微流场可视化测速技术及其应用
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与此同时#激 光 入 射 方 式 的 选 择 也 同 样 影 响 整体 精 度#目 前 美 国 :<\ 公 司 推 出 的 ZE2OF+ 6\[ 试 验 样 机 采 用 斜 角 入 射 方 式#但 在 多 次 试 验 中 发 现 #斜 角 入 射 方 式 会 引 起 光 强 分 布 的 不 均 匀 # 而拍摄区域中光强分布对拍摄图像质量以及后续
处 理 精 度 等 的 影 响 很 大#尤 其 在 流 场 尺 度 小 于 !##*R 时甚至会产生 图 像 无 法 有 效 拍 摄 的 问 题$ 针 对 这 一 技 术 难 点 #经 过 多 种 方 式 比 对 #确 定 采 用 激光侧向引入及 垂 直 入 射 方 式 解 决 该 问 题#其 光
万方数据
<.)=#-$*!ZE2OF+6\["RE2OFT/HEGE2.P.L-R"LO12EABQ1OLE2/-"AHR-OE21/1Q-OLHO-
#! 引 言
近!#年来&随着 Z;Z<加工技术的发展&微 流体器件及系统 得 到 了 长 足 发 展&已 经 衍 生 出 生 物芯 片’微 流 控 芯 片’微 泵’微 阀 和 微 流 量 传 感 器 等一系列具有广泛应用前景的产品和原理样 机 * (!) 与宏观流 体 机 械 相 比&微 流 体 器 件 具 有 高 表 面 积+体 积 比 ’分 子 平 均 自 由 程 与 流 道 特 征 尺 寸 之 比 增 大’表 面 效 应 及 表 面 力 作 用 明 显 等 特 点* 因此&微流体系统 的 驱 动 机 制 以 及 流 动 特 性 与 常 规流体装置存在 一 定 差 异&流 道 结 构 设 计 与 优 化 方面缺乏理论指导和有效的微流场检测手段*从 国外相关行业的 发 展 来 看&目 前 解 决 这 一 问 题 的 最有效手段是微流场的试接触式粒子图像测速技 术 $RE2OF Q1OLE2/-ER1B-N-/F2ER-LOP&ZE2OF+ 6\[%*
图 ?! 激 光 入 射 及 滤 光 光 路 设 计
?X?! 聚 焦 平 面 控 制 由于采用全场 激 光 照 明 方 式#因 此 还 必 须 解
决平面拍摄问题#即 在 微 观 流 场 中 只 拍 摄 一 定 厚 度范围内的 流 场 图 像$ 传 统 6\[ 技 术 中 采 用 片 光源来解决这一 平 面 拍 摄 问 题#片 光 源 厚 度 范 围 内的流场及示踪 粒 子 被 照 亮 并 拍 摄#而 其 他 粒 子 则因没有照明而不被 拍 摄$ 但 在 ZE2OF+6\[ 的 观 测 区 域 内 #存 在 两 方 面 问 题 #一 是 流 场 被 全 场 照 明 #所 有 粒 子 都 被 激 光 激 发 产 生 荧 光 #二 是 一 般 微 观尺度下流场特 征 尺 度 为 微 米 级#所 以 对 平 面 厚 度控制要求更高#一 般 在 几 个 微 米 甚 至 一 个 微 米 以 内 $ 针 对 这 种 情 况 #我 们 采 用 高 放 大 倍 率 %高 数 值孔径%长工作距 离 的 显 微 物 镜 来 控 制 聚 焦 平 面 厚度$显 微 成 像 技 术 中#在 聚 焦 平 面 厚 度 &即 焦 深 ’范 围 内 的 物 体 图 像 很 清 晰 #而 在 焦 深 范 围 以 外 的 物 体 图 像 则 相 对 很 模 糊 #基 本 和 背 景 图 像 一 致 # 需从图像采集装置的角度来解决平面测量问题$ 例如系统的聚焦厚 度 是 !‘’*R#那 么 在 聚 焦 层 外 的粒子至少比聚焦层内 的 粒 子 大 $’b#并 且 粒 子 亮度明显降低#因 此 很 容 易 通 过 图 像 处 理 分 离 出 聚焦平面内的粒子图像$
在 ZE2OF+6\[ 技 术 中#激 光 的 入 射 与 照 明 方式至关重要#由于常规 6\[ 技 术 中 的 片 光 源 形 式不适于微观结 构#同 时 在 微 观 流 场 的 检 测 中 必 须 采 用 显 微 拍 摄 装 置 #因 此 #结 合 显 微 机 构 的 光 学 特点#采用激光聚 焦 方 式 对 整 个 拍 摄 区 域 进 行 全 场照明$
, !!##万,方数据
以下特点!,通 过 显 微 光 学 系 统 拍 摄 微 观 尺 度 的 流 场 图 像 "- 光 源 采 用 全 场 照 射 方 式 &由 于 微 流 控 器件的尺度小于 毫 米 级&而 激 光 片 光 源 为 保 证 光 强&其厚 度 至 少 为 #‘’ RR&因 此 在 ZE2OF+6\[ 检测中无法使用 片 光 源 形 式 来 定 位 流 场 平 面&而 是采用高数值孔径$KG 数%的显微物镜控制其聚 焦 平 面 ". 采 用 亚 微 米 至 纳 米 级 荧 光 示 踪 粒 子 &为 了尽量不使示踪粒子的加入而改变原流场的流动
中 国 机 械 工 程 第 !& 卷 第 " 期 $##% 年 ’ 月 上 半 月
微流场可视化测速技术及其应用
谢海波!傅!新!杨华勇
浙 江 大 学 流 体 传 动 及 控 制 国 家 重 点 实 验 室 !杭 州 !)!##$%
摘要!介绍了一种针对微观流场检测数字粒子图像 测速 技术!通 过 添 加 荧 光 显 微 装 置!改 进 激 光 入 射与照明方式及聚焦平面控制!解决了微观检测的 关键 问题"对 微流体 器 件 中 几 种 典 型 微 管 道 进 行 了 理论与试验研究!并定量对比与分析了仿真与试验结果!结果显 示 ZE2OF+6\[ 是适 合于 微米级 流场检 测的有效试验手段"
路原理如图$所示$双脉冲激光器发射的中心波 长为’)$AR 的激光从侧向引入主光路#经过棱 镜 发射垂直入射至 观 测 区 域#荧 光 示 踪 粒 子 表 面 在 激光照射下激发中心波长为(!#AR 的荧光#连 同 反射的激光一起 返 回 至 棱 镜#棱 镜 表 面 涂 有 光 学 薄 膜 #激 光 被 全 反 射 #而 荧 光 全 透 射 $ 由 于 激 光 对 77] 的 损 伤 是 致 命 的#因 此 在 77] 的 成 像 光 路 前 添 加 一 块 长 通 滤 光 片 #再 次 截 止 激 光 #而 荧 光 几 乎 不 会 衰 减 #拍 摄 的 粒 子 图 像 信 噪 比 较 高 #背 景 杂 光与激光都不会对图像产生影响$
状况&一 般 在 微 流 体 ZE2OF+6\[ 试 验 中 使 用 的 示踪粒子直径约 为 几 十 到 几 百 纳 米&同 时 在 显 微 拍 摄 装 置 上 添 加 荧 光 滤 光 片 &滤 去 背 景 干 扰 光 线 & 使粒子图像的信 噪 比 大 幅 提 高"/ 纳 米 级 示 踪 粒 子布朗运动现象 明 显&由 于 微 流 体 本 身 特 征 尺 度 很 小 &所 以 由 布 朗 运 动 引 起 的 误 差 成 为 主 要 误 差 & 如何消除此误差成为 保 证 ZE2OF+6\[ 试 验 精 度 需要 解 决 的 关 键 问 题 * ($) 其 测 量 原 理 如 图 ! 所示*
$ 关键技术
ZE2OF+6\[ 技术 中 首 先 需 要 解 决 显 微 拍 摄 问 题wenku.baidu.com#包 括 激 光 入 射 与 照 明 方 式 %聚 焦 平 面 控 制 问 题$其次#在 ZE2OF+6\[ 图 像 处 理 中 需 要 针 对 纳米级示踪粒子布朗运动引起的误差进行处理$ 这几项技术是常规 6\[ 技术无法解决的$ ?X>! 激 光 照 明 方 式
关 键 词 !ZE2OF+6\["微 流 控 系 统 "示 踪 粒 子 "数 值 孔 径 中 图 分 类 号 !:,!)%":,!)"! ! ! 文 章 编 号 !!##*#!)$?$$##%%#"#!!####*
"+6-#K%-2+6&.H;%/.1.+;.2-)%($H2*’99&+6%2+#(+( "+6-#3&#= ".%*5-.;.(2 ?E-,1E0F!YH?EA!I1AB ,H1PFAB
等 利 !)" 用基于 多 普 勒 效 应 的 ? 光 体 层 照 相 技 术 的干涉测量法进 行 微 管 道 内 流 场 的 试 验 分 析#采 用的示 踪 粒 子 的 直 径 为 !‘%*R$ 由 于 该 试 验 是 采用单粒子测量#所 以 未 能 获 得 管 内 流 动 的 全 场 图像$<L-EAR1A!*"采用 ]6\[ 技术 进 行 了 动 脉 血 管中血液流动情 况 可 视 化 研 究#并 利 用 伪 色 彩 方 法处理得到矢量 图 像#取 得 了 动 脉 血 管 内 血 液 流 动微观状况的详细数据$浙江大学流体传动及控 制国 家 重 点 实 验 室 自 !""" 年 就 进 行 了 ZE2OF+ 6\[ 技 术 储 备 与 设 备 国 产 化 研 究#目 前 已 经 成 功 研制出国内第一台具有自 主 知 识 产 权 的 ZE2OF+ 6\[ 产品$
高数值孔径的显微物镜主要用于控制聚焦平 面 厚 度 &焦 深 ’#焦 深 的 计 算 公 式 为
!GFT "2C*+$A1 式中#2 为比例系数(* 为波长(+ 为折射率$
由上式可以看 出#通 过 增 大 数 值 孔 径 可 以 减 小 焦 深 #焦 深 一 般 控 制 在 示 踪 粒 子 直 径 的 )$’ 倍
国外从$#世纪"#年 代 初 开 始 进 行 ZE2OF+ 6\[ 方面的研究*J1A=E//FLF等 利 用 ? 光 微 成 像 技术对规则微管 道 内 的 流 速 场 进 行 了 研 究&采 用 的示踪物质是直径为!$$#*R 的微 荧光液 滴&由 于 微 液 滴 在 流 动 中 会 产 生 变 形 &尺 寸 也 相 对 过 大 & 因此 在 流 场 图 中 存 在 明 显 的 矢 量 误 差*73-A
! ZE2OF+6\[ 原理及发展
ZE2OF+6\[ 技术 是 $# 世 纪 "# 年 代 在 常 规 6\[ 基础上发展起来的一项新型微流场可视化 技 术*与传统 6\[ 相 比 较&ZE2OF+6\[ 装 置 具 有
收 稿 日 期 !$##(##’#$" 基 金 项 目 !国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 重 点 项 目 $’#))’#!#%"中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助 项 目 $$##’#)%$’’%
:3-<L1L-d-PJ10FO1LFOPFTY/HEG:O1A.RE..EFA1AG7FALOF/FT C3-KE1AB MAEN-O.ELP&,1AB=3FH&)!##$%
’7*2-%62!^ A-D Q1OLE2/-ER1B-N-/F2ER-LOPL-23AF/FBPTFORE2OFT/HEGE2G-NE2-R1G-0PRE2OF.P.W L-RL-23AF/FBPD1.QO-.-AL-GX:3-ZE2OF+6\[.P.L-R D1..-LHQ0P1GGEAB1A-QE+T/HFO-.2-A2-REW 2OF.2FQ-1AGERQOFNEABL3-/EB3L.FHO2-1AG23FF.EABL3-.Q-2E1/LPQ-FTLO12EABQ1OLE2/-XfFL3FTL3L3-FO-LE21/1AG-VQ-OER-AL1/1A1/P.-.FA.-N-O1/LPQE21/RE2OF231AA-/.FTL3- RE2OFT/HEGE2.P.L-R. D-O-QO-.-AL-GXYOFRL3-O-.H/L.&L3-ZE2OF+6\[L-23AF/FBPE.EAGE21L-GLF0-L3-RF.L-TTE2E-AL-VW Q-OER-AL1/R-L3FGTFORE2OFT/FDG-L-2LEFAX
微 流 场 可 视 化 测 速 技 术 及 其 应 用 *** 谢 海 波 ! 傅 ! 新 ! 杨 华 勇
!X跨帧 77]!$X77] 成像镜头!)X长通滤光片!*X棱镜 ’X显 微 物 镜 !(X凸 面 镜 !%X凹 面 镜 !&X双 脉 冲 激 光 器 "X反 光 镜 !!#X计 算 机 !!!X同 步 器 图>!"+6-#WKH1 测速原理图
处 理 精 度 等 的 影 响 很 大#尤 其 在 流 场 尺 度 小 于 !##*R 时甚至会产生 图 像 无 法 有 效 拍 摄 的 问 题$ 针 对 这 一 技 术 难 点 #经 过 多 种 方 式 比 对 #确 定 采 用 激光侧向引入及 垂 直 入 射 方 式 解 决 该 问 题#其 光
万方数据
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#! 引 言
近!#年来&随着 Z;Z<加工技术的发展&微 流体器件及系统 得 到 了 长 足 发 展&已 经 衍 生 出 生 物芯 片’微 流 控 芯 片’微 泵’微 阀 和 微 流 量 传 感 器 等一系列具有广泛应用前景的产品和原理样 机 * (!) 与宏观流 体 机 械 相 比&微 流 体 器 件 具 有 高 表 面 积+体 积 比 ’分 子 平 均 自 由 程 与 流 道 特 征 尺 寸 之 比 增 大’表 面 效 应 及 表 面 力 作 用 明 显 等 特 点* 因此&微流体系统 的 驱 动 机 制 以 及 流 动 特 性 与 常 规流体装置存在 一 定 差 异&流 道 结 构 设 计 与 优 化 方面缺乏理论指导和有效的微流场检测手段*从 国外相关行业的 发 展 来 看&目 前 解 决 这 一 问 题 的 最有效手段是微流场的试接触式粒子图像测速技 术 $RE2OF Q1OLE2/-ER1B-N-/F2ER-LOP&ZE2OF+ 6\[%*
图 ?! 激 光 入 射 及 滤 光 光 路 设 计
?X?! 聚 焦 平 面 控 制 由于采用全场 激 光 照 明 方 式#因 此 还 必 须 解
决平面拍摄问题#即 在 微 观 流 场 中 只 拍 摄 一 定 厚 度范围内的 流 场 图 像$ 传 统 6\[ 技 术 中 采 用 片 光源来解决这一 平 面 拍 摄 问 题#片 光 源 厚 度 范 围 内的流场及示踪 粒 子 被 照 亮 并 拍 摄#而 其 他 粒 子 则因没有照明而不被 拍 摄$ 但 在 ZE2OF+6\[ 的 观 测 区 域 内 #存 在 两 方 面 问 题 #一 是 流 场 被 全 场 照 明 #所 有 粒 子 都 被 激 光 激 发 产 生 荧 光 #二 是 一 般 微 观尺度下流场特 征 尺 度 为 微 米 级#所 以 对 平 面 厚 度控制要求更高#一 般 在 几 个 微 米 甚 至 一 个 微 米 以 内 $ 针 对 这 种 情 况 #我 们 采 用 高 放 大 倍 率 %高 数 值孔径%长工作距 离 的 显 微 物 镜 来 控 制 聚 焦 平 面 厚度$显 微 成 像 技 术 中#在 聚 焦 平 面 厚 度 &即 焦 深 ’范 围 内 的 物 体 图 像 很 清 晰 #而 在 焦 深 范 围 以 外 的 物 体 图 像 则 相 对 很 模 糊 #基 本 和 背 景 图 像 一 致 # 需从图像采集装置的角度来解决平面测量问题$ 例如系统的聚焦厚 度 是 !‘’*R#那 么 在 聚 焦 层 外 的粒子至少比聚焦层内 的 粒 子 大 $’b#并 且 粒 子 亮度明显降低#因 此 很 容 易 通 过 图 像 处 理 分 离 出 聚焦平面内的粒子图像$
在 ZE2OF+6\[ 技 术 中#激 光 的 入 射 与 照 明 方式至关重要#由于常规 6\[ 技 术 中 的 片 光 源 形 式不适于微观结 构#同 时 在 微 观 流 场 的 检 测 中 必 须 采 用 显 微 拍 摄 装 置 #因 此 #结 合 显 微 机 构 的 光 学 特点#采用激光聚 焦 方 式 对 整 个 拍 摄 区 域 进 行 全 场照明$
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以下特点!,通 过 显 微 光 学 系 统 拍 摄 微 观 尺 度 的 流 场 图 像 "- 光 源 采 用 全 场 照 射 方 式 &由 于 微 流 控 器件的尺度小于 毫 米 级&而 激 光 片 光 源 为 保 证 光 强&其厚 度 至 少 为 #‘’ RR&因 此 在 ZE2OF+6\[ 检测中无法使用 片 光 源 形 式 来 定 位 流 场 平 面&而 是采用高数值孔径$KG 数%的显微物镜控制其聚 焦 平 面 ". 采 用 亚 微 米 至 纳 米 级 荧 光 示 踪 粒 子 &为 了尽量不使示踪粒子的加入而改变原流场的流动
中 国 机 械 工 程 第 !& 卷 第 " 期 $##% 年 ’ 月 上 半 月
微流场可视化测速技术及其应用
谢海波!傅!新!杨华勇
浙 江 大 学 流 体 传 动 及 控 制 国 家 重 点 实 验 室 !杭 州 !)!##$%
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路原理如图$所示$双脉冲激光器发射的中心波 长为’)$AR 的激光从侧向引入主光路#经过棱 镜 发射垂直入射至 观 测 区 域#荧 光 示 踪 粒 子 表 面 在 激光照射下激发中心波长为(!#AR 的荧光#连 同 反射的激光一起 返 回 至 棱 镜#棱 镜 表 面 涂 有 光 学 薄 膜 #激 光 被 全 反 射 #而 荧 光 全 透 射 $ 由 于 激 光 对 77] 的 损 伤 是 致 命 的#因 此 在 77] 的 成 像 光 路 前 添 加 一 块 长 通 滤 光 片 #再 次 截 止 激 光 #而 荧 光 几 乎 不 会 衰 减 #拍 摄 的 粒 子 图 像 信 噪 比 较 高 #背 景 杂 光与激光都不会对图像产生影响$
状况&一 般 在 微 流 体 ZE2OF+6\[ 试 验 中 使 用 的 示踪粒子直径约 为 几 十 到 几 百 纳 米&同 时 在 显 微 拍 摄 装 置 上 添 加 荧 光 滤 光 片 &滤 去 背 景 干 扰 光 线 & 使粒子图像的信 噪 比 大 幅 提 高"/ 纳 米 级 示 踪 粒 子布朗运动现象 明 显&由 于 微 流 体 本 身 特 征 尺 度 很 小 &所 以 由 布 朗 运 动 引 起 的 误 差 成 为 主 要 误 差 & 如何消除此误差成为 保 证 ZE2OF+6\[ 试 验 精 度 需要 解 决 的 关 键 问 题 * ($) 其 测 量 原 理 如 图 ! 所示*
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ZE2OF+6\[ 技术 中 首 先 需 要 解 决 显 微 拍 摄 问 题wenku.baidu.com#包 括 激 光 入 射 与 照 明 方 式 %聚 焦 平 面 控 制 问 题$其次#在 ZE2OF+6\[ 图 像 处 理 中 需 要 针 对 纳米级示踪粒子布朗运动引起的误差进行处理$ 这几项技术是常规 6\[ 技术无法解决的$ ?X>! 激 光 照 明 方 式
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高数值孔径的显微物镜主要用于控制聚焦平 面 厚 度 &焦 深 ’#焦 深 的 计 算 公 式 为
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由上式可以看 出#通 过 增 大 数 值 孔 径 可 以 减 小 焦 深 #焦 深 一 般 控 制 在 示 踪 粒 子 直 径 的 )$’ 倍
国外从$#世纪"#年 代 初 开 始 进 行 ZE2OF+ 6\[ 方面的研究*J1A=E//FLF等 利 用 ? 光 微 成 像 技术对规则微管 道 内 的 流 速 场 进 行 了 研 究&采 用 的示踪物质是直径为!$$#*R 的微 荧光液 滴&由 于 微 液 滴 在 流 动 中 会 产 生 变 形 &尺 寸 也 相 对 过 大 & 因此 在 流 场 图 中 存 在 明 显 的 矢 量 误 差*73-A
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ZE2OF+6\[ 技术 是 $# 世 纪 "# 年 代 在 常 规 6\[ 基础上发展起来的一项新型微流场可视化 技 术*与传统 6\[ 相 比 较&ZE2OF+6\[ 装 置 具 有
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微 流 场 可 视 化 测 速 技 术 及 其 应 用 *** 谢 海 波 ! 傅 ! 新 ! 杨 华 勇
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