[發明專利]一種基于激光共聚焦和明場顯微鏡的多功能粒子圖像測速儀

有效

• 申請號: 201210173965.1
• 申請日: 2012-05-30
• 公開（公告）號: CN102707085A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 任煜軒;龔雷;何立群
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 許玉明;賈玉忠

技術領域

本發明屬于激光共聚焦成像以及流體力學技術領域，特別涉及一種基于激光共聚焦和明場顯微鏡的多功能粒子圖像測速儀。

背景技術

粒子成像測速法（PIV，Particle?Image?Velocimetry），是七十年代末發展起來的一種瞬態、無接觸式的流體平面多點瞬時速度的測量方法。PIV法通過連續拍攝視平面上示蹤粒子的位置來推算該顆粒的瞬態二維甚至三維速度。若示蹤粒子有足夠高的流動跟隨性，根據示蹤粒子速度場就能夠了解流場在該平面部分的運動狀態。該方法中，示蹤粒子非常重要。為加強光散射效果，成像光源一般為激光。激光顆粒測速技術自發明以來在空氣動力學等領域發揮著重要的作用，并由傳統領域，應用到微流體研究，即micro-PIV。激光顆粒測速技術本身也在這些應用中不斷的提升與發展，并在傳統的脈沖激光明場技術基礎上衍生出連續激光時序影像分析技術并完成實時切面三維成像分析技術等。近年來，由于激光共聚焦技術的發展，顯微鏡立體成像已經變得容易，與此相適應，激光共聚焦式的三維micro-PIV也開始出現，甚至出現30fps的采集速度。這里，我們提出一種明場和激光共聚焦相結合的、新型PIV觀測系統。

發明內容

本發明的目的在于：構筑一臺基于激光共聚焦和明場顯微鏡的多功能粒子圖像測速儀。在光發射二極管(LED)光源下，實現正常的明場照明成像，在激光共聚焦模式下，實現高精度微區示蹤微球的激光共聚焦成像。所發明的粒子圖像測速儀脫離商品化顯微鏡，具有結構簡單、操作方便等優點，有望在微流體、軟物質結晶生長等領域得到廣泛的應用。

本發明為了達到上述目的采用的技術方案為：一種基于激光共聚焦和明場顯微鏡的多功能粒子圖像測速儀，其構成包括激光器、第一雙凸透鏡、第二雙凸透鏡、掃描反射鏡、第三雙凸透鏡、第四雙凸透鏡、第一顯微鏡物鏡、二維電動平臺、第二顯微鏡物鏡、第五雙凸透鏡、光發射二極管、第六雙凸透鏡、可翻轉反射鏡、相機以及計算機等。

所述的激光共聚焦光路由激光器、第一平凸透鏡、第二平凸透鏡、反射鏡、第三平凸透鏡、小孔、第四平凸透鏡、第一顯微鏡物鏡、第二顯微鏡物鏡、第五雙凸透鏡以及相機等構成；所述的明場光路由LED光源、第五雙凸透鏡、可翻轉反射鏡、第一顯微鏡物鏡、第二顯微鏡物鏡、第五雙凸透鏡以及相機等構成。

樣品池放在二維電動平臺上，在計算機控制下，樣品池隨著二維電動平臺移動；所述計算機的輸入端通過信號線分別與所述的二維電動平臺以及快速相機相連；所述計算機可以快速采集并存儲相機所產生圖像序列，供后續圖像數據分析。

所述激光高精度單切面測量與明場常規測量的切換是通過翻轉反射鏡翻轉來實現的，其中計算機分兩路控制兩個測量模式下相機的開關。當第一快門關閉，第二快門打開且可翻轉反射鏡處于工作狀態時，進入明場PIV測量模式；當第一快門打開，第二電子快門關閉，且可翻轉反射鏡處于光路之外時，進入共聚焦PIV測量模式。本發明裝置在兩種工作模式下切換工作，計算機負責同步實時控制，第一顯微鏡物鏡、第二顯微鏡物鏡、第五雙凸透鏡以及相機作為兩種模式下的公用部分元件。

本發明的優點和積極效果：

1、本發明為一種通過示蹤多個微球并測量微球空間分布和速度分布信息的光學測量裝置。本發明結合明場顯微PIV與激光共聚焦顯微PIV二種功能于一體。

2、明場顯微PIV模式下，可測量較大空間范圍內微球的空間分布和速度信息。典型的橫向范圍在幾十微米到幾百微米。

3、激光共聚焦模式下，可測量激光強匯聚焦點處橫向直徑約為250nm，縱向深度約為500nm范圍內微球的位置和速度分布。可采用小至幾十納米熒光標記的納米粒子作為示蹤粒子。激光共聚焦模式下，粒子圖像測速儀具有位置探測精度高的優點。

4、本發明不使用商品化的顯微鏡，采用自行設計組裝的顯微鏡系統，大大節約了儀器研制成本。采用豎直布局的樣品池設計，有利于對樣品池位置自動控制。

附圖說明

圖1是本發明基于激光共聚焦顯微鏡的粒子圖像測速儀示意圖；

圖2是微流道樣品池的平面示意圖；

圖3是微流道樣品池在光路中的組裝圖；

圖4為明場照明PIV模式下可翻轉反射鏡處于光路中時的示意圖；

圖5為激光共聚焦模式下可翻轉反射鏡處于光路之外的示意圖；