CN1588092A - 微观流场粒子图像显微测速系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微观流场粒子图像显微测速系统。由跨帧CCD照相机，成像镜头组，长通滤光片，45°激光反射棱镜，长工作距离、高数值孔径的显微物镜，凸面镜，凹面镜，双脉冲激光器，反射镜，控制及图像处理计算机，信号同步器组成。它采用高数值孔径、长工作距离的显微物镜控制成像平面的厚度与位置，采用全场照明的方式替代传统粒子图像测速技术的片光源，采用微米至纳米级的荧光示踪粒子，在光路设计中采用45°激光反射棱镜将激光从侧向引入，避免了激光对CCD照相机的损伤，同时采用荧光过滤方式，大幅提高了图像信噪比。该装置可针对微米级流场进行精密检测，具有较高的平面成像精度及图像信噪比，是微观流体检测的重要技术。

Description

微观流场粒子图像显微测速系统
技术领域
本发明涉及流场检测系统，特别是涉及一种微观流场粒子图像显微测速系统。
背景技术
粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)是70年代末由固体力学散斑法发展起来的一种全流场多点测量技术。该技术突破了传统单点测量的限制，可瞬时无接触测量流场中流动方向上二维平面的速度分布，且具有较高的精度。其基本原理是：在流场中均匀布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，将粒子图像记录在PIV底片上或由CCD相机得到数字图像。在图像处理中采用杨氏条纹法、自相关或互相关等算法获得二维速度分布。
随着MEMS技术以及微流控技术的发展，微观流场检测的需求逐渐增多，但是，由于微流场的特征尺度只有微米级，因此在照明方式、显微拍摄以及成像质量等方面均存在一系列技术难题，因此常规PIV装置无法直接用于微观流场的速度测量。其主要问题在于：
(1)缺少显微放大装置。由于微流体机械流动特征尺寸很小，因此常规PIV装置无法通过CCD照相机直接获得粒子图像。
(2)片光源不适合微流体。常规PIV激光片厚度至少达到0.5mm，否则会使图像曝光光强不够。而微流体机械的内部腔体一般只有几百微米甚至几微米，因此该设备在此条件下无法完成平面照明，所以在微流体PIV中不能采用片光源形式。
(3)示踪粒子尺寸。常规PIV技术所采用的示踪粒子直径约为几十或几百微米，显然无法在微流体测量中继续使用。
(4)图像噪声影响严重。如果采用常规的PIV示踪粒子及拍摄手段，那么所采集的流场图像中背景光以及激光反射干扰严重，往往会引起较大的图像误差，影响后继图像处理的精度。
发明内容
为了解决微观流体粒子图像测速技术中的显微拍摄问题，本发明的目的在于提供一种微观流场粒子图像显微测速系统。采用特殊光路系统设计，解决照明激光与激发荧光的筛选，采用高数值孔径的物镜解决平面拍摄问题，以实现对微观流场进行激光诱导荧光方式的显微平面检测。
为了达上述目的，本发明提供一种微观流场粒子图像显微测速系统包括：跨帧CCD照相机，成像镜头组，长通滤光片，45°激光反射棱镜，长工作距离、高数值孔径的显微物镜，凸面镜，凹面镜，双脉冲激光器，反射镜，控制及图像处理计算机，信号同步器；控制及图像处理计算机接信号同步器后分成两路，一路经激光器控制线接双脉冲激光器，另一路经CCD照相机控制线及数据线接跨帧CCD照相机，脉冲激光光束依次经凹面镜、凸面镜、45°激光反射棱镜全反射至长工作距离、高数值孔径的显微物镜照射至被测工件流道内的示踪粒子，被激光激发的荧光，经过长工作距离、高数值孔径的显微物镜，透过45°激光反射棱镜、长通滤光片、反射镜、成像镜头组至跨帧CCD照相机，被反射的激光经过长工作距离、高数值孔径的显微物镜，经45°激光反射棱镜反射。
本发明具有的有益的效果是：
a、激光采用全场照明方式，而不采用片光源形式；
b、微观流场平面检测方式通过高数值孔径显微物镜的聚焦平面来解决，由于高数值孔径显微物镜的聚焦平面厚度约为几个微米左右，同时在此聚焦平面厚度以外的粒子图像很模糊，基本不会干扰图像质量，因此采用显微物镜来操控微流场检测中的成像平面位置，以实现平面检测；
c、采用亚微米级尺度的示踪粒子，同时粒子表面涂有激光诱导荧光材料，示踪粒子在激光的照射下将激发出荧光；
d、采用45°激光反射棱镜将侧向入射的激光全反射到显微物镜方向，同时该45°棱镜表面经过光学镀膜，具有滤光片作用，允许示踪粒子激发的荧光透过而将激光全反射；
e、目镜及CCD接口前端光路安装长通滤光片，再次阻止波长较短的激光通过，而允许荧光透射，采用这种光学系统设计一方面避免激光入射到CCD引起损伤，另一方面降低了背景光对图像质量的影响，大幅提高图像信噪比。
该装置可针对微米级流场进行精密检测，具有较高的平面成像精度及图像信噪比，是微观流体检测的重要技术。
附图说明
附图为本发明的结构原理示意图。
附图中：1、跨帧CCD照相机，2、成像镜头组，3、长通滤光片，4、45°激光反射棱镜，5、长工作距离高数值孔径的显微物镜，6、凸面镜，7、凹面镜，8、双脉冲激光器，9、反射镜，10、激光器控制线，11、控制及图像处理计算机，12、信号同步器，13、CCD照相机控制线及数据线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对说明本发明作进一步说明。
如附图所示，本发明提供一种微观流场粒子图像显微测速系统包括：跨帧CCD照相机1，成像镜头组2，长通滤光片3，45°激光反射棱镜4，长工作距离、高数值孔径的显微物镜5(如尼康CFI PLAN系列物镜等)，凸面镜6，凹面镜7，双脉冲激光器8，反射镜9，控制及图像处理计算机11，信号同步器12(如TSI610034等)；控制及图像处理计算机11接信号同步器12后分成两路，一路经激光器控制线10接双脉冲激光器8，另一路经CCD照相机控制线及数据线13接跨帧CCD照相机1，脉冲激光光束依次经凹面镜7、凸面镜6、45°激光反射棱镜4全反射至长工作距离、高数值孔径的显微物镜5照射至微流控被测工件14流道内的示踪粒子，被激光激发的荧光，经过长工作距离、高数值孔径的显微物镜5，透过45°激光反射棱镜4、长通滤光片3、反射镜9、成像镜头组2至跨帧CCD照相机1，被反射的激光经过长工作距离、高数值孔径的显微物镜5，经45°激光反射棱镜4反射。
所说的长通滤光片3是表面经过光学镀膜处理，允许中心波长为610纳米以上光通过的滤光片。
所说的45°激光反射棱镜4是表面经过光学镀膜处理，全反射中心波长为532纳米激光的、全透射中心波长为610纳米荧光的反射棱镜。
具体工作过程如下：
控制及图像处理计算机11首先向信号同步器12下达控制信息，信号同步器12控制双脉冲激光器8及跨帧CCD照相机1的工作时序，每个工作周期双脉冲激光器8给出一对脉冲来分别曝光两幅图像，两幅图像的曝光时间间隔由激光脉冲对控制，因此可以将间隔时间控制到微秒级，以利于拍摄流速较高的流场，跨帧CCD照相机1同步地将两幅图像信息快速存储并输送到控制及图像处理计算机11内并进行后继的图像处理。
双脉冲激光器8发出的脉冲激光束首先通过凹面镜7扩散成锥形光以扩大照明范围，并通过凸面镜7转变为平行光束，然后水平入射到45°激光反射棱镜4，该棱镜表面的光学镀膜层可使入射激光按90°全反射至显微物镜5，为微观流场提供光强较高且均匀的照明光，流场中的示踪粒子表面涂有荧光材料，在激光的照射下激发出荧光，该荧光连同反射及散射的激光一起通过高数值孔径的显微物镜5射至45°激光反射棱镜4，此时45°激光反射棱镜4表面的光学镀膜层允许荧光透过，而激光则被再次发射。透过45°激光反射棱镜4的荧光通过长通滤光片3再次将少量透射的激光过滤，进一步提高了荧光的纯度，以避免激光引起CCD感光阵列的损伤，荧光通过反射镜9发射至CCD成像镜头组2，最终通过跨帧CCD照相机1得到信噪比较高的流场图像。

Claims (3)

1、一种微观流场粒子图像显微测速系统，其特征在于包括：跨帧CCD照相机(1)，成像镜头组(2)，长通滤光片(3)，45°激光反射棱镜(4)，长工作距离、高数值孔径的显微物镜(5)，凸面镜(6)，凹面镜(7)，双脉冲激光器(8)，反射镜(9)，控制及图像处理计算机(11)，信号同步器(12)；控制及图像处理计算机(11)接信号同步器(12)后分成两路，一路经激光器控制线(10)接双脉冲激光器(8)，另一路经CCD照相机控制线及数据线(13)接跨帧CCD照相机(1)，脉冲激光光束依次经凹面镜(7)、凸面镜(6)、45°激光反射棱镜(4)全反射至长工作距离、高数值孔径的显微物镜(5)照射至被测工件(14)流道内的示踪粒子，被激光激发的荧光，经过长工作距离、高数值孔径的显微物镜(5)，透过45°激光反射棱镜(4)、长通滤光片(3)、反射镜(9)、成像镜头组(2)至跨帧CCD照相机(1)，被反射的激光经过长工作距离、高数值孔径的显微物镜(5)，经45°激光反射棱镜(4)反射。
2、根据权利要求1所述的一种微观流场粒子图像显微测速系统，其特征在于：所说的长通滤光片(3)是表面经过光学镀膜处理，允许中心波长为610纳米以上光通过的滤光片。
3、根据权利要求1所述的一种微观流场粒子图像显微测速系统，其特征在于：所说的45°激光反射棱镜(4)是表面经过光学镀膜处理，全反射中心波长为532纳米激光的、全透射中心波长为610纳米荧光的反射棱镜。
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