一种基于激光共聚焦和明场显微镜的多功能粒子图像测速仪

摘要

一种基于激光共聚焦和明场显微镜的多功能粒子图像测速仪，该仪器包括激光器、第一双凸透镜、第二双凸透镜、扫描反射镜、第三双凸透镜、小孔、第四双凸透镜、可翻转反射镜、第一显微镜物镜、二维电动平台、第二显微镜物镜、第五双凸透镜、光发射二极管、第六双凸透镜、相机以及计算机，该装置能够有效地工作在激光共聚焦和明场照明两个模式；所述的计算机通过信号线分别与微流道样品池控制台、相机相连。本发明既可实现对微流体进行明场成像，也可实现对微流体中某个微区的荧光示踪粒子进行激光共聚焦成像。

说明书

技术领域

本发明属于激光共聚焦成像以及流体力学技术领域，特别涉及一种基于激光共聚焦和明 场显微镜的多功能粒子图像测速仪。

背景技术

粒子成像测速法（PIV，Particle Image Velocimetry），是七十年代末发展起来的一种瞬态、 无接触式的流体平面多点瞬时速度的测量方法。PIV法通过连续拍摄视平面上示踪粒子的位 置来推算该颗粒的瞬态二维甚至三维速度。若示踪粒子有足够高的流动跟随性，根据示踪粒 子速度场就能够了解流场在该平面部分的运动状态。该方法中，示踪粒子非常重要。为加强 光散射效果，成像光源一般为激光。激光颗粒测速技术自发明以来在空气动力学等领域发挥 着重要的作用，并由传统领域，应用到微流体研究，即micro-PIV。激光颗粒测速技术本身也 在这些应用中不断的提升与发展，并在传统的脉冲激光明场技术基础上衍生出连续激光时序 影像分析技术并完成实时切面三维成像分析技术等。近年来，由于激光共聚焦技术的发展， 显微镜立体成像已经变得容易，与此相适应，激光共聚焦式的三维micro-PIV也开始出现，甚 至出现30fps的采集速度。这里，我们提出一种明场和激光共聚焦相结合的、新型PIV观测系 统。

发明内容

本发明的目的在于：构筑一台基于激光共聚焦和明场显微镜的多功能粒子图像测速仪。 在光发射二极管(LED)光源下，实现正常的明场照明成像，在激光共聚焦模式下，实现高精度 微区示踪微球的激光共聚焦成像。所发明的粒子图像测速仪脱离商品化显微镜，具有结构简 单、操作方便等优点，有望在微流体、软物质结晶生长等领域得到广泛的应用。

本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：一种基于激光共聚焦和明场显微镜的多功 能粒子图像测速仪，其构成包括激光器、第一双凸透镜、第二双凸透镜、扫描反射镜、第三 双凸透镜、第四双凸透镜、第一显微镜物镜、二维电动平台、第二显微镜物镜、第五双凸透 镜、光发射二极管、第六双凸透镜、可翻转反射镜、相机以及计算机等。

所述的激光共聚焦光路由激光器、第一平凸透镜、第二平凸透镜、反射镜、第三平凸透 镜、小孔、第四平凸透镜、第一显微镜物镜、第二显微镜物镜、第五双凸透镜以及相机等构 成；所述的明场光路由LED光源、第五双凸透镜、可翻转反射镜、第一显微镜物镜、第二显 微镜物镜、第五双凸透镜以及相机等构成。

样品池放在二维电动平台上，在计算机控制下，样品池随着二维电动平台移动；所述计 算机的输入端通过信号线分别与所述的二维电动平台以及快速相机相连；所述计算机可以快 速采集并存储相机所产生图像序列，供后续图像数据分析。

所述激光高精度单切面测量与明场常规测量的切换是通过翻转反射镜翻转来实现的，其 中计算机分两路控制两个测量模式下相机的开关。当第一快门关闭，第二快门打开且可翻转 反射镜处于工作状态时，进入明场PIV测量模式；当第一快门打开，第二电子快门关闭，且 可翻转反射镜处于光路之外时，进入共聚焦PIV测量模式。本发明装置在两种工作模式下切 换工作，计算机负责同步实时控制，第一显微镜物镜、第二显微镜物镜、第五双凸透镜以及 相机作为两种模式下的公用部分元件。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明为一种通过示踪多个微球并测量微球空间分布和速度分布信息的光学测量装 置。本发明结合明场显微PIV与激光共聚焦显微PIV二种功能于一体。

2、明场显微PIV模式下，可测量较大空间范围内微球的空间分布和速度信息。典型的 横向范围在几十微米到几百微米。

3、激光共聚焦模式下，可测量激光强汇聚焦点处横向直径约为250nm，纵向深度约为 500nm范围内微球的位置和速度分布。可采用小至几十纳米荧光标记的纳米粒子作为示踪粒 子。激光共聚焦模式下，粒子图像测速仪具有位置探测精度高的优点。

4、本发明不使用商品化的显微镜，采用自行设计组装的显微镜系统，大大节约了仪器 研制成本。采用竖直布局的样品池设计，有利于对样品池位置自动控制。

附图说明

图1是本发明基于激光共聚焦显微镜的粒子图像测速仪示意图；

图2是微流道样品池的平面示意图；

图3是微流道样品池在光路中的组装图；

图4为明场照明PIV模式下可翻转反射镜处于光路中时的示意图；

图5为激光共聚焦模式下可翻转反射镜处于光路之外的示意图；

图中，01为激光器，02为第一双凸透镜，03为第二双凸透镜，04为反射镜，05为第 三双凸透镜，06为小孔，07为第四双凸透镜，08为第一显微镜物镜，09为二维电动平台， 10为第二显微镜物镜，11为第五双凸透镜，12为相机，13为光发射二极管，14为第六双凸 透镜，15为可翻转反射镜，16为计算机，17为第一电子快门一，18为第二电子快门二，19 为微流道样品池，20为微流道的第一进口，21为微流道的第二进口，22为微流道的出口。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包 括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要 求的全部内容。

基本实施例：

图1是本发明基于激光共聚焦显微镜的粒子图像测速仪的结构示意图，也是本发明的一 个实施例结构示意图。图示为本发明的粒子图像测速仪装置，其构成包括激光器01，第一双 凸透镜02，第二双凸透镜03，反射镜04，第三双凸透镜05，小孔06，第四双凸透镜07， 第一显微镜物镜08，二维电动平台09，第二显微镜物镜10，第五双凸透镜11，相机12， 光发射二极管13，第六双凸透镜14，可翻转反射镜15，计算机16构成。

所述激光共聚焦模式和明场模式的切换是通过切换光源、协同成像CCD以及可翻转反射 镜来实现的。可翻转反射镜15固定于一个可翻转的镜框上，通过改变镜框的位置可以实现 可翻转反射镜在工作或者不工作两种模式下的切换。当可翻转反射镜15工作时，本发明的 多功能粒子图像测速仪工作在明场照明模式，参见图4，此时LED照明光自第六双凸透镜汇 聚14以后经可翻转反射镜15反射到光路中；当可翻转反射镜15不工作时，本发明工作在 激光共聚焦显微成像模式，参见图5，此时LED照明光自第六双凸透镜14汇聚以后远离主 光路。

激光共聚焦光路PIV由激光器01、第一平凸透镜02、第二平凸透镜03、反射镜04、第 三平凸透镜05、小孔06、第四双凸透镜07、可翻转反射镜15、第一显微镜物镜08、二维 电动平台09、第五平凸透镜11以及相机12等构成。明场照明透射式PIV光路由光发射二极 管13、第六双凸透镜14、可翻转反射镜15、第一显微镜物镜08、二维电动平台09、第二 显微镜物镜10、第五双凸透镜11以及计算机12等构成。

具体实施例

本具体实施例是基本实施例的优选实施例，具体的如下：

本实施例中，所述的激光器01的出射光斑的束腰直径为1mm。在激光共聚焦模式，可 翻转反射镜处于光路之外，即光束经过第一双凸透镜02(f＝20mm)、第二双凸透镜 05(f＝160mm)、反射镜04、第三双凸透镜05(f＝200mm)、小孔06、第四双凸透镜07(f＝200mm)、 第一显微镜物镜08后，照到到样品上。样品成像自第二显微物镜10、第五双凸透镜 (f＝180mm)，照到CCD上成像。

在明场模式下，可翻转反射镜15处于光路中，LED光束经过第六双凸透镜14、再经可 翻转反射镜15反射后，经过第一显微物镜08照射到样品上。样品内颗粒散射光经过第二显 微镜物镜10、第五双凸透镜11，到达相机12。

本发明的一个重要特征是，采用自行设计的光路和自行设计的光路固定装置，脱离商品 化显微镜，简化了光路并节约了仪器的研制成本。所采用的微流道样品池19由聚丙烯酸甲 酯经紫外光刻而成，具有两个进口端20，21，一个出口端22，进口端和出口端通过T型通 道相连。采用竖直布局的微流道样品池设计，有利于控制样品池位置并实现自动加样。微流 道样品池和所述的多功能粒子图像测速仪的组装图参见图3。

本实施例中，光束中心位置保持为100mm。所有透镜、显微镜物镜、反射镜、相机的 中心高度均调节到此高度以确保光路调节的准确性。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。