[发明专利]一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置及采集方法

说明书

本发明公开了一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置及图像采集方法，其中图像采集装置包括双脉冲激光器、分束镜、扩束模块、荧光显微镜、照明区域调节模块、CCD相机以及同步控制器，与CCD相机和双脉冲激光器连接，用于控制双脉冲激光器和CCD相机同步。脉冲激光被分束镜衰减并反射导入扩束模块，扩束后被照明区域调节模块会聚于显微镜物镜焦平面前方，调节照明区域调节模块，可以实现了照明区域大小的可调节。与现有的技术相比，本发明应用于大功率脉冲激光器作为光源，大幅提高了照明光光强，并能实现照明区域大小的调节，满足显微粒子成像测速系统对落射照明的要求，并能提高了采集图像的信噪比。

技术领域

本发明属于微尺度多相流测量技术领域，具体涉及一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置。

背景技术

近年来，微流控芯片被迅速的应用于生物医学、化工及电子集成电路等领域，如微流体诊断芯片、化学合成芯片及散热芯片等。微流控芯片的功能与芯片内部的流动特性紧密相关，速度场的测量成为研究微尺度流动中的一个重要主题，显微粒子成像测速系统(简称Micro-PIV)是目前进行微尺度流动特性研究最有效的非接触实验方法。

Micro-PIV首先要利用荧光显微镜采集微尺度通道内的荧光示踪粒子高亮度的图像，然而荧光示踪粒子大小一般在几百纳米到几个微米的尺度，且相机的帧率每秒几十帧甚至更高，所以曝光时间很短，对落射照明光源的光强要求较高，现有的荧光显微镜配有卤素灯或者汞灯落射照明光源，只能满足一般荧光生物样本的照明需要，但是无法满足Micro-PIV图像采集的照明光强的要求，需要用大功率的激光作为落射激发光源。

Micro-PIV系统的荧光显微镜采用无限远校正的光路系统，如果把激光扩束后直接导入显微镜，显微镜的落射光入口到物镜的距离超过50cm，孔径只有3cm左右，狭长的通光路径将使激光几近平行的射入物镜，被物镜会聚于显微镜物镜的焦点上，所以只能够照亮焦面上流场内中心位置非常小的区域，不能满足Micro-PIV图像采集流场范围照明要求，无法通过相机获取经显微镜观测到的流场图像。另外，由于显微镜对外接元件安装精度要求很高，要保证外接光学元件与显微镜光学元件同轴且方便调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种适用于Micro-PIV系统高帧率，短曝光时间下对落射照明光源的光强要求，同时大幅提升了获取的示踪粒子图像的信噪比的图像采集装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置，其特征在于，包括：

一双脉冲激光器(波长532nm)，作为落射照明激发光源；双脉冲激光器相比连续激光器具有较大输出功率，能够满足示踪粒子直径是几百个纳米时Micr-PIV图像采集照明光强要求，同时高照明光强提高图像的信噪比。

一分束镜，用于把双脉冲激光器产生激光脉冲衰减并反射导入扩束模块；

一扩束模块，用于激光扩束；由一个凹透镜和一个第一凸透镜组成，凹透镜和凸透镜的焦点重合，扩束倍率为第一凸透镜和凹透镜焦距的比值；

一照明区域调节模块，用于在显微镜物镜的后焦面位置前后产生发散照明激光；由第二凸透镜和第三凸透镜构成；所述第三凸透镜固定在所述荧光模块内，所述第二凸透镜的位置相对所述第三凸透镜可调；扩束后激光被第二凸透镜会聚于一点，会聚点被所述第三凸透镜成像在显微镜物镜的后方；经显微镜物镜后，会聚于显微镜物镜焦平面前方，相应的改变落在显微镜物镜前方的会聚点位置，实现了照明区域大小的可调节；

一荧光显微镜，用于放大微尺度流场及流场中的示踪粒子并对其成像；包括显微镜筒镜、显微镜物镜以及设置在显微镜筒镜与显微镜物镜之间的荧光模块；所述荧光模块包括一二向色镜，该二向色镜将所述照明区域调节模块出射的发散照明激光反射至所述显微镜物镜；