CN108037310A - 一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置及采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置及图像采集方法，其中图像采集装置包括双脉冲激光器、分束镜、扩束模块、荧光显微镜、照明区域调节模块、CCD相机以及同步控制器，与CCD相机和双脉冲激光器连接，用于控制双脉冲激光器和CCD相机同步。脉冲激光被分束镜衰减并反射导入扩束模块，扩束后被照明区域调节模块会聚于显微镜物镜焦平面前方，调节照明区域调节模块，可以实现了照明区域大小的可调节。与现有的技术相比，本发明应用于大功率脉冲激光器作为光源，大幅提高了照明光光强，并能实现照明区域大小的调节，满足显微粒子成像测速系统对落射照明的要求，并能提高了采集图像的信噪比。

Description

一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置及采集方法
技术领域
本发明属于微尺度多相流测量技术领域，具体涉及一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置。
背景技术
近年来，微流控芯片被迅速的应用于生物医学、化工及电子集成电路等领域，如微流体诊断芯片、化学合成芯片及散热芯片等。微流控芯片的功能与芯片内部的流动特性紧密相关，速度场的测量成为研究微尺度流动中的一个重要主题，显微粒子成像测速系统(简称Micro-PIV)是目前进行微尺度流动特性研究最有效的非接触实验方法。
Micro-PIV首先要利用荧光显微镜采集微尺度通道内的荧光示踪粒子高亮度的图像，然而荧光示踪粒子大小一般在几百纳米到几个微米的尺度，且相机的帧率每秒几十帧甚至更高，所以曝光时间很短，对落射照明光源的光强要求较高，现有的荧光显微镜配有卤素灯或者汞灯落射照明光源，只能满足一般荧光生物样本的照明需要，但是无法满足Micro-PIV图像采集的照明光强的要求，需要用大功率的激光作为落射激发光源。
Micro-PIV系统的荧光显微镜采用无限远校正的光路系统，如果把激光扩束后直接导入显微镜，显微镜的落射光入口到物镜的距离超过50cm，孔径只有3cm左右，狭长的通光路径将使激光几近平行的射入物镜，被物镜会聚于显微镜物镜的焦点上，所以只能够照亮焦面上流场内中心位置非常小的区域，不能满足Micro-PIV图像采集流场范围照明要求，无法通过相机获取经显微镜观测到的流场图像。另外，由于显微镜对外接元件安装精度要求很高，要保证外接光学元件与显微镜光学元件同轴且方便调节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种适用于Micro-PIV系统高帧率，短曝光时间下对落射照明光源的光强要求，同时大幅提升了获取的示踪粒子图像的信噪比的图像采集装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置，其特征在于，包括：
一双脉冲激光器(波长532nm)，作为落射照明激发光源；双脉冲激光器相比连续激光器具有较大输出功率，能够满足示踪粒子直径是几百个纳米时Micr-PIV图像采集照明光强要求，同时高照明光强提高图像的信噪比。
一分束镜，用于把双脉冲激光器产生激光脉冲衰减并反射导入扩束模块；
一扩束模块，用于激光扩束；由一个凹透镜和一个第一凸透镜组成，凹透镜和凸透镜的焦点重合，扩束倍率为第一凸透镜和凹透镜焦距的比值；
一照明区域调节模块，用于在显微镜物镜的后焦面位置前后产生发散照明激光；由第二凸透镜和第三凸透镜构成；所述第三凸透镜固定在所述荧光模块内，所述第二凸透镜的位置相对所述第三凸透镜可调；扩束后激光被第二凸透镜会聚于一点，会聚点被所述第三凸透镜成像在显微镜物镜的后方；经显微镜物镜后，会聚于显微镜物镜焦平面前方，相应的改变落在显微镜物镜前方的会聚点位置，实现了照明区域大小的可调节；
一荧光显微镜，用于放大微尺度流场及流场中的示踪粒子并对其成像；包括显微镜筒镜、显微镜物镜以及设置在显微镜筒镜与显微镜物镜之间的荧光模块；所述荧光模块包括一二向色镜，该二向色镜将所述照明区域调节模块出射的发散照明激光反射至所述显微镜物镜；
荧光模块内含的二向色镜，可以对波长为532nm脉冲激光反射，波长大于550nm荧光透射。荧光显微是通过落射照明光激发荧光，通过二色向镜滤掉照明光，只让荧光通过并成像，除去照明光对采集的图像的干扰。普通显微镜没有滤光的功能，采集到的图像中既有示踪粒子的发出的荧光，又有入射光的信息，入射光对荧光信息形成严重干扰，降低了信噪比。
一CCD相机，连接荧光显微镜的相机接口，用于流场中示踪粒子图像的采集；
一同步控制器，用于控制双脉冲激光器和特殊相机系统同步；
一计算机，用于存储CCD相机获得的微尺度流场中示踪粒子的图像信息；
利用笼板和笼杆精确固定分束镜、扩束模块和照明区域调节模块并与显微镜连接。
一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置图像采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、首先把双脉冲激光器频率调到最高(15Hz)，调整激光器和分光镜的角度，使激光以45°角入射分光镜且被分光镜以45°角反射经扩束和照明区域调节模块导入显微镜；
步骤二、取一片荧光样本放在显微镜物镜的焦平面上，相机界面设定为实时显示；调节照明区域调节模块中得第一个凸透镜位置，使照明区域最小；然后调节分光镜的左右和上下倾角，使照明区域恰好位于相机界面的中心；最后调节照明区域调节模块中第一个凸透镜位置，观察相机实时显示界面，调整到合适的的照明区域；
步骤三、设定双脉冲激光器、同步控制器、CCD相机及被测微尺度通道流动工况要求，流动稳定后，获取微尺度流场中示踪粒子的图像信息。
本发明图像采集装置，采用大功率的双脉冲激光器(单脉冲能量200mJ)作为落射照明光源，发出的激光经分束镜衰减并反射导入扩束模块；扩束后被照明区域调节模块的第一个凸透镜会聚于一点，会聚点被安装在荧光模块前的第二个凸透镜成像在显微镜物镜的后方，形成一束发散照明光进入显微镜物镜；最后经显微镜物镜后，会聚于显微镜物镜焦平面前方，达到增加焦平面照明区域的目的；另外，调节照明区域调节模块的第一个凸透镜位置，可以改变落在显微镜物镜后方的会聚点的前后位置，相应的改变落在显微镜物镜前方的会聚点，实现了照明区域大小的可调节；利用笼板和笼杆精确固定分束镜、扩束模块和照明区域调节模块与显微镜连接并方便距离调节；用同步控制器控制双脉冲激光器和CCD相机系统同步来采集流场图像。
本发明采用了大功率双脉冲激光器作为落射激发光源，通过更换不同透反比的分光镜，可以满足不同直径的示踪颗粒的照明要求，而且大功率的双脉冲激光器能够提高采集图像的信噪比。大功率双脉冲激光器脉冲能量高，采用分光镜导入显微镜，光路光学元件均采用石英材料。为保证外接光路系统与显微镜无限远校正的光路系统同轴和方便调节，各个光学元件通过笼板和笼杆精确固定并连接显微镜。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用了大功率的双脉冲激光器(单脉冲能量200mJ)作为光源，相比卤素灯和汞灯，大幅提高了照明光光强，满足Micro-PIV测量的光强要求，同时提高了采集图像的信噪比；通过调节照明区域调节模块可以改变落在显微镜物镜后方的会聚点的前后位置，相应的改变落在显微镜物镜前方的会聚点，实现了照明区域大小的可调节，可以根据测量区域要求，调节照明区域大小，相比全场采集后，对图片进行剪切，减少了测量区域外荧光的影响，提高信噪比。采用笼板和笼杆精确固定分束镜、扩束模块和照明区域调节模块并与显微镜连接，笼式的结构保证了外接元件与显微镜内部复杂光学元件同轴并方便调节。
附图说明
图1装置光路图；
图2装置设备图；
图3凸透镜6位于P1时对应的照明区域直径d1；
图4凸透镜6位于P2时对应的照明区域直径d2；
其中：1-双脉冲激光器、2-分束镜、3-凹透镜、4-凸透镜、5-扩束模块、6-凸透镜、7-凸透镜、8-照明区域调节模块、9-二向色镜、10-荧光模块、11-显微镜物镜、12-显微镜物镜焦平面、13-筒镜、14-荧光显微镜、15-落射照明端口转接件、16-笼杆、17-笼板、18-安装立方、19-CCD相机、20-同步控制器、21-计算机。f1-凹透镜的焦距、f2-凸透镜4的焦距、f3-凸透镜6的焦距、f4-凸透镜7的焦距、f5-显微镜物镜的焦距、d1-凸透镜6位于P1时照明区域直径、d2-凸透镜6位于P2时照明区域直径。
具体实施方式
如如图1、图2所示，双脉冲激光器1发出的激光经分束镜2衰减并反射导入扩束模块5，扩束后，激光光束被凸透镜6会聚于一点，会聚点被安装在荧光模块10前的凸透镜7经二色向镜9反射成像在显微镜物镜11的后方，形成一束发散照明光进入显微镜物镜11，最后经显微镜物镜11会聚于显微镜物镜11焦平面12前方，达到增加焦平面照明区域的目的。另外，调节凸透镜6位置，可以改变落在显微镜物镜后方的会聚点的前后位置，相应的改变落在显微镜物镜前方的会聚点，实现了照明区域大小的可调节，参见图3和图4所示，凸透镜6位于P1时对应的照明区域直径d1；凸透镜6位于P2时对应的照明区域直径d2。微尺度流场中示踪粒子被激光激发发出的荧光，被显微物镜11接收，经过二色向镜9(能够对波长小于550nm光脉冲激光反射，波长大于550nm荧光透射)透射后，被筒镜13成像在CCD相机上19，拍摄使用同步控制20保持双脉冲激光器1和CCD相机19曝光时间同步。
用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置图像采集方法，包括如下步骤：
步骤一、首先把双脉冲激光器1频率调到最高(15Hz)，调整双脉冲激光器1和分光镜2的角度，使激光以45°角入射分光镜2且被分光镜2以45°角反射经扩束模块5和照明区域调节模块8导入荧光显微镜14；分光镜2的透反比为9～1/9。
步骤二、取一片荧光样本放在显微镜物镜14的焦平面上，CCD相机19界面设定为实时显示；调节照明区域调节模块8中得第一个凸透镜6位置，使照明区域最小；然后调节分光镜2的左右和上下倾角，使照明区域恰好位于CCD相机界面的中心；最后调节照明区域调节模块8中第一个凸透镜6位置，观察CCD相机实时显示界面，调整到合适的照明区域；
步骤三、设置双脉冲激光器脉冲频率和CCD相机快门为外触发，跟据实验要求设定同步控制器的触发频率并连接脉冲激光器和CCD相机，按照工况对流量的要求设定微注射泵，流动稳定后，获取微尺度流场中示踪粒子的图像信息。

Claims (6)

1.一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置，其特征在于，包括：
一双脉冲激光器，作为落射照明激发光源；
一分束镜，用于把双脉冲激光器产生激光脉冲衰减并反射导入扩束模块；
一扩束模块，用于激光扩束；由一个凹透镜和一个第一凸透镜组成，凹透镜和凸透镜的焦点重合，扩束倍率为第一凸透镜和凹透镜焦距的比值；
一荧光显微镜，用于放大微尺度流场及流场中的示踪粒子并对其成像；包括显微镜筒镜、显微镜物镜以及设置在显微镜筒镜与显微镜物镜之间的荧光模块；所述荧光模块包括一二向色镜，该二向色镜将所述照明区域调节模块出射的发散照明激光反射至所述显微镜物镜；
一照明区域调节模块，用于在显微镜物镜的后焦面位置前后产生发散照明激光；由第二凸透镜和第三凸透镜构成；所述第三凸透镜固定在所述荧光模块内，所述第二凸透镜的位置相对所述第三凸透镜可调；扩束后激光被第二凸透镜会聚于一点，会聚点被所述第三凸透镜成像在显微镜物镜的后方；经显微镜物镜后，会聚于显微镜物镜焦平面前方，相应的改变落在显微镜物镜前方的会聚点位置，实现了照明区域大小的可调节；
一CCD相机，位于所述显微镜镜筒后方，用于流场中示踪粒子图像的采集；
一同步控制器，与所述CCD相机和双脉冲激光器连接，用于控制双脉冲激光器和CCD相机同步。
2.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述分束镜、扩束模块和照明区域调节模块的镜片分别通过笼板固定，所述笼板可滑动的固定在笼杆上。
3.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述分光镜的透反比为9～1/9。
4.一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的图像采集装置，图像采集方法包括如下步骤：
步骤一、将双脉冲激光器发出的激光以45°角入射分光镜且被分光镜以45°角反射经扩束模块和照明区域调节模块导入显微镜；
步骤二、调节照明区域位于相机界面的中心；调节照明区域调节模块中第二凸透镜位置调整照明区域；
步骤三、通过CCD相机获取微尺度流场中示踪粒子的图像信息。
5.根据权利要求4所述的图像采集方法，其特征在于，所述步骤一中，通过调整激光器和分束镜的角度
6.根据权利要求4所述的图像采集方法，其特征在于，所述步骤二中，通过调节分光镜的左右和上下倾角，使照明区域位于相机界面的中心。
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