TWI391664B - Micro - point image velocimetry and micro - point image capture method - Google Patents

Description

微質點影像測速儀及微質點影像擷取方法

本發明是有關於一種微質點測速儀，特別是指一種採用發光二極體作為光源的微質點測速儀。

流場速度資訊是分析各種流體運動特性最重要的參數之一。傳統所使用的探針置入流場量測流體流動的方法，屬侵入式的量測方法，對於流場中的流動特性必然會造成影響和干擾。為了避免侵入式流場量測技術可能產生之干擾和誤差，1980年代起，經由許多學者專家的研究而發展出質點影像測速儀(particle image velocimetry，下稱PIV)，其具備了流場全域量測(whole-field measurement)的特性，可提供觀測者更多暫態、全域流場之訊息。

隨著微流體晶片的發展，微流體量測技術也受到重視。有關微流體流場的觀測，一般是應用微質點影像測速儀(Micro-PIV，下稱μPIV)進行量測，研發人員可藉由量測到的流場資訊進行微流體晶片的流場設計。

現有μPIV主要沿用PIV的架構。PIV是將雷射光投向圓柱透鏡而形成光頁，作為觀測平面，而μPIV改以顯微鏡物鏡之聚焦平面作為觀測基準面。目前常見的μPIV是包括雙脈衝雷射(double-pulse laser)光源、具重複曝光模式的CCD相機(double exposure mode CCD camera)、顯微鏡，及流場分析系統。藉由在工作流場加入微粒，μPIV的雙脈衝雷射以相隔適當時間間距的二次閃頻對顯微鏡下的流場 提供所需光源，利用控制兩道雷射觸發之時間差，可精準控制照明間隔，且具重複曝光模式的CCD相機可於此二次閃頻照明期間，攝得二張序列質點影像(Sequential images)，接著流場分析系統利用互相關函數(cross-correlation function)針對連續二張影像計算質點的移動距離及方向，除以該二張影像間隔時間即可得到速度，可建構出完整流場。

前述μPIV以脈衝雷射作為光源，雷射的高功率與脈衝時距短等特性，有助於攝得清楚的微質點影像。但以雷射作為光源不但價格昂貴、體積龐大，且由於脈衝雷射瞬間功率極高，可能燒毀物件或傷害使用者的視力，危險性高；又因雷射屬高精密設備，維修保養及校正亦須耗費大量人力物力。由此可知，現有之μPIV應仍有改善空間。

因此，本發明之目的，即在提供一種降低成本、節省空間、安全且維修保養容易的微質點影像測速儀。

為達到上述目的，本發明微質點影像測速儀用以分析一微流體樣本，包含一光源、一顯微鏡、一環狀聚光鏡、一導光單元、一影像擷取單元，及一分析單元。

顯微鏡具有一組物鏡，該物鏡的聚焦平面為該微流體樣本的觀測基準面。環狀聚光鏡間隔地設置於該觀測基準面相反於該物鏡之一側。

光源包括一發光二極體模組。導光單元將發光二極體模組發出的光導向該環狀聚光鏡，該環狀聚光鏡使光線不 射入該物鏡且僅有該微流體樣本的散射光進入物鏡。

影像擷取單元透過該顯微鏡對該微流體樣本擷取與該光源同步之序列影像，並由分析單元依據該影像擷取單元擷取之序列影像，求得該微流體之速度場。

本發明之另一目的，在於提供一種以低成本且安全的方式取得清楚的微質點影像的微質點影像擷取方法。

為達到上述目的，本發明微質點影像擷取方法是針對一微流體樣本進行微質點影像擷取，該微流體樣本放置於一顯微鏡的物鏡的聚焦平面，該聚焦平面定義為一觀測基準面；該方法包含以下步驟：

1.對一包括一發光二極體模組之光源及一影像擷取單元發出同步控制訊號。

2.該發光二極體模組發出之光透過一導光單元導向一環狀聚光鏡，該環狀聚光鏡間隔地設置於該觀測基準面相反於該物鏡之一側，使光線不射入該物鏡且僅有該微流體樣本的散射光進入該物鏡。

3.該影像擷取單元透過該顯微鏡對該微流體樣本擷取與該光源同步之序列影像。

本發明是針對傳統微質點影像測速儀的雷射光源進行改善，但若僅是以發光二極體取代雷射光源會有功率不足而無法攝得高對比品質之影像的問題，無法針對高速移動的質點攝得確實的影像。本發明採用發光二極體並配合有環狀聚光鏡的光路設計，讓光聚焦於微流體樣本，所以只有自樣本上發出的散射光線會進入顯微鏡的物鏡，而沒有 入射光進入物鏡，無需如傳統μPIV使用濾鏡濾除入射光及進行影像後處理，就可以獲得背景雜訊極低的優質影像。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1與圖2，本發明微質點影像測速儀100之第一較佳實施例可用於分析一微流體樣本(圖未示)，其包含一光源1、一導光單元2、一環狀聚光鏡3、一顯微鏡4、一影像擷取單元5、一控制單元61，及一分析單元62。本實施例之微流體樣本流量為10μl /min，加入的螢光質點直徑為1μm 。

本實施例之控制單元61是包括安裝於電腦6內的以LabVIEW 7.0圖控程式，及美國國家儀器(National Instruments，NI)DAQ6251資料擷取卡，兩者搭配而對光源1及影像擷取單元5發出同步的控制訊號，控制曝光時間300μs ，兩次曝光之時間間隔為500μs ，但不以上述規格及參數為限。

光源1包括一發光二極體驅動電路(以下稱LED驅動電路)11，及一發光二極體模組(以下稱LED模組)12。LED驅動電路11接收該控制單元所發出的控制訊號，並利用定電流切換方式對LED模組12進行閃頻驅動，但不以定電流為限。藉由本實施例之LED驅動電路11閃頻驅動設計，最高可進行1.6MHz的閃頻驅動，意即兩次照明之最小時 間間隔最短為62.5μs ，配合LED模組12的時間響應，時間解析度可以達100μs ，足以應用於高速流場之量測。本發明不以上述參數為限，隨著選用不同效能的LED及電路可有變化。

LED模組12發出的光，透過導光單元2導向環狀聚光鏡3。本實施例的導光單元2是一光纖，但不以光纖為限，也可以是其他任何形式而能將光導入環狀聚光鏡的導光物。

顯微鏡4具有多組物鏡40，在此僅以使用中的物鏡40為主作說明。該物鏡40的聚焦平面為該微流體樣本的觀測基準面。環狀聚光鏡3即間隔地設置於該觀測基準面相反於物鏡40之一側。

本實施例之環狀聚光鏡3能形成如圖3所示的圓錐形光路。圖3中虛線所示位置為微流體樣本所在平面。藉此，經過該環狀聚光鏡3的光不會直接射入物鏡40，而是聚焦於微流體樣本，因此只有自樣本發出的散射光線會進入物鏡40。一般來說，為了獲得質點的清晰影像，會使用濾鏡將不必要的入射光濾除，但加設濾鏡會導致質點影像亮度也降低。本實施例採用環狀聚光鏡3將入射光聚光後只有自樣本散射的光線進入物鏡40的好處在於：無需額外採用濾鏡將不必要的入射光濾除，攝取得的暗視野影像，不但可確保質點影像亮度，且背景雜訊極低。此外，傳統光學儀器受制於雷利準則(Rayleigh criterion)，無法超越180nm的解析度限制；本實施例之設計則可達90nm的解析 度。

本實施例之影像擷取單元5是一電素耦合元件(CCD)質點影像測速儀雙重曝光攝影機(型號：IDT SharpVision 1300-DE)，藉控制單元61之控制訊號透過顯微鏡4對該微流體樣本擷取與該光源同步之序列影像，並由分析單元62依據序列影像求得該微流體之速度場。本實施例之分析單元62亦安裝於該電腦6，其利用互相關(cross-correlation)函數運算求得該微流體的速度場。詳言之，即取連續的兩張影像分析質點位移量，除以兩張影像的時間差可獲得質點速度及方向，進而建構出整個流場的速度場。

配合參閱圖4，本實施例所提供的微質點影像擷取方法包含以下步驟：

步驟S₁ -控制單元61對光源1及影像擷取單元5發出同步控制訊號。

步驟S₂ -光源1的發光二極體模組12發出之光透過導光單元2導向環狀聚光鏡3，環狀聚光鏡3使光線不射入顯微鏡4之物鏡40而僅有微流體樣本的散射光進入物鏡40。

步驟S₃ -影像擷取單元5透過顯微鏡4對該微流體樣本擷取與該光源同步之序列影像。

請參閱圖5，本發明第二較佳實施例與第一較佳實施例的差異在於光源1’的LED模組12’是包括分別發出紅光、藍光、綠光的至少一紅光LED 121、至少一藍光LED 122及至少一綠光LED 123，且LED驅動電路11’驅動該三種顏色的LED121、122、123循序照明流場；此外，本實施例的 影像擷取單元5’是一配合該光源1’之三種顏色光的3-CCD彩色數位攝影機，其具有獨立的紅色、藍色、綠色CCD取像晶片51、52、53，不同顏色取像晶片都具有相同解析度，於同一張影像以紅、藍、綠循序重覆曝光三次，則因3-CCD彩色數位攝影機的紅色、藍色、綠色CCD取像晶片51、52、53分別只對紅光、藍光、綠光敏感，當紅光照明流場時，只有紅色CCD取像晶片51能記錄得亮度值夠高的清楚影像；當藍光照明流場時，只有藍色CCD取像晶片52能記錄得亮度值夠高的清楚影像；當綠光照明流場時，只有綠色CCD取像晶片53能記錄得亮度值夠高的清楚影像。藉此拍攝得的紅、藍、綠三次重複曝光影像，即可得到具有相同解析度的紅色、藍色、綠色三張循序曝光的影像。由此三張序列影像可兩兩(如紅-藍、藍-綠、綠-紅)計算得兩個速度場。

當然，本發明不以本實施例為限，亦可任選兩種顏色的LED照明流場，令影像重複曝光兩次，則可分離得兩張序列影像，計算得一個速度場。應用3-CCD彩色數位攝影機的拍攝方式，不僅可拍攝得彩色影像，更增廣了攝影機的選擇範圍，在降低成本、選擇高解析度的攝影機等方面，極具優勢，而不受限於需採用具重複曝光模式的數位攝影機以從事微質點影像測速。

綜上所述，本發明採用LED作為光源配合環狀聚光鏡3的光路設計，克服一般微質點影像測速儀中雷射光源產生的缺點，在可擷取到清楚的微質點影像的前提下，提供了 成本低、節省體積、安全且維修容易的微質點影像測速儀100，又，以LED作為光源，可進一步選擇以彩色LED發出的不同顏色光循序照明流場，配合3-CCD彩色數位攝影機取得不同顏色曝光影像，有了更多樣的選擇，確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧微質點影像測速儀

40‧‧‧物鏡

1、1’‧‧‧光源

5、5’‧‧‧影像擷取單元

11‧‧‧LED驅動電路

51‧‧‧紅色CCD取像晶片

12、12’‧‧‧LED模組

52‧‧‧藍色CCD取像晶片

121‧‧‧紅光LED

53‧‧‧綠色CCD取像晶片

122‧‧‧藍光LED

6‧‧‧電腦

123‧‧‧綠光LED

61‧‧‧控制單元

2‧‧‧導光單元

62‧‧‧分析單元

3‧‧‧環狀聚光鏡

S₁ ~S₃ ‧‧‧步驟

4‧‧‧顯微鏡

圖1是本發明微質點影像測速儀之第一較佳實施例的系統架構圖；圖2是本實施例的系統方塊圖；圖3是本實施例中，環狀聚光鏡之光路示意圖；圖4是本發明微質點影像擷取方法的流程圖；及圖5是本發明微質點影像測速儀之第二較佳實施例的系統方塊圖。

100‧‧‧微質點影像測速儀

40‧‧‧物鏡

1‧‧‧光源

5‧‧‧影像擷取單元

11‧‧‧LED驅動電路

6‧‧‧電腦

12‧‧‧LED模組

61‧‧‧控制單元

2‧‧‧導光單元

62‧‧‧分析單元

3‧‧‧環狀聚光鏡

4‧‧‧顯微鏡

Claims (8)

1. 一種微質點影像測速儀，用以分析一微流體樣本，包含：一控制單元，發出控制訊號；一光源，包括一發光二極體模組及一發光二極體驅動電路，該發光二極體模組包括多種分別發出不同顏色光的發光二極體，該發光二極體驅動電路接收該控制單元所發出的控制訊號，並對該發光二極體模組進行閃頻驅動，驅動該等不同顏色的發光二極體循序發光；一顯微鏡，具有一組物鏡，該物鏡的聚焦平面為該微流體樣本的觀測基準面；一環狀聚光鏡，間隔地設置於該觀測基準面相反於該物鏡之一側；一導光單元，將該發光二極體模組發出的光導向該環狀聚光鏡，該環狀聚光鏡使光線不射入該物鏡且僅有該微流體樣本的散射光進入物鏡；一影像擷取單元，具有該等發光二極體對應顏色的電素耦合元件取像晶片，並接收該控制單元所發出的控制訊號，透過該顯微鏡對該微流體樣本擷取與該光源同步之序列影像，並對於同一張影像以該等顏色循序重複曝光；及一分析單元，依據該影像擷取單元擷取之序列影像，求得該微流體之速度場。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之微質點影像測速儀，其 中，該導光單元是一光纖。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之微質點影像測速儀，其中，該光源的發光二極體模組包括至少一紅光發光二極體、至少一藍光發光二極體，及至少一綠光發光二極體，該發光二極體驅動電路驅動該三種發光二極體循序發光。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之微質點影像測速儀，其中，該影像擷取單元具有獨立的紅色、藍色，及綠色電素耦合元件取像晶片，且當接到控制單元發出的控制訊號，即對於同一張影像以紅、藍、綠循序重覆曝光三次；配合該發光二極體模組發出不同顏色光而可得到紅色、藍色、綠色三張循序曝光的影像。
5. 依據申請專利範圍第1~4項中任一項所述之微質點影像測速儀，其中，分析單元是利用互相關函數運算求得該微流體的速度場。
6. 一種微質點影像擷取方法，針對一微流體樣本進行微質點序列影像擷取，該微流體樣本放置於一顯微鏡的物鏡的聚焦平面，該聚焦平面定義為一觀測基準面；該方法包含以下步驟：(a)對一包括一發光二極體模組之光源及一影像擷取單元發出同步控制訊號，該控制訊號傳送到該光源的一發光二極體驅動電路，該驅動電路對該發光二極體模組中多種分別發出不同顏色光的發光二極體進行閃頻驅動，使該等不同顏色的發光二極體循序發光； (b)使該發光二極體模組發出之光透過一導光單元導向一環狀聚光鏡，該環狀聚光鏡是間隔地設置於該觀測基準面相反於該物鏡之一側，使光線不射入該物鏡且僅有該微流體樣本的散射光進入該物鏡；及(c)該影像擷取單元具有對應顏色的電素耦合元件取像晶片，本步驟透過該顯微鏡對該微流體樣本擷取與該光源同步之序列影像，並對於同一張影像以該等顏色循序重複曝光。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之微質點影像擷取方法，其中，該步驟(a)中，該驅動電路是對一包括至少一紅光發光二極體、至少一藍光發光二極體，及至少一綠光發光二極體的發光二極體模組進行驅動，使三種發光二極體循序發光。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之微質點影像擷取方法，其中，該步驟(a)是對一具有獨立的紅色、藍色，及綠色電素耦合元件取像晶片的影像擷取單元發出控制訊號，且在該步驟(c)中，該影像擷取單元對於同一張影像以紅、藍、綠循序重覆曝光三次，藉此配合該發光二極體模組發出不同顏色光而可得到紅色、藍色、綠色三張循序曝光的影像。