流场相位差；

(c)求解方程组得到相位差Δ：Δ＝f(S₁，S₂，S₃…S_n)；

(d)根据光程差Δδ与相位差Δ的关系

计算出光程差Δδ；其中，λ是光源的波长；

(e)根据关系式 $\mathrm{\Δ\δ}=\frac{\∂n(x,y)}{\∂x}{l}_{\mathrm{CDE}}g$ 计算得到折射率沿剪切方向的斜率

；其中，L_CDE是两倍微流体沟道深度，g是两束振动方向垂直的偏振光之间的剪切值；

(f)根据折射率沿剪切方向的斜率，对其积分，得到 $n=\∫\frac{\mathrm{\Δ\δ}}{l_{\mathrm{CDE}}g}\mathrm{dx},$ 再根据流体温度T和折射率n之间的关系n＝f(T)得到微流体绝对温度T。

本发明的有益效果是：由于本发明微流体温度场测量装置，采用共光路光学系统，消除了外界因素对光路的干扰，减少了测量误差。本发明微流体温度场测量装置的测量方法，采用相移干涉测量方法，使得测量参数分辨率可达到1度，引起的温度测量误差由现有技术的3℃提高到0.1℃；空间分辨率由现有技术的毫米级提高到微米级，满足了微流体芯片中微管道尺寸在微米数量级的要求。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是现有技术文献1中迈克耳逊干涉仪光路图。

图2是现有技术文献2中Mach-Zehnder干涉仪光路图。

图3是本发明微流体温度场测量装置的光路图。

图4是本发明微流体温度场测量方法的原理图。

图5是本发明微流体温度场测量方法的流程图。

图中，1-分光板，2-被测物体，3-反射镜，4-补偿镜，5-投影屏，6-光源，7-半透半反射棱镜，8-起偏器，9-聚光镜，10-偏振分光棱镜，11-物镜，12-微流体芯片，13-四分之一波片，14-检偏器，15-CCD。

具体实施方式

实施例1：参照图3，本发明微流体温度场测量装置包括光源6、起偏器8、聚光镜9、半透半反射棱镜7、偏振分光棱镜10、物镜11、四分之一波片13、检偏器14和CCD15。光源6选择波长为632.8nm的氦氖激光，射出的光束通过起偏器8起偏，变成偏振光，再经过聚光镜9，会聚成平行光同时消除光线中的杂散光。该光线经过半透半反射棱镜7，一部分直接射出光路系统，一部分反射至偏振分光棱镜10。本实施例的偏振分光棱镜10为诺曼斯基棱镜，也可以用沃拉斯顿棱镜。偏振分光棱镜10将该光束剪切成振动方向正交的两束光，剪切量为g。这两束光通过物镜11，汇聚成两束平行光，该平行光分别射到微流体芯片12的不同位置，再按照原方向反射出去，通过物镜11、偏振分光棱镜10合成为一束光线。该光线穿过半透半反射棱镜7、四分之一波片13、检偏器14，最终成像在CCD15靶面上。

参照图4，利用本发明微流体温度场测量装置测量微流场温度，在实际情况中，微流场温度的变化引起折射率的变化，折射率的变化又使得穿过该区域的光线的光程差Δδ发生变化，从而引起相位差Δ的变化，微分干涉显微镜把这种相位差Δ的变化转化成光强信息S的变化，通过CCD15进行记录。对微流场温度场测量的处理步骤与实际变化关系顺序相反，是从结果反方向分析直到得出引起变化的源头。正反两组箭头分别反映了实际情况和测量顺序。

实施例2：参照图3、5，本发明微流体温度场测量装置的测量方法如下：

一、得到干涉图像的光强信息S。

光强信息S是通过Matlab软件直接读取由CCD15拍摄的干涉图像得到，它是需要进行信息提取的原始数据。

二、通过相移法，解调出微流体折射率变化引起的相位差Δ。

光强信息S与相位差Δ，有如下关系式：

S＝I₀+I_csin(2α-Δ)

其中：I₀直流背景光强；

I_c：交流背景光强；

α：检偏器14与偏振分光棱镜10的夹角；

Δ：微流场相位差。

干涉图的光强信息S包括I₀、I_c、α、Δ四个参数的信息，通过旋转检偏器14，引入已知α₁、α₂、α₃、...α_n值(n≥3)，联立成方程组求解。以五步法为例，旋转检偏器14，使α为

0，

则对应的光强信息S为

S₁＝I₀+I_csin(-π-)；

S₃＝I₀+I_csin(-)；

S₅＝I₀+I_csin(π-)；

求解方程组得到相位差Δ：

三、计算出光程差ΔC。

根据光程差Δδ与相位差Δ的关系

计算出光程差Δδ。

其中：λ：光源的波长。

四、计算折射率沿剪切方向的斜率

一束偏振光经过偏振分光棱镜10，分成两束振动方向垂直的偏振光上_ABCDEF和L_{AB’C’D’E’F’}。根据该棱镜的设计参数，这两束偏振光会形成一个微小的剪切值g，经过物镜11，这两束偏振光成为平行光线，再穿过微流体芯片12的不同区域，由于这些区域的折射率有差异，所以光线反射后再按照原光路返回，会产生光程差Δδ：

$\mathrm{\Δ\δ}=L_{\mathrm{ABCDEF}}-L_{A{B}^{\′}{C}^{\′}D{E}^{\′}{F}^{\′}}\≅n_1{L}_{\mathrm{CDE}}-n_2{L}_{C^{\′}D{E}^{\′}}=\mathrm{\Δn}{L}_{\mathrm{CDE}}$

L_CDE为微流体沟道深度的两倍，

在(x+g，y)到(x，y)的微小区域之间，

$\mathrm{\Δn}=\frac{\∂n(x,y)}{\∂x}g$

所以，光程差Δδ又可以表示成为：

$\mathrm{\Δ\δ}=\frac{\∂n(x,y)}{\∂x}{l}_{\mathrm{CDE}}g$

折射率沿剪切方向的斜率：

$\frac{\∂n(x,y)}{\∂x}=\frac{\mathrm{\Δ\δ}}{l_{\mathrm{CDE}}g}$

五、通过对折射率沿剪切方向的斜率

积分得到微流体绝对温度T。

针对x-y平面二维温度场，即温度分布沿测试光束的传播方向不变，则引起的折射率变化分布是一个二维的变化场。

本实施例中，微流体中待测的流体为纯水，其折射率与温度的关系式为：

n＝1.341-2.262×10^-5T

根据折射率沿剪切方向的斜率

，对其积分可以得到：

$n=\∫\frac{\mathrm{\Δ\δ}}{l_{\mathrm{CDE}}g}\mathrm{dx}$

根据折射率n和温度T之间的关系n＝1.341-2.262×10^-5T得到微流体绝对温度T。

Claims (4)

1.一种微流体温度场测量装置，包括光源，其特征在于：还包括起偏器、聚光镜、半透半反射棱镜、偏振分光棱镜、物镜、四分之一波片、检偏器、CCD，光源射出的光束通过起偏器起偏，变成偏振光，再经过聚光镜，会聚成平行光同时消除光线中的杂散光；该光线经过半透半反射棱镜，反射至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将该光束剪切成振动方向正交的两束光；这两束光通过物镜，汇聚成两束平行光，该平行光分别射到微流体芯片的不同位置，再按照原方向反射出去，通过物镜、偏振分光棱镜合成为一束光线；该光线穿过半透半反射棱镜、四分之一波片、检偏器，最终成像在CCD靶面上。

2.根据权利要求1所述的微流体温度场测量装置，其特征在于：所述的偏振分光棱镜是诺曼斯基棱镜。

3.根据权利要求1所述的微流体温度场测量装置，其特征在于：所述的偏振分光棱镜是沃拉斯顿棱镜。

4.一种利用权利要求1所述装置测量微流体温度场的方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)读取由CCD拍摄的干涉图像的光强信息S；

(b)根据关系式：S＝I₀+I_csin(2α-Δ)，通过旋转检偏器(14)，引入已知α₁、α₂、α₃、...α_n值(n≥3)，联立成方程组：

S₁＝I₀+I_csin(2α₁-Δ)；

S₂＝I₀+I_csin(2α₂-Δ)；

S₃＝I₀+I_csin(2α₃-Δ)；

.      .

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S_n＝I₀+I_csin(2α_n-Δ)；

其中：I₀是直流背景光强；I_c是交流背景光强；α是检偏器与偏振分光棱镜的夹角；Δ是微流场相位差；

(c)求解方程组得到相位差Δ：Δ＝f(S₁，S₂，S₃…S_n)；

(d)根据光程差Δδ与相位差Δ的关系

计算出光程差Δδ；其中，λ是光源的波长；

(e)根据关系式 $\mathrm{\Δ\δ}=\frac{\∂n(x,y)}{\∂x}{l}_{\mathrm{CDE}}g$ 计算得到折射率沿剪切方向的斜率

；其中，L_CDE是两倍微流体沟道深度，g是两束振动方向垂直的偏振光之间的剪切值；

(f)根据折射率沿剪切方向的斜率对其积分，得到 $n=\∫\frac{\mathrm{\Δ\δ}}{l_{\mathrm{CDE}}g}\mathrm{dx}$ ，再根据流体温度T和折射率n之间的关系n＝f(T)得到微流体绝对温度T。

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