CN111060484A - 一种无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于荧光成像探测技术领域，具体涉及一种无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测方法及系统。本方法将激光通过分光发射系统将单个片光脉冲在时间‑空间上展开后，通过激光整形系统整形为片状光束，在样品池不同截面上顺序激发出平面荧光图像，平面荧光图像由光学系统摄取后，通过分光接收系统由多个图像增强型相机记录，各相机由同步信号系统控制，各相机曝光延迟与分光发射系统的时间延迟一致，进而实现不同截面的平面荧光图像的同步记录，最终形成瞬态的三维激光诱导荧光分布，本发明解决了普通3D‑PLIF成像系统中单次扫描及记录时间慢的问题，极大提升了摄取的不同截面平面荧光图像的关联性。

Description

一种无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测方法及系统

技术领域

本发明属于荧光成像探测技术领域，具体涉及一种无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测方法及系统。

背景技术

平面激光诱导荧光PLIF由于其对微量元素测量具有极高的灵敏度且具有二维切片成像能力，被广泛的应用在包括燃烧场、流场诊断的众多领域中。其原理是使用波长在待测分子吸收波长上的激发光照射样品，使待测分子跃迁到激发态，随后该激发态分子会发射荧光回到基态。通过测量荧光信号可获取样品中待测成分的浓度、温度等分布。

平面激光诱导荧光(PLIF，Planar Laser Induced Fluorescence)基本系统包括激光器、光束整形系统与ICCD相机，激光器发出的脉冲光经波长调谐到待测组分的激发波长，再经光束整形系统整形为片光照射目标场；在片光激发的剖面范围内的待测组分就会发射荧光；该荧光图像由一个ICCD相机进行收集成像。通过待测组分的荧光信号强度图像即可获取待测组分的平面分布情况，即实现流场组份的可视化。

三维平面诱导荧光(3D-PLIF)是近年来兴起的新型PLIF技术，在原有系统中增加了高速扫描振镜，使得片光可以通过样品池的不同剖面，采用高速相机进行连续拍摄，通过多个不同剖面的平面荧光图像，还原出整个样品池的三维的平面激光诱导荧光分布，进而得到复杂流场中各组分的浓度、温度、压力等参数的三维空间分布情况。由于高速振镜的扫描速度仅可以达到1kHz左右，单次三维扫描过程持续长达1ms，对于复杂高速流场而言，例如100m/s以上的喷射流，在ms量级上内部分布已经发生了显著变化。因此，传统的3D-PLIF技术仅适用于低速流场的诊断。

发明内容

为了克服传统的3D-PLIF技术仅适用于低速流场诊断的缺陷，本发明公开了一种无扫描的三维平面诱导荧光测量方法，将3D-PLIF的激发和记录时间降低至微秒量级(～μs)以下，使得3D-PLIF技术可以应用于超高速复杂流场的诊断。

本发明的技术解决方案是提供一种无扫描三维平面激光诱导荧光的成像探测方法，通过分光及光学延迟系统实现没有扫描机构的三维平面激光诱导荧光，并采用多台图像增强型相机同步顺序成像并记录，极大缩短了3D-PLIF的激发和记录时间，解决了传统的扫描式3D-PLIF记录和扫描时间长的问题，尤其适用于超高速流场的成分及状态分析，包括如下步骤：

步骤一：将激光器系统产生的激光按能量比例分成两束；其中一束为触发光束，入射至荧光图像的记录系统，另一束为激发光束，入射至分光发射系统；所述分光发射系统将激发光束分为N路激发光束，并在各路激发光束之间进行光学延迟，相邻两路激发光束之间的光学延迟为Δt，第N路激发光束的光学延迟约为NΔt；被延迟的N路激发光束分别被整形为片状光束后发射至样品池，实现样品池在不同剖面上按时间间隔Δt激发平面荧光；其中N为正整数；

步骤二：触发光束启动荧光图像的记录系统，光学系统摄取按时间间隔Δt激发的平面荧光图像，通过同步信号系统控制N台图像增强型相机的曝光时间，相邻两台图像增强型相机之间的曝光时间间隔为Δt；N台图像增强型相机对按时间间隔Δt激发的平面荧光图像进行同步记录，完成第N次记录的时间约为NΔt，得到的N幅平面荧光图像组成了样品池中对应化学成分的三维荧光分布。

进一步地，Δt大于被测样品池化学成分的荧光寿命时间。扫描和记录的总时间约为NΔt。

本发明还提供一种能够实现上述方法的无扫描三维平面激光诱导荧光的成像探测系统，其特殊之处在于：包括激光器系统、分束系统、分光发射系统以及荧光图像的记录系统；上述分束系统位于激光器系统的发射光路中，将激光光束分为触发光束与激发光束，分光发射系统以及荧光图像的记录系统分别位于分束系统的两路出射光路中；

例如，上述分光发射系统包括多组分光元件、N路光纤耦合器、N路光纤延迟线及N路光束整形元件；上述多组分光元件用于将激发光束分为N路激发光束；N路光纤耦合器分别用于将N路激发光束耦合至N路光纤延迟线；上述N路光纤延迟线用于分别对N路激发光束进行光学延迟，相邻两路之间的光学延迟为Δt；上述N路光束整形元件分别用于将被延迟的N路激发光束整形为片状光束后发射至样品池，实现样品池在不同剖面上按时间间隔Δt激发平面荧光；

上述荧光图像的记录系统包括同步信号系统、N台图像增强型相机、分光组件及光学系统；所述光学系统用于摄取激发的平面荧光图像；上述N台图像增强型相机用于根据曝光时间通过分光组件记录平面荧光图像；上述同步信号系统用于根据触发光束启动，并控制N台图像增强型相机的曝光时间，相邻两台图像增强型相机之间的曝光时间间隔为Δt。

进一步地，分光发射系统中的光学延迟线可以是光纤或者是反射镜组。

进一步地，上述光纤一般为紫外石英光纤。

进一步地，上述光束整形元件一般包括沿光路依次设置的光纤准直器、负柱透镜及正球面镜。

进一步地，上述光学系统一般包括沿光路依次设置的窄带滤光片、成像物镜、中继镜及分幅成像镜组。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、本发明对激光脉冲分束并进行光学时间延迟，通过整形器阵列形成空间展开的片状光束，在本方法中，相邻剖面的片光发射间隔不受制于高速振镜的扫描频率，而取决于的光学延迟差，大大缩短了3D-PLIF系统完成片状光束在所有剖面上激发荧光的时间。

2、本发明采用多台图像增强型相机实现不同剖面的荧光图像的高速同步记录，大大缩短3D-PLIF系统完成所有剖面荧光图像记录的时间。

附图说明

图1为本发明具体实施例中的无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测系统示意图；

图中，1-Nd:YAG激光器、2-燃料激光器、3-倍频器、4-第一分光镜、5-第二分光镜、6-第三分光镜、7-第四分光镜、8-第一反射镜、9-第二反射镜、10-光纤耦合器阵列、11-第一光纤延迟线、12-第二光纤延迟线、13-第三光纤延迟线、14-第四光纤延迟线、15-光纤准直器阵列、16-负柱透镜阵列、17-正球面镜阵列、18-激发窗口、19-观察窗、20-样品池、21-同步信号系统、22-窄带滤光片、23-成像物镜、24-中继镜、25-第三反射镜、26-第五分光镜、27-第六分光镜、28-第七分光镜、29-第四反射镜、30-第一图像增强型相机、31-第二图像增强型相机、32-第三图像增强型相机、33-第四图像增强型相机。

图2为触发光束、第一激发光束、第二激光光束、第三激光光束、第四激光光束与第一图像增强型相机、第二图像增强型相机、第三图像增强型相机、第四图像增强型相机的时序关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的构思和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本实施例无扫描三维平面激光诱导荧光的光源如图1所示：包括沿光路依次设置的Nd:YAG激光器1，燃料激光器2，倍频器3及第一分光镜4，本系统还包括分别位于第一分光镜4两路出射光路中的分光发射系统以及荧光图像的记录系统。

分光发射系统包括第二分光镜5、第三分光镜6、第四分光镜7、第一反射镜8、第二反射镜9、光纤耦合器阵列10、第一光纤延迟线11、第二光纤延迟线12、第三光纤延迟线13、第四光纤延迟线14、光纤准直器阵列15、负柱透镜阵列16及正球面镜阵列17。

第二分光镜5位于第一分光镜4的反射光路中，第三分光镜6位于第二分光镜5的反射光路中，第一反射镜8位于第三分光镜6的反射反射光路中，第四分光镜7位于第二分光镜5的透射光路中，第二反射镜9位于第四分光镜7的透射光路中；光纤耦合器阵列10包括四路光纤耦合器，分别位于第三分光镜6的透射、第一反射镜8的反射、第四分光镜7的反射及第二反射镜9的反射光路中。第一光纤延迟线11、第二光纤延迟线12、第三光纤延迟线13、第四光纤延迟线14分别与四路光纤耦合器的输出端连接，光纤准直器阵列15包括四路光纤准直器，分别位于第一光纤延迟线11、第二光纤延迟线12、第三光纤延迟线13、第四光纤延迟线14的出射端。负柱透镜阵列16包括四组负柱透镜，四路光纤准直器的出射光路中，正球面镜阵列17包括四组正球面镜，分别位于四组负柱透镜的出射光路中，正球面镜阵列17的出射光对准样品池20的激发窗口18。

荧光图像的记录系统包括同步信号系统21、第一图像增强型相机30、第二图像增强型相机31、第三图像增强型相机32、第四图像增强型相机33、第三反射镜25、第五分光镜26、第六分光镜27、第七分光镜28、第四反射镜29、成像物镜23、中继镜24及窄带滤光片22。

窄带滤光片22、成像物镜23及中继镜24依次位于样品池20的观察窗19正前方，第七分光镜28位于中继镜24的出射光路中，第五分光镜26与第六分光镜27分别位于第七分光镜28的反射及透射光路中，第三反射镜25位于第五分光镜26的透射光路中，第四反射镜29位于第六分光镜27的反射光路中。

同步信号系统21位于第一分光镜4的透射光路中，第一图像增强型相机30、第二图像增强型相机31、第三图像增强型相机32、第四图像增强型相机33分别根据同步信号系统发出的触发信号曝光；第一图像增强型相机30位于第三反射镜25的反射光路中，第二图像增强型相机31位于第五分光镜26的反射光路中，第三图像增强型相机32位于第六分光镜27的透射光路中，第四图像增强型相机33位于第四反射镜29的反射光路中。

结合图1，本实施例无扫描三维平面激光诱导荧光的成像探测方法步骤如下：

步骤一：针对湍流火焰场OH基中间产物的3D-PLIF成像探测，光源选取532nm脉宽10ns的Nd:YAG激光器1，532nm激光经过燃料激光器2变换成564nm的激光，并经过倍频器3产生282nm激光，该激光经过第一分光镜4分为两束激光，分别为触发光束以及激发光束。在保证触发光束具有足够的能量触发同步信号系统21的条件下，尽可能增加激发光束的能量比例，例如，触发光束和激发光束的比例为1:99。

激发光束经过第二分光镜5反射、第三分光镜6透射产生第一激发光束；

激发光束经过第二分光镜5反射、第三分光镜6反射、第一反射镜8反射产生第二激发光束；

激发光束经过第二分光镜5透射、第四分光镜7反射产生第三激发光束；

激发光束经过第二分光镜5透射、第四分光镜7透射、第二反射镜9反射产生第四激发光束；

第二分光镜5、第三分光镜6、第四分光镜7的反射和透射能量分光比均为5:5，第一激发光束、第二激发光束、第三激发光束、第四激发光束之间的能量比例为1:1:1:1。

第一激发光束、第二激发光束、第三激发光束、第四激发光束通过光纤耦合器阵列10分别耦合进入第一光纤延迟线11、第二光纤延迟线12、第三光纤延迟线13、第四光纤延迟线14，紫外石英光纤在282nm的折射率约为1.494，第一光纤延迟线11、第二光纤延迟线12、第三光纤延迟线13、第四光纤延迟线14的光纤长度分别为4.016m、8.032m、12.048m、16.064m，光学延迟分别为20ns、40ns、60ns、80ns。经过光学延迟后的第一激发光束、第二激发光束、第三激发光束、第四激发光束经过光纤准直器阵列15、负柱透镜阵列16、正球面镜阵列17整形成四束片状光束，四束片状光束通过激发窗口18进入样品池20，在样品池20的不同剖面上激发出激光诱导荧光，各剖面产生荧光的时间间隔为20ns。

步骤二：样品池中被激发的荧光图像经过窄带滤光片22、成像物镜23成像于中继像面；

中继像面经过中继镜24、第七分光镜28反射、第五分光镜26透射、第三反射镜25反射成像于第一图像增强型相机30的输入窗口；

中继像面经过中继镜24、第七分光镜28反射、第五分光镜26反射成像于第二图像增强型相机31的输入窗口；

中继像面经过中继镜24、第七分光镜28透射、第六分光镜27透射成像于第三图像增强型相机32的输入窗口；

中继像面经过中继镜24、第七分光镜28透射、第六分光镜27反射、第四反射镜29反射成像于第四图像增强型相机33的输入窗口；

第五分光镜26、第六分光镜27、第七分光镜28的反射和透射能量分光比均为5:5，第一图像增强型相机30、第二图像增强型相机31、第三图像增强型相机32、第四图像增强型相机33接收到的荧光强度之比为1:1:1:1。第一图像增强型相机30、第二图像增强型相机31、第三图像增强型相机32、第四图像增强型相机33由同步信号发系统21控制曝光时间Δt_e和曝光间隔Δt＝20ns，第一图像增强型相机30的触发时间由触发光路长度、触发电缆长度、第一激发光束的整体光学延迟决定，并记录由第一激发光束诱导产生的平面荧光图像，20ns、40ns、60ns后第二图像增强型相机31、第三图像增强型相机32、第四图像增强型相机33被依次触发，分别记录由第二激发光束、第三激发光束、第四激发光束诱导产生的平面荧光图像，如图2。

图1所示系统可以在100ns左右完成3D-PLIF的探测，实现在样品池20内4个剖面的平面激光诱导荧光和同步成像探测。

本方法通过发射和记录系统的扩展可以实现4路以上的无扫描3D-PLIF探测，例如，8路或者16路。

Claims (6)

1.一种无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将激光器系统产生的激光按能量比例分成两束；其中一束为触发光束，入射至荧光图像的记录系统，另一束为激发光束，入射至分光发射系统；所述分光发射系统将激发光束分为N路激发光束，并在各路激发光束之间进行光学延迟，相邻两路激发光束之间的光学延迟为Δt；被延迟的N路激发光束经过整形分别被整形为片状光束后发射至样品池，实现样品池在不同剖面上按时间间隔Δt激发平面荧光；其中N为正整数；

步骤二：触发光束启动荧光图像的记录系统，光学系统摄取按时间间隔Δt激发的平面荧光图像，通过同步信号系统控制N台图像增强型相机的曝光时间，相邻两台图像增强型相机之间的曝光时间间隔为Δt；N台图像增强型相机对按时间间隔Δt激发的平面荧光图像进行同步记录，从而得到的N幅平面荧光图像，组成了样品池中对应化学成分的三维荧光分布。

2.根据权利要求1所述的无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测方法，其特征在于：Δt大于被测样品池化学成分的荧光寿命时间。

3.一种能够实现权利要求1所述方法的无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测系统，其特征在于：包括激光器系统、分束系统、分光发射系统、样品池以及荧光图像的记录系统；所述分束系统位于激光器系统的发射光路中，将激光光束分为触发光束与激发光束，分光发射系统以及荧光图像的记录系统分别位于分束系统的两路出射光路中；

所述分光发射系统包括多组分光元件、N路光学延迟线及N路光束整形元件；所述多组分光元件用于将激发光束分为N路激发光束；所述N路光学延迟线用于分别对N路激发光束进行光学延迟，相邻两路之间的光学延迟为Δt；所述N路光束整形元件分别用于将被延迟的N路激发光束整形为片状光束后发射至样品池，实现样品池在不同剖面上按时间间隔Δt激发N个不同剖面的平面荧光；

所述荧光图像的记录系统包括同步信号系统、N台图像增强型相机、分光组件及光学系统；所述光学系统用于摄取激发的平面荧光图像；所述N台图像增强型相机用于根据曝光时间通过分光组件记录平面荧光图像；所述同步信号系统用于根据触发光束启动，并控制N台图像增强型相机的曝光时间，相邻两台图像增强型相机之间的曝光时间间隔为Δt。

4.根据权利要求3所述的无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测系统，其特征在于：分光发射系统中的光学延迟线为光纤或反射镜组。

5.根据权利要求4所述的无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测系统，其特征在于：所述光纤为紫外石英光纤。

6.根据权利要求4所述的无扫描三维平面激光诱导荧光成像探测系统，其特征在于：所述光束整形元件包括沿光路依次设置的光纤准直器、负柱透镜及正球面镜。

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