TW201030342A - Micro particle image velocimetry, and particle image-capturing method thereof - Google Patents
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Description
201030342 • 六、發明說明: - 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種微質點測速儀’特別是指一種採 用發光二極體作為光源的微質點測速儀。 【先前技術】 流場速度資訊是分析各種流體運動特性最重要的參數 之一。傳統所使用的探針置入流場量測流體流動的方法, 屬侵入式的量測方法,對於流場中的流動特性必然會造成 影響和干擾。為了避免侵入式流場量測技術可能產生之干 擾和誤差,1980年代起,經由許多學者專家的研究而發展 出質點影像測速儀(particle image velocimetry,下稱 PIV), 其具備了流場全域量測(whole-field measurement)的特性, 可提供觀測者更多暫態、全域流場之訊息。 隨著微流體晶片的發展,微流體量測技術也受到重視 。有關微流體流場的觀測,一般是應用微質點影像測速儀 (Micro-PIV,下稱/z PIV )進行量測,研發人員可藉由量 φ 測到的流場資訊進行微流體晶片的流場設計。 現有//PIV主要沿用PIV的架構。PIV是將雷射光投向 圓柱透鏡而形成光頁,作為觀測平面,而/iPIV改以顯微鏡 物鏡之聚焦平面作為觀測基準面。目前常見的yPIV是包括 雙脈衝雷射(double-pulse laser)光源、具重複曝光模式的 CCD 攝影機(double exposure mode CCD camera)、顯微鏡 ,及流場分析系統。藉由在工作流場加入微粒,"PIV的雙 脈衝雷射以相隔適當時間間距的二次閃頻對顯微鏡下的流 3 201030342 場提供所需光源,利用控制兩道雷射觸發之時間差可精 準控制照關隔,且具重複曝光模柄咖攝影機可於此 二次閃頻照明期間,攝得二張序列質點影像(—μ - 接著流場分析系統利用互相關函數(_s_ 瞻ei咖n function )針對連續二張影像計算質點的移動距 離及方向,除以該二張影像間隔時間即可得到速度,可建 構出完整流場。 前述/mv以脈衝雷射作為光源,雷射的高功率與脈衝 時距短等特性’有助於攝得清楚的微質點影像。但以雷射❿ 作為光源不但價格昂貴、體積龐大,且由於脈衝雷射瞬間 功率極高,可能燒毀物件或傷害使用者的視力,危險性高 :又因雷射屬高精密設備,維修保養及校正亦須耗費大量 人力物力。由此可知’現有之"ριν應仍有改善空間。 【發明内容】 因此,本發明之目的,即在提供一種降低成本、節省 空間、安全且維修保養容易的微質點影像測速儀。 爲達到上述目的,本發明微質點影像測速儀用以分析 © 一微流體樣本,包含一光源、一顯微鏡、一環狀聚光鏡、 一導光單元、一影像擷取單元,及一分析單元。 顯微鏡具有一組物鏡,該物鏡的聚焦平面為該微流體 樣本的觀測基準面。環狀聚光鏡間隔地設置於該觀測基準 面相反於該物鏡之一侧。 光源包括一發光二極體模組。導光單元將發光二極體 模組發出的光導向該環狀聚光鏡,該環狀聚光鏡使光線不 201030342 射入該物鏡且僅有該微流體樣本的散射光進入物鏡。 影像擷取單疋透過該顯微鏡對該微流體樣本擷取與該 光源同步之序列影像,並由分析單元依據該影像擷取單元 擷取之序列影像,求得該微流體之速度場。 本發明之另一目的,在於提供一種以低成本且安全的 方式取得清楚的微質點影像的微質點影像擷取方法。 為達到上述目的,本發明微質點影像擷取方法是針對 一微流體樣本進行微質點影像擷取,該微流體樣本放置於 一顯微鏡的物鏡的聚焦平面,該聚焦平面定義為一觀測基 準面;該方法包含以下步驟: 1·對一包括一發光二極體模組之光源及一影像擷取單元 發出同步控制訊號。 2. 該發光二極體模組發出之光透過一導光單元導向一環 狀聚光鏡,該環狀聚光鏡間隔地設置於該觀測基準面相反 於該物鏡之一側,使光線不射入該物鏡且僅有該微流體樣 本的散射光進入該物鏡。 3. 該影像擷取單元透過該顯微鏡對該微流體樣本擷取與 該光源同步之序列影像。 本發明是針對傳統微質點影像測速儀的雷射光源進行 改善’但若僅是以發光二極體取代雷射光源會有功率不足 而無法攝得高對比品質之影像的問題,無法針對高速移動 的質點攝得確實的影像。本發明採用發光二極體並配合有 環狀聚光鏡的光路設計,讓光聚焦於微流體樣本,所以只 有自樣本上發出的散射光線會進入顯微鏡的物鏡,而沒有 201030342 入射光進入物鏡,無需如傳統#ρΐν使用滤鏡濾除入射光及 進行影像後處理,就可以獲得背景雜訊極低的優質影像。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效,在 以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中,將可 清楚的呈現。 參閱圖1與圖2 ’本發明微質點影像測速儀100之第一 較佳實施例可用於分析一微流艎樣本(圖未示),其包含一 光源1、一導光單元2、一環狀聚光鏡3、一顯微鏡4、一 © 影像擷取單元5、一控制單元61,及一分析單元62。本實 施例之微流體樣本流量為1〇e//min,加入的螢光質點直徑 為 1 // w。 本實施例之控制單元61是包括安裝於電腦6内的以
LabVIEW 7.0圖控程式’及美國國家儀器(Nati〇nal Instmments ’ N〇 DAQ6251資料擷取卡,兩者搭配而對光 源1及影像摘取單元5發出同步的控制訊號,控制曝光時 間300/^ ’兩次曝光之時間間隔為但不以上述規〇 格及參數為限。 光源1包括一發光二極體驅動晶片(以下稱LED驅動 日日片)11,及一發光二極體模組(以下稱[ED模組)12。 LED驅動晶片11接收魅制單元所發出的控制訊號,並利 用^電流切換方式對LED模組12進行閃頻驅動,但不以定 電L為限藉由本實施例之LED驅動晶片11閃頻驅動設計 最π可進行l.6MHz的閃頻驅動意即兩次照明之最小時 201030342 間間隔最短為62.5 " v,g?人τ , ^ U s配0 LED模組12的時間響應,時 間解析度可以it 1〇〇 " s ’足以應用於高速流場之量測。本 發明不以上述參數為限,隨著選用不同效能的led及電路 可有變化。 LED模組12發出的光,透過導光單元2導向環狀聚光 鏡3本實施例的導光單元2是—光纖,但不以光纖為限, 也可以是其他任何形式而能將光導入環狀聚光鏡的導光物 〇 顯微鏡4具有多組物鏡4〇,在此僅以使用中的物鏡4〇 為主作說明。該物鏡40的聚焦平面為該微流體樣本的觀測 基準面。環狀聚光鏡3即間隔地設置於該觀測基準面相反 於物鏡40之一側。 本實施例之環狀聚光鏡3能形成如圖3所示的圓錐形 光路。圖3中虛線所示位置為微流鱧樣本所在平面❶藉此 ,經過該環狀聚光鏡3的光不會直接射入物鏡4〇,而是聚 焦於微流體樣本,因此只有自樣本發出的散射光線會進入 物鏡40。一般來說,為了獲得質點的清晰影像,會使用濾 鏡將不必要的入射光濾除,但加設濾鏡會導致質點影像亮 度也降低。本實施例採用環狀聚光鏡3將入射光聚光後只 有自樣本散射的光線進入物鏡40的好處在於:無需额外採 用渡鏡將不必要的入射光濾除,攝取得的暗視野影像,不 但可確保質點影像亮度,且背景雜訊極低。此外,傳統光 學儀器受制於雷利準則(Rayleigh criterion ),無法超越 180nm的解析度限制;本實施例之設計則可達90nm的解析 201030342 度。 本實施例之影像擁取單元5是一電素叙合元件_ 質點影像測速儀雙重曝光攝 ^ 料機(型號.咖 SharpVision 1300-DE) ’藉控制單元61 ^ _减相顯賊4對該微 流體樣本擷取與該光源同步 佑媸皮序歹影像,並由分析單元62 依據序列㈣求得該微_之速度場。本實施例之分析單 ==於該電腦6,其利用互相關函數運算求得該微 " ^。^言之,即取連續的兩張影像分析質點位 移量,除以兩張影像的時間差可獲得質點速度及方向,進 而建構出整個流場的速度場。 配合參_ 4,本實施例所提供的微質點影像操取方法 包含以下步驟: 步驟S〗—控制單元61對光源1及影像擷取單元5發出 同步控制訊號。 ”步驟s2—光源、!的發光二極體模组12發出之光透過導 光單元2導向環狀聚光鏡3,環狀聚光鏡3使光線不射入顯 微鏡4之物鏡40而僅有微流體樣本的散射光進入物鏡4〇。 步驟S3影像棟取單元5透過顯微鏡4對該微流體樣 本擷取與該光源同步之序列影像。 清參閱圖5,本發明第二較佳實施例與第一較佳實施例 的差異在於光源1’的LED模組12,是包括分別發出紅光、 藍光、綠光的至少一紅光led 121、至少一藍光lED 122 及至少一綠光LED 123,且LED驅動晶片11,驅動該三種顏 色的LED121、122、123循序照明流場;此外,本實施例的 201030342 =取單元5’是一配合該光源丨’之三種顏色光的“CD =位攝影機,其具有獨立的紅色、藍色、綠色CCD取 二二一51、52、53,不同顏色取像晶片都具有相同解析度 ;同一張影像以紅、藍、綠德皮去帝 ΓΓΠ』… 纟綠循序重覆曝光三次,則因3- T色數位攝影機的紅色、藍色、綠色咖取像晶片5】 〃 H紅光、藍光、綠光敏感,當紅光照明流
接影後彳工色C<:D取像晶片51能記錄得亮度值夠高的清 ^像’·當藍光照明流場時,只有藍色ccd取像晶片㈣ ^己錄得亮度值夠高的清楚影像;當綠光照明流場時,只有 矣色CO)取像晶片53能記錄得亮度值夠高的清楚影像。藉 此拍攝得的紅'藍、綠三次重複曝光影像即可得到具有 相同解析度的紅色、藍色、綠色三張循序曝光的影像。由 此二張序㈣像可㈣(如紅_藍、藍'綠、綠·紅)計算得 兩個速度場。 备…、本發明$以本實施例為P艮,亦可任ϋ兩種顏色 的ED ,,、、明流場,令影像重複曝光兩次則可分離得兩張 序列影像’計算得-個速度場。剌3.CCD彩色數位攝影 機的拍攝方式,不僅可拍攝得彩色影像,更增廣了攝影機 的選擇制’在降低成本、選擇高解析度的攝影機等方面 ,極具優勢’而不受限於需採用具重複曝光模式的數位攝 影機以從事微質點影像測速。 綜上所述,本發明採用LED作為光源配合環狀聚光鏡 的光路》又汁,克服一般微質點影像測速儀中雷射光源產生 的缺點’在可擁取到清楚的微質點影像的前提下,提供了 9 201030342 成本低、節省體積、安全且維修容易的微質點影像測速儀 〇〇又,以LED作為光源,可進一步選擇以彩色LED發 出的不同顏色光循序照明流場,配合3_CCD彩色數位攝影 機取得不同顏色曝光影像,冑了更多樣的選擇,確實能達 成本發明之目的。 ^惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不 能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是本發明微質點影像測速儀之第一較佳實施例的 系統架構圖; 圖2是本實施例的系統方塊圖; 圖3是本實施例中,環狀聚光鏡之光路示意圖; 圖4是本發明微質點影像擷取方法的流程圖;及 圖5是本發明微質點影像測速儀之第二較佳實施例的 系統方塊圖。 201030342 【主要元件符號說明】 100....... 微質點影像測速儀 40…… •…物鏡 1、Γ …· 光源 5 ' 5, _ •…影像擷取單元 11......... LED驅動晶片 51…… …·紅色CCD取像晶片 12、12, · LED模組 52…… …·藍色CCD取像晶片 121 ....... 紅光LED 53…… •…綠色CCD取像晶片 122....... 藍光LED 6 ....... •…電腦 123....... 綠光LED 61…… •…控制單元 2 .......... 導光單元 62…… •…分析單元 3 .......... 環狀聚光鏡 S 1 〜S3 •…步驟 4 .......... 顯微鏡
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Claims (1)
- 201030342 七、申請專利範圍: 1. 一種微質點影像測速儀, 用以分析—微流體樣本 包含 一光源’包括一發光二極體模組; 的聚焦平面為該 一顯微鏡’具有一組物鏡,該物鏡 微流體樣本的觀測基準面; -環狀聚光鏡,間隔地設置於該觀測基準面相反於 該物鏡之一側;一導光單元,將該發光二極體模組發出的光導向該 環狀聚光鏡,該環狀聚光鏡使光線不射入該物鏡且僅有 該微流體樣本的散射光進入物鏡; 一影像棟取早元,透過該顯微鏡對該微流體樣本擁 取與該光源同步之序列影像;及 一分析單元’依據該影像擷取單元擷取之序列影像 ’求得該微流體之速度場。2·依據申請專利範圍第1項所述之微質點影像測速儀,其 中’該導光單元是一光纖。 3·依據申請專利範圍第1項所述之微質點影像測速儀,更 包含—對該光源及影像擷取單元發出同步的控制訊號的 控制單元。 4·依據申請專利範圍第3項所述之微質點影像測速儀’其 中’該光源更包括一發光二極體驅動晶片,接收該控制 單元所發出的控制訊號,在對該發光二極體模組進行閃 頻驅動。 12 201030342 5. 依據申請專利範圍第4項所述之微質點影像測速儀,其 中,該光源的發光二極體模組包括多種分別發出不同顏 色光的發光二極體,該發光二極體驅動晶片驅動該等不 同顏色的發光二極體循序發光;該影像擷取單元具有對 應顏色的電素耦合元件取像晶片,對於同一張影像以該 等顏色循序重複曝光。 6. 依據申請專利範圍第5項所述之微質點影像測速儀,其 中,該光源的發光二極體模組包括至少一紅光發光二極 體、至少一藍光發光二極體,及至少一綠光發光二極體 ’該發光一極體驅動晶片驅動該三種發光二極體循序發 光。 7.依據申請專利範圍第6項所述之微質點影像測速儀,其中’該影像操取單元具有獨立的紅色、藍色,及綠色電 素耦合元件取像晶片,且當接到控制單元發出的控制訊 號,即對於同一張影像以紅、藍、綠循序重覆曝光三次 ,藉此拍攝得的紅、藍、綠三次重複曝光影像;配合該 發光二極體模組發出不同顏色光而可得到紅色、藍色、 綠色三張循序曝光的影像。(請確認粗體字) 8.依據申請專利範圍第丨〜7項中 項中任一項所述之微質點影像 測速儀,其中,分析.單元是采丨 1用互相關函數運算求得兮 微流體的速度場。 微流體樣本進行微質 置於一顯微鏡的物鏡 觀測基準面;該方法 一種微質點影像擷取方法,針對一 點序列影像擷取,該微流體樣本放 的聚焦平面,該聚焦平面定義為一 13 9. 201030342 包含以下步驟: (a) 對一包括一發光二極體模組之光源及一影像擷 取單元發出同步控制訊號; (b) 使該發光二極體模組發出之光透過一導光單元 導向一環狀聚光鏡,該環狀聚光鏡是間隔地設置於該觀 測基準面相反於該物鏡之一侧,使光線不射入該物鏡且 僅有該微流體樣本的散射光進入該物鏡;及 (c )該影像擷取單元透過該顯微鏡對該微流體樣本 擷取與該光源同步之序列影像 10. 依據申請專利範圍第9項所述之微質點影像擷取方法, 其中’該步驟(a)所發出的控制訊號傳送到該光源的— 發光二極體驅動晶片,該驅動晶片對該發光二極體模組 進行閃頻驅動 11. 依據申請專利範圍第1〇項所述之微質點影像擷取方法, 其中’該步驟(a)中,該驅動晶片是對一包括多種分別 發出不同顏色光的發光二極體的發光二極體模組進行驅 動’使該等不同顏色的發光二極體循序發光;且該影像 擷取單元具有對應顏色的電素麵合元件取像晶片,該步 驟(c)是對於同一張影像以該等顏色循序重複曝光。 12·依據申請專利範圍第u項所述之微質點影像擷取方法, 其中’該步驟(a)中,該驅動晶片是對一包括至少—紅 光發光二極體、至少一藍光發光二極體,及至少一綠光 發光二極體的發光二極體模組進行驅動,使三種發光二 極體循序發光。 201030342 13.依據申請專利範圊第11項所述之微質點影像擷取方法, 其中,該步驟(a)是對一具有獨立的紅色、藍色,及綠 色電素耦合元件取像晶片的影像擷取單元發出控制訊號 且在該步驟(c)中’該影像擷取單元對於同一張影像 ,藉此配合該發光二極 紅色、藍色、綠色三張 以紅、藍、綠循序重覆曝光三次 體模組發出不同顏色光而可得到 循序曝光的影像。15
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