專利名稱：微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流場檢測系統(tǒng)，特別是涉及一種微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry，PIV)是70年代末由固體力學(xué)散斑法發(fā)展起來的一種全流場多點測量技術(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)單點測量的限制，可瞬時無接觸測量流場中流動方向上二維平面的速度分布，且具有較高的精度。其基本原理是在流場中均勻布撒示蹤粒子，并用脈沖激光片光源入射到所測流場區(qū)域中，通過連續(xù)兩次或多次曝光，將粒子圖像記錄在PIV底片上或由CCD相機得到數(shù)字圖像。在圖像處理中采用楊氏條紋法、自相關(guān)或互相關(guān)等算法獲得二維速度分布。
隨著MEMS技術(shù)以及微流控技術(shù)的發(fā)展，微觀流場檢測的需求逐漸增多，但是，由于微流場的特征尺度只有微米級，因此在照明方式、顯微拍攝以及成像質(zhì)量等方面均存在一系列技術(shù)難題，因此常規(guī)PIV裝置無法直接用于微觀流場的速度測量。其主要問題在于(1)缺少顯微放大裝置。由于微流體機械流動特征尺寸很小，因此常規(guī)PIV裝置無法通過CCD照相機直接獲得粒子圖像。
(2)片光源不適合微流體。常規(guī)PIV激光片厚度至少達到0.5mm，否則會使圖像曝光光強不夠。而微流體機械的內(nèi)部腔體一般只有幾百微米甚至幾微米，因此該設(shè)備在此條件下無法完成平面照明，所以在微流體PIV中不能采用片光源形式。
(3)示蹤粒子尺寸。常規(guī)PIV技術(shù)所采用的示蹤粒子直徑約為幾十或幾百微米，顯然無法在微流體測量中繼續(xù)使用。
(4)圖像噪聲影響嚴重。如果采用常規(guī)的PIV示蹤粒子及拍攝手段，那么所采集的流場圖像中背景光以及激光反射干擾嚴重，往往會引起較大的圖像誤差，影響后繼圖像處理的精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決微觀流體粒子圖像測速技術(shù)中的顯微拍攝問題，本發(fā)明的目的在于提供一種微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)。采用特殊光路系統(tǒng)設(shè)計，解決照明激光與激發(fā)熒光的篩選，采用高數(shù)值孔徑的物鏡解決平面拍攝問題，以實現(xiàn)對微觀流場進行激光誘導(dǎo)熒光方式的顯微平面檢測。
為了達上述目的，本發(fā)明提供一種微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)包括跨幀CCD照相機，成像鏡頭組，長通濾光片，45°激光反射棱鏡，長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡，凸面鏡，凹面鏡，雙脈沖激光器，反射鏡，控制及圖像處理計算機，信號同步器；控制及圖像處理計算機接信號同步器后分成兩路，一路經(jīng)激光器控制線接雙脈沖激光器，另一路經(jīng)CCD照相機控制線及數(shù)據(jù)線接跨幀CCD照相機，脈沖激光光束依次經(jīng)凹面鏡、凸面鏡、45°激光反射棱鏡全反射至長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡照射至被測工件流道內(nèi)的示蹤粒子，被激光激發(fā)的熒光，經(jīng)過長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡，透過45°激光反射棱鏡、長通濾光片、反射鏡、成像鏡頭組至跨幀CCD照相機，被反射的激光經(jīng)過長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡，經(jīng)45°激光反射棱鏡反射。
本發(fā)明具有的有益的效果是a、激光采用全場照明方式，而不采用片光源形式；b、微觀流場平面檢測方式通過高數(shù)值孔徑顯微物鏡的聚焦平面來解決，由于高數(shù)值孔徑顯微物鏡的聚焦平面厚度約為幾個微米左右，同時在此聚焦平面厚度以外的粒子圖像很模糊，基本不會干擾圖像質(zhì)量，因此采用顯微物鏡來操控微流場檢測中的成像平面位置，以實現(xiàn)平面檢測；c、采用亞微米級尺度的示蹤粒子，同時粒子表面涂有激光誘導(dǎo)熒光材料，示蹤粒子在激光的照射下將激發(fā)出熒光；d、采用45°激光反射棱鏡將側(cè)向入射的激光全反射到顯微物鏡方向，同時該45°棱鏡表面經(jīng)過光學(xué)鍍膜，具有濾光片作用，允許示蹤粒子激發(fā)的熒光透過而將激光全反射；e、目鏡及CCD接口前端光路安裝長通濾光片，再次阻止波長較短的激光通過，而允許熒光透射，采用這種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計一方面避免激光入射到CCD引起損傷，另一方面降低了背景光對圖像質(zhì)量的影響，大幅提高圖像信噪比。
該裝置可針對微米級流場進行精密檢測，具有較高的平面成像精度及圖像信噪比，是微觀流體檢測的重要技術(shù)。


附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
附圖中1、跨幀CCD照相機，2、成像鏡頭組，3、長通濾光片，4、45°激光反射棱鏡，5、長工作距離高數(shù)值孔徑的顯微物鏡，6、凸面鏡，7、凹面鏡，8、雙脈沖激光器，9、反射鏡，10、激光器控制線，11、控制及圖像處理計算機，12、信號同步器，13、CCD照相機控制線及數(shù)據(jù)線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對說明本發(fā)明作進一步說明。
如附圖所示，本發(fā)明提供一種微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)包括跨幀CCD照相機1，成像鏡頭組2，長通濾光片3，45°激光反射棱鏡4，長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡5(如尼康CFI PLAN系列物鏡等)，凸面鏡6，凹面鏡7，雙脈沖激光器8，反射鏡9，控制及圖像處理計算機11，信號同步器12(如TSI610034等)；控制及圖像處理計算機11接信號同步器12后分成兩路，一路經(jīng)激光器控制線10接雙脈沖激光器8，另一路經(jīng)CCD照相機控制線及數(shù)據(jù)線13接跨幀CCD照相機1，脈沖激光光束依次經(jīng)凹面鏡7、凸面鏡6、45°激光反射棱鏡4全反射至長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡5照射至微流控被測工件14流道內(nèi)的示蹤粒子，被激光激發(fā)的熒光，經(jīng)過長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡5，透過45°激光反射棱鏡4、長通濾光片3、反射鏡9、成像鏡頭組2至跨幀CCD照相機1，被反射的激光經(jīng)過長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡5，經(jīng)45°激光反射棱鏡4反射。
所說的長通濾光片3是表面經(jīng)過光學(xué)鍍膜處理，允許中心波長為610納米以上光通過的濾光片。
所說的45°激光反射棱鏡4是表面經(jīng)過光學(xué)鍍膜處理，全反射中心波長為532納米激光的、全透射中心波長為610納米熒光的反射棱鏡。
具體工作過程如下控制及圖像處理計算機11首先向信號同步器12下達控制信息，信號同步器12控制雙脈沖激光器8及跨幀CCD照相機1的工作時序，每個工作周期雙脈沖激光器8給出一對脈沖來分別曝光兩幅圖像，兩幅圖像的曝光時間間隔由激光脈沖對控制，因此可以將間隔時間控制到微秒級，以利于拍攝流速較高的流場，跨幀CCD照相機1同步地將兩幅圖像信息快速存儲并輸送到控制及圖像處理計算機11內(nèi)并進行后繼的圖像處理。
雙脈沖激光器8發(fā)出的脈沖激光束首先通過凹面鏡7擴散成錐形光以擴大照明范圍，并通過凸面鏡7轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐?，然后水平入射?5°激光反射棱鏡4，該棱鏡表面的光學(xué)鍍膜層可使入射激光按90°全反射至顯微物鏡5，為微觀流場提供光強較高且均勻的照明光，流場中的示蹤粒子表面涂有熒光材料，在激光的照射下激發(fā)出熒光，該熒光連同反射及散射的激光一起通過高數(shù)值孔徑的顯微物鏡5射至45°激光反射棱鏡4，此時45°激光反射棱鏡4表面的光學(xué)鍍膜層允許熒光透過，而激光則被再次發(fā)射。透過45°激光反射棱鏡4的熒光通過長通濾光片3再次將少量透射的激光過濾，進一步提高了熒光的純度，以避免激光引起CCD感光陣列的損傷，熒光通過反射鏡9發(fā)射至CCD成像鏡頭組2，最終通過跨幀CCD照相機1得到信噪比較高的流場圖像。
權(quán)利要求
1.一種微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)，其特征在于包括跨幀CCD照相機(1)，成像鏡頭組(2)，長通濾光片(3)，45°激光反射棱鏡(4)，長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡(5)，凸面鏡(6)，凹面鏡(7)，雙脈沖激光器(8)，反射鏡(9)，控制及圖像處理計算機(11)，信號同步器(12)；控制及圖像處理計算機(11)接信號同步器(12)后分成兩路，一路經(jīng)激光器控制線(10)接雙脈沖激光器(8)，另一路經(jīng)CCD照相機控制線及數(shù)據(jù)線(13)接跨幀CCD照相機(1)，脈沖激光光束依次經(jīng)凹面鏡(7)、凸面鏡(6)、45°激光反射棱鏡(4)全反射至長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡(5)照射至被測工件(14)流道內(nèi)的示蹤粒子，被激光激發(fā)的熒光，經(jīng)過長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡(5)，透過45°激光反射棱鏡(4)、長通濾光片(3)、反射鏡(9)、成像鏡頭組(2)至跨幀CCD照相機(1)，被反射的激光經(jīng)過長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡(5)，經(jīng)45°激光反射棱鏡(4)反射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)，其特征在于所說的長通濾光片(3)是表面經(jīng)過光學(xué)鍍膜處理，允許中心波長為610納米以上光通過的濾光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)，其特征在于所說的45°激光反射棱鏡(4)是表面經(jīng)過光學(xué)鍍膜處理，全反射中心波長為532納米激光的、全透射中心波長為610納米熒光的反射棱鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微觀流場粒子圖像顯微測速系統(tǒng)。由跨幀CCD照相機，成像鏡頭組，長通濾光片，45°激光反射棱鏡，長工作距離、高數(shù)值孔徑的顯微物鏡，凸面鏡，凹面鏡，雙脈沖激光器，反射鏡，控制及圖像處理計算機，信號同步器組成。它采用高數(shù)值孔徑、長工作距離的顯微物鏡控制成像平面的厚度與位置，采用全場照明的方式替代傳統(tǒng)粒子圖像測速技術(shù)的片光源，采用微米至納米級的熒光示蹤粒子，在光路設(shè)計中采用45°激光反射棱鏡將激光從側(cè)向引入，避免了激光對CCD照相機的損傷，同時采用熒光過濾方式，大幅提高了圖像信噪比。該裝置可針對微米級流場進行精密檢測，具有較高的平面成像精度及圖像信噪比，是微觀流體檢測的重要技術(shù)。
文檔編號G01P3/38GK1588092SQ20041005392
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月18日
發(fā)明者傅新, 謝海波, 楊華勇 申請人:浙江大學(xué)