CN113504236B - 一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统 - Google Patents

Abstract

一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，高频信号发生器利用电调控效应控制承载平台上的碳化硅基板产生形核汽泡；红色光源从碳化硅基板的底部进行红光入射；绿色激光发射器通过光纤从碳化硅基板的侧部进行绿光入射；入射后的红光和绿光通过碳化硅基板内部的透镜组进行聚焦；从底部入射的红光光路经过汽泡气液界面折射与从侧面绿光暗场光路经过汽泡气液界面散射，聚焦后向上传输的红光光路和绿光暗场光路经过双出口分光模块；绿光通过第一高速摄像机进行摄像捕捉，红光通过第二高速摄像机进行摄像捕捉。本发明采用暗场观测提高分辨率，明场提供充分的汽泡信息，实现微介观尺度下同一形核气泡的实时、原位和同步观测，汽泡信息可信度高。

Description

一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统

技术领域

本发明属于显微成像技术领域，具体涉及一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统。

背景技术

随着微电子材料和工艺的快速发展，元器件可耐受结温不断上升，如何在日益狭小的芯片和封装内集成高效散热结构，成为保证芯片满足设计工作目标的瓶颈问题。

目前，主要存在三种主动微流散热模式，在微介观尺度下存在如下问题：第一、单相流的换热体积不够；第二、两相流的沸腾形核和气泡甩脱不易控制；第三、薄膜蒸发的连续液面不易保持。

蒸发散热需要的开放空间，对芯片内嵌散热仅能提供的狭小封闭空间无法实施。沸腾散热可以在微槽道或微腔室内急速形成形核气泡，并被冷却液裹挟快速排出，成为当前该领域的关注焦点。而针对这种情况的对应仿真模型都亟需微介观尺度沸腾形核气泡发展的有效观测进行验证。

另一方面，现有众多的显微技术中，主要是针对生物样品。由于衍射极限的存在，光学显微镜分辨率不高；电子显微镜需要对样品预处理，不适用于汽泡观测；冷冻显微镜，会对汽泡形态造成扭曲，观测失真；单光子显微镜和结构光显微镜，需要逐点扫描，需要时间太久，不适合原位实时观测。

现有很多对于汽泡的观测主要是通过顶部拍摄，存在的问题有，衍射极限存在导致分辨率较低；只能得到顶部信息，对于汽泡的真实形态掌握不够；如果先顶部，后底部，导致不是原位观测或者不是同一个汽泡(汽泡是在不断的产生、生长、破裂)，得到的汽泡信息可信度不高。形核气泡发生的空间和时间尺度都很小，且完全透明，在空间内运动速度极快，对其进行有效观测示踪的手段极为有限。当前的观测精度不足以对微介尺度下的沸腾形核过程进行描述，导致很难对内嵌二相散热系统实施精确调控，避免局部干涸出现导致器件热损。

发明内容

为此，本发明提供一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，实现微介观尺度下同一形核气泡的实时、原位和同步观测，解决传统技术观测不便、精确度低，得到的汽泡信息可信度不高问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，包括成像工作台，所述成像工作台设有支架、承载平台、碳化硅基板、高频信号发生器、红色光源、绿色激光发射器、双出口分光模块、第一高速摄像机和第二高速摄像机；

所述支架连接所述成像工作台，所述承载平台连接所述支架的侧部，所述高频信号发生器处于所述承载平台的上方，所述碳化硅基板置于所述高频信号发生器的上端，高频信号发生器利用电调控效应控制所述碳化硅基板产生形核汽泡；

所述红色光源穿过所述承载平台和高频信号发生器后从所述碳化硅基板的底部进行红光入射；所述绿色激光发射器通过光纤从所述碳化硅基板的侧部进行绿光入射；

入射后的绿光通过碳化硅基板内部的透镜组在拟观测区域聚焦成一束平行光斑；从底部入射的红光光路经过汽泡气液界面折射与从侧面绿光暗场光路经过汽泡气液界面散射，聚焦后向上传输的红光光路和绿光暗场光路经过双出口分光模块；

所述双出口分光模块对聚焦后的所述绿光及红光进行分光，分光后的绿光通过所述第一高速摄像机进行摄像捕捉，分光后的红光通过所述第二高速摄像机进行摄像捕捉；第一高速摄像机和第二高速摄像机用于对所述碳化硅基板上的形核气泡进行观测。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，所述双出口分光模块包括绿色带通滤光片、红色带通滤光片和分光棱镜，所述分光棱镜对从所述碳化硅基板发出的聚焦后的红光和绿光进行分光；

所述绿色带通滤光片对所述分光棱镜分光后的绿光进行滤色；所述红色带通滤光片对所述分光棱镜分光后的红光进行滤色。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，所述第一高速摄像机对所述绿色带通滤光片滤光后的绿色光进行摄像捕捉；所述第二高速摄像机对所述红色带通滤光片滤光后的红色光进行摄像捕捉。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，所述绿色带通滤光片的允许通过范围为500～560nm；所述红色带通滤光片的允许通过范围为620～680nm。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，从所述碳化硅基板底部的红色光源发出的红光经汽泡气液界面折射的成像信息，与从所述碳化硅基板侧面绿色激光发射器发出的绿光经过汽泡气液界面散射的成像信息耦合以还原碳化硅基板上的汽泡形态。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，还包括第一高速存储设备、第二高速存储设备和中央处理器；

所述第一高速存储设备与所述第一高速摄像机连接；所述第二高速存储设备与所述第二高速摄像机连接；第一高速存储设备和第二高速存储设备用于对采集的所述碳化硅基板上的形核气泡的影像/发光图像进行存储；

所述第一高速存储设备和第二高速存储设备均与所述中央处理器电连接，所述中央处理器用于对第一高速存储设备和第二高速存储设备采集的形核气泡的影像/发光图像进行动态分析。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，所述第一高速摄像机和第二高速摄像机均与所述中央处理器电连接，所述中央处理器还用于对第一高速摄像机和第二高速摄像机采集的形核气泡的宏观影像进行处理。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，还包括显示器，所述显示器与所述中央处理器电连接，显示器用于对形核气泡的明场观测和暗场观测处理结果进行显示。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，所述高频信号发生器在1～10MHz测试频率范围内利用电调控效应来控制微流散热承载平台上产生的形核汽泡。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，所述第一高速摄像机和第二高速摄像机采用95000幅/秒的PhantomV5.1；所述第一高速存储设备和第二高速存储设备采用CORE 2PLUS CL。

作为双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的优选方案，所述承载平台和高频信号发生器对应所述红色光源的红光光路上设有避让通道。

本发明具有如下优点：在成像工作台设有支架、承载平台、碳化硅基板、高频信号发生器、红色光源、绿色激光发射器、双出口分光模块、第一高速摄像机和第二高速摄像机；支架连接成像工作台，承载平台连接支架的侧部，高频信号发生器处于承载平台的上方，碳化硅基板置于高频信号发生器的上端，高频信号发生器利用电调控效应控制碳化硅基板产生形核汽泡；红色光源从碳化硅基板的底部进行红光入射；绿色激光发射器通过光纤从碳化硅基板的侧部进行绿光入射；入射后的绿光通过碳化硅基板内部的透镜组在拟观测区域聚焦成一束平行光斑；从底部入射的红光光路经过汽泡气液界面折射与从侧面绿光暗场光路经过汽泡气液界面散射，聚焦后向上传输的红光光路和绿光暗场光路经过双出口分光模块；双出口分光模块对聚焦后的绿光及红光进行分光，分光后的绿光通过第一高速摄像机进行摄像捕捉，分光后的红光通过第二高速摄像机进行摄像捕捉；第一高速摄像机和第二高速摄像机用于对碳化硅基板上的形核气泡进行观测。本发明采用暗场光学和明场光学形成两种光路信息补充，暗场观测提高分辨率，明场提供充分的汽泡信息，实现微介观尺度下同一形核气泡的实时、原位和同步观测，观测方便，精确度高，得到的汽泡信息可信度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例中提供的双色双光路明暗场原位正交显微成像系统示意图；

图2为本发明实施例中提供的双色双光路明暗场原位正交显微成像系统原理示意图；

图3为本发明实施例中提供的双色双光路明暗场原位正交显微成像系统所使用的碳化硅基板示意图。

图中，1、成像工作台；2、支架；3、承载平台；4、碳化硅基板；5、高频信号发生器；6、红色光源；7、绿色激光发射器；8、双出口分光模块；9、第一高速摄像机；10、第二高速摄像机；11、第一高速存储设备；12、第二高速存储设备；13、绿色带通滤光片；14、红色带通滤光片；15、分光棱镜；16、中央处理器；17、显示器；18、透镜组。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、图2和图3，提供一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，包括成像工作台1，所述成像工作台1设有支架2、承载平台3、碳化硅基板4、高频信号发生器5、红色光源6、绿色激光发射器7、双出口分光模块8、第一高速摄像机9和第二高速摄像机10；

所述支架2连接所述成像工作台1，所述承载平台3连接所述支架2的侧部，所述高频信号发生器5处于所述承载平台3的上方，所述碳化硅基板4置于所述高频信号发生器5的上端，高频信号发生器5利用电调控效应控制所述碳化硅基板4产生形核汽泡；

所述红色光源6穿过所述承载平台3和高频信号发生器5后从所述碳化硅基板4的底部进行红光入射；所述绿色激光发射器7通过光纤从所述碳化硅基板4的侧部进行绿光入射；

入射后的绿光通过碳化硅基板4内部的透镜组18在拟观测区域聚焦成一束平行光斑；从底部入射的红光光路经过汽泡气液界面折射与从侧面绿光暗场光路经过汽泡气液界面散射，聚焦后向上传输的红光光路和绿光暗场光路经过双出口分光模块8；

所述双出口分光模块8对聚焦后的所述绿光及红光进行分光，分光后的绿光通过所述第一高速摄像机9进行摄像捕捉，分光后的红光通过所述第二高速摄像机10进行摄像捕捉；第一高速摄像机9和第二高速摄像机10用于对所述碳化硅基板4上的形核气泡进行观测。

具体的，明场观测通常指的是采用光学显微镜或电子显微镜进行目标观测，受限于光的衍射效应，明场观测存在一个分辨率极限(也称阿贝极限)问题，其数值大约是可见光波长的一半。波长最短的为蓝紫光，约400nm，因此光学显微镜最小分辨率极限为200nm。当两个点距离小于200nm，光学显微镜无法分辨，每一个发光的物点，经过有限直径的透镜后，都会在像平面形成一个艾里斑。非常接近的两个点成像后艾里斑会过于接近，以至于无法分辨。若两个等光强的非相干点像之间的间隔等于艾里斑的半径，即一个艾里斑中心与另一个艾里斑边缘正好重合时，这两个物点刚好能被人眼或光学仪器所分辨，这个判据叫做瑞利判据。而电子显微镜的分辨率能够达到0.2nm，工作原理是用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，相当于是降低了Abbe方程中的波长这一项，从而取得了更高的分辨率。

具体的，在暗场观测中所观察到的是被检物体的衍射光图像，并非物体的本身，所以只能看到物体的存在和运动，不能辨清物体的细微结构。当被检物体为非均质时，并大于1/2波长，则各级衍射光线同时进入物镜，在某种程度上可观察物体的构造。一般暗视野显微镜虽看不清物体的细微结构，但却可分辨4nm以上的微粒的存在和运动，这是普通显微镜(最大的分辨力为200nm)所不具有的特性，可用以观察活细胞的结构和细胞内微粒的运动等。

目前的显微系统，是绿光单色多光路系统，无法现实同步多光路成像。由于透射光路要比顶部反射光路能获得更多气泡底部的信息(受衍射极限的影响，明场观测最小分辨率是200nm，暗场观测最小分辨率4nm，侧面属于暗场观测，因此说侧面能看到更多信息，故选择碳化硅基板4底部和侧部两种光路进行同步成像耦合。

双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的一个实施例中，所述双出口分光模块8包括绿色带通滤光片13、红色带通滤光片14和分光棱镜15，所述分光棱镜15对从所述碳化硅基板4发出的聚焦后的红光和绿光进行分光；所述绿色带通滤光片13对所述分光棱镜15分光后的绿光进行滤色；所述红色带通滤光片14对所述分光棱镜15分光后的红光进行滤色。所述第一高速摄像机9对所述绿色带通滤光片13滤光后的绿色光进行摄像捕捉；所述第二高速摄像机10对所述红色带通滤光片14滤光后的红色光进行摄像捕捉。所述绿色带通滤光片13的允许通过范围为500～560nm；所述红色带通滤光片14的允许通过范围为620～680nm。

具体的，采用第一高速摄像机9和第二高速摄像机10同时拍摄，从所述碳化硅基板4底部的红色光源6发出的红光经汽泡气液界面折射的成像信息，与从所述碳化硅基板4侧面绿色激光发射器7发出的绿光经过汽泡气液界面散射的成像信息耦合以还原碳化硅基板4上的汽泡形态。

具体的，为了观测形核气泡的轨迹，所述第一高速摄像机9和第二高速摄像机10采用95000幅/秒的PhantomV5.1，PhantomV5.1采用了先进的1280×800像素SR-CMOS传感器，全画幅拍摄速率高达6242帧/秒，拍摄速率可达到1000000幅/秒，最小曝光时间300ns，自动曝光控制，能够满足宏观辅助观测需求。

具体的，分光棱镜15是用于将入射光以指定比率分割为两条不同光束的光学组件，本实施例中，分光棱镜15能够将成像光束(混合后的红光和绿光光束)按照颜色波段分别传到对应的端口，分光棱镜15可以按颜色波段三向分光。

双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的一个实施例中，还包括第一高速存储设备11、第二高速存储设备12和中央处理器16；

所述第一高速存储设备11与所述第一高速摄像机9连接；所述第二高速存储设备12与所述第二高速摄像机10连接；第一高速存储设备11和第二高速存储设备12用于对采集的所述碳化硅基板4上的形核气泡的影像/发光图像进行存储；

所述第一高速存储设备11和第二高速存储设备12均与所述中央处理器16电连接，所述中央处理器16用于对第一高速存储设备11和第二高速存储设备12采集的形核气泡的影像/发光图像进行动态分析。所述第一高速摄像机9和第二高速摄像机10均与所述中央处理器16电连接，所述中央处理器16还用于对第一高速摄像机9和第二高速摄像机10采集的形核气泡的宏观影像进行处理。还包括显示器17，所述显示器17与所述中央处理器16电连接，显示器17用于对形核气泡的明场观测和暗场观测处理结果进行显示。

具体的，为了在暗场光学条件下观测汽泡运动轨迹以及变化趋势，所述第一高速存储设备11和第二高速存储设备12采用CORE 2PLUS CL，通过第一高速存储设备11和第二高速存储设备12对形核汽泡产生的极弱影像/发光等图像进行存储，便于计算机处理。

双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的一个实施例中，所述高频信号发生器5在1～10MHz测试频率范围内利用电调控效应来控制微流散热承载平台3上产生的形核汽泡。

具体的，高频信号发生器5在1～10MHz测试频率范围内利用电调控效应来控制微流散热承载平台3的碳化硅基板4产生形核汽泡，高频信号发生仪采用HF LCR METER MODEL11050系列，测试频率范围1～10MHz/60Hz～5MHz基本量测准确度0.1％，高频信号发生仪产生电调控效应，通过测试讯号的监测功能，实时观察待测物上实际承载的电压与电流大小，触发延迟、量测延迟与平均次数等时序设定，让量测能紧密配合自动化机台动作，并在有限的量测时间内取得最精确的量测结果。

双色双光路明暗场原位正交显微成像系统的一个实施例中，所述承载平台3和高频信号发生器5对应所述红色光源6的红光光路上设有避让通道。从而使红色光源6发出的红光能够通过承载平台3和高频信号发生器5入射到碳化硅基板4中。

综上所述，本发明在成像工作台1设有支架2、承载平台3、碳化硅基板4、高频信号发生器5、红色光源6、绿色激光发射器7、双出口分光模块8、第一高速摄像机9、第二高速摄像机10、第一高速存储设备11和第二高速存储设备12；支架2连接成像工作台1，承载平台3连接支架2的侧部，碳化硅基板4置于承载平台3的上端，高频信号发生器5处于成像工作台1的上端，高频信号发生器5利用电调控效应控制承载平台3上的碳化硅基板4产生形核汽泡；红色光源6从碳化硅基板4的底部进行红光入射；绿色激光发射器7通过光纤从碳化硅基板4的侧部进行绿光入射；入射后的红光和绿光通过碳化硅基板4内部的透镜组18进行聚焦；双出口分光模块8对聚焦后的绿光及红光进行分光，分光后的绿光通过第一高速摄像机9进行摄像捕捉，分光后的红光通过第二高速摄像机10进行摄像捕捉；第一高速摄像机9和第二高速摄像机10用于对碳化硅基板4上的形核气泡进行明场观测；第一高速存储设备11与双出口分光模块8的绿光输出口通过光纤连接；第二高速存储设备12与双出口分光模块8的红光输出口通过光纤连接；第一高速存储设备11和第二高速存储设备12用于对碳化硅基板4上的形核气泡进行暗场观测。本发明采用暗场光学和明场光学形成两种光路信息补充，暗场观测提高分辨率，明场提供充分的汽泡信息，实现微介观尺度下同一形核气泡的实时、原位和同步观测，从而确定空化气泡动力学参数(包括：气泡脱离尺寸、周期及频率)及定向迁移与融合速率，观测方便，精确度高，得到的汽泡信息可信度高。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，包括成像工作台(1)，所述成像工作台(1)设有支架(2)、承载平台(3)、碳化硅基板(4)、高频信号发生器(5)、红色光源(6)、绿色激光发射器(7)、双出口分光模块(8)、第一高速摄像机(9)和第二高速摄像机(10)；

所述支架(2)连接所述成像工作台(1)，所述承载平台(3)连接所述支架(2)的侧部，所述高频信号发生器(5)处于所述承载平台(3)的上方，所述碳化硅基板(4)置于所述高频信号发生器(5)的上端，高频信号发生器(5)利用电调控效应控制所述碳化硅基板(4)产生形核汽泡；

所述红色光源(6)穿过所述承载平台(3)和高频信号发生器(5)后从所述碳化硅基板(4)的底部进行红光入射；所述绿色激光发射器(7)通过光纤从所述碳化硅基板(4)的侧部进行绿光入射；

入射后的绿光通过碳化硅基板(4)内部的透镜组(18)在拟观测区域聚焦成一束平行光斑；从底部入射的红光光路经过汽泡气液界面折射与从侧面绿光暗场光路经过汽泡气液界面散射，聚焦后向上传输的红光光路和绿光暗场光路经过双出口分光模块(8)；

所述双出口分光模块(8)对聚焦后的所述绿光及红光进行分光，分光后的绿光通过所述第一高速摄像机(9)进行摄像捕捉，分光后的红光通过所述第二高速摄像机(10)进行摄像捕捉；第一高速摄像机(9)和第二高速摄像机(10)用于对所述碳化硅基板(4)上的形核汽泡 进行观测。

2.根据权利要求1所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，所述双出口分光模块(8)包括绿色带通滤光片(13)、红色带通滤光片(14)和分光棱镜(15)，所述分光棱镜(15)对从所述碳化硅基板(4)发出的聚焦后的红光和绿光进行分光；

所述绿色带通滤光片(13)对所述分光棱镜(15)分光后的绿光进行滤色；所述红色带通滤光片(14)对所述分光棱镜(15)分光后的红光进行滤色。

3.根据权利要求2所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，所述第一高速摄像机(9)对所述绿色带通滤光片(13)滤光后的绿色光进行摄像捕捉；所述第二高速摄像机(10)对所述红色带通滤光片(14)滤光后的红色光进行摄像捕捉。

4.根据权利要求2所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，所述绿色带通滤光片(13)的允许通过范围为500～560nm；所述红色带通滤光片(14)的允许通过范围为620～680nm。

5.根据权利要求1所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，从所述碳化硅基板(4)底部的红色光源(6)发出的红光经汽泡气液界面折射的成像信息，与从所述碳化硅基板(4)侧面绿色激光发射器(7)发出的绿光经过汽泡气液界面散射的成像信息耦合以还原碳化硅基板(4)上的汽泡形态。

6.根据权利要求1所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，还包括第一高速存储设备(11)、第二高速存储设备(12)和中央处理器(16)；

所述第一高速存储设备(11)与所述第一高速摄像机(9)连接；所述第二高速存储设备(12)与所述第二高速摄像机(10)连接；第一高速存储设备(11)和第二高速存储设备(12)用于对采集的所述碳化硅基板(4)上的形核汽泡 的影像/发光图像进行存储；

所述第一高速存储设备(11)和第二高速存储设备(12)均与所述中央处理器(16)电连接，所述中央处理器(16)用于对第一高速存储设备(11)和第二高速存储设备(12)采集的形核汽泡 的影像/发光图像进行动态分析。

7.根据权利要求6所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，所述第一高速摄像机(9)和第二高速摄像机(10)均与所述中央处理器(16)电连接，所述中央处理器(16)还用于对第一高速摄像机(9)和第二高速摄像机(10)采集的形核汽泡 的宏观影像进行处理。

8.根据权利要求7所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，还包括显示器(17)，所述显示器(17)与所述中央处理器(16)电连接，显示器(17)用于对形核汽泡 的明场观测和暗场观测处理结果进行显示。

9.根据权利要求1所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，所述高频信号发生器(5)在1～10MHz测试频率范围内利用电调控效应来控制微流散热承载平台(3)上产生的形核汽泡。

10.根据权利要求1所述的一种双色双光路明暗场原位正交显微成像系统，其特征在于，所述承载平台(3)和高频信号发生器(5)对应所述红色光源(6)的红光光路上设有避让通道。

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