專利名稱：微影像流速儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種觀測(cè)微粒子流場(chǎng)技術(shù)，尤指一種微影像流速儀。
背景技術(shù)：
粒子影像流速儀(Particlelmage Velocimetry，PIV)被視為未來最具潛力的流速量測(cè)裝置之一，且已被許多制造商及使用者視為流場(chǎng)的重要檢測(cè)裝備，并時(shí)常與激光都卜勒流速儀搭配使用。然而，該量測(cè)裝置應(yīng)用到微小尺寸流場(chǎng)的量測(cè)或醫(yī)生量測(cè)的領(lǐng)域時(shí)，傳統(tǒng)的脈沖光源顯得龐大而累贅，甚至在某些方面可能對(duì)活體樣本造成傷害；此外復(fù)雜的維護(hù)成本與高單價(jià)也都造成對(duì)使用者運(yùn)作時(shí)的負(fù)荷，因此在運(yùn)用上便漸漸有一些取代的方法出現(xiàn)以提供使用者選用。例如傳統(tǒng)量測(cè)的情況下，光源必需經(jīng)由擴(kuò)展后散成光頁以量測(cè)面流場(chǎng)，所以欲使用連續(xù)光時(shí)，大部分設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)面鏡調(diào)制以模擬脈沖光源。
就目前應(yīng)用在微流量測(cè)上，傳統(tǒng)的方法是利用一臺(tái)高功率脈沖激光器，經(jīng)由鏡組通過光束擴(kuò)展器形成所需照明光源，最后影像再經(jīng)由一臺(tái)高速攝影機(jī)(CCD)接收，且兩者間的時(shí)間間隔則是透過一同步裝置來加以控制。然而，其缺點(diǎn)在于(1)能量高，需再經(jīng)由光衰減器降低對(duì)樣本及鏡組的傷害，且為了避免光路中不必要的聚焦，其光路設(shè)置固定而調(diào)整彈性低；(2)由脈沖激光器的體積大，故空間利用不佳，且可攜性低；(3)高速攝影機(jī)及脈沖激光價(jià)格昂貴且維護(hù)不易，往往阻礙研究的進(jìn)展及其普遍化。
另，臺(tái)灣專利案號(hào)00528857，是揭露一種微流場(chǎng)量測(cè)裝置，其雖已對(duì)上述缺點(diǎn)加以改良，但由于其所采用的連續(xù)光源的二極管激光，在連續(xù)光源調(diào)變后，能量損耗較多，使得效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是在提供一種微影像流速儀，能大幅降低成本，以提高實(shí)用性，并且避免對(duì)光學(xué)元件及樣本的傷害。
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明微影像流速儀，包括脈沖光源，是用以分別提供第一脈沖光與第二脈沖光；顯微鏡單元，是透過導(dǎo)光單元來接收第一脈沖光或第二脈沖光，供透過第一脈沖光或第二脈沖光來量測(cè)流場(chǎng)，以獲得光學(xué)量測(cè)結(jié)果；影像檢索單元，是透過影像分隔單元來選擇檢索光學(xué)量測(cè)結(jié)果；以及同步單元，是產(chǎn)生至少一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將至少一驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別送至脈沖光源與影像檢索單元，供控制脈沖光源產(chǎn)生第一脈沖光或第二脈沖光，并控制影像檢索單元選擇檢索光學(xué)量測(cè)結(jié)果。


圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的架構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的影像分隔單元示意圖；圖3(a)是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的帶狀光譜示意圖；
圖3(b)是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的線光譜示意圖；圖4是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的脈沖光與連續(xù)光在時(shí)間上的強(qiáng)度表現(xiàn)示意圖；圖5是本發(fā)明影像流速儀所取得流場(chǎng)檢測(cè)圖的示意圖；圖6為流場(chǎng)的理論分布圖；圖7是以電腦模擬軟體對(duì)流場(chǎng)檢測(cè)圖所計(jì)算而得的流場(chǎng)分布圖。
具體實(shí)施例方式
有關(guān)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，敬請(qǐng)參照?qǐng)D1顯示的架構(gòu)示意圖，其是由脈沖光源11、導(dǎo)光單元12、顯微鏡單元13、影像檢索單元14、影像分隔單元15、電腦裝置16、同步單元17以及待測(cè)流場(chǎng)18等主要構(gòu)件所組成，其中，脈沖光源11是由第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置111、第一閃光燈1131、第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置112、及第二閃光燈1132所組成，影像檢索單元14是由第一攝影機(jī)(CCD)141及第二攝影機(jī)(CCD)142所組成，于本實(shí)施例中，第一閃光燈1131及第二閃光燈1132較佳為氙氣閃光燈(Xenon FlashLamp)，第一攝影機(jī)141及第二攝影機(jī)142較佳為一般的數(shù)位曝光可調(diào)式攝影機(jī)(CCD)。
上述的第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置111與第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置112是分別與第一閃光燈1131及第二閃光燈1132相連接，而第一閃光燈1131及第二閃光燈1132則與導(dǎo)光單元12相連接，導(dǎo)光單元12的輸出端則與顯微鏡單元13相連接。于本實(shí)施例中，導(dǎo)光單元12可為耦合光纖或其他導(dǎo)光元件，顯微鏡單元13是由復(fù)數(shù)物鏡及濾光鏡組131所構(gòu)成，其原理是透過低通濾片過濾入射光后，再經(jīng)由雙色分光鏡來反射在物鏡下眾焦，以觀測(cè)待測(cè)物，繼而由待測(cè)物激發(fā)熒光，并循原光路而返回分光鏡，并由高通濾片來濾除背景，而抵達(dá)觀測(cè)位置。由于，顯微鏡單元13的動(dòng)作原理是為一般已知常識(shí)，故在此不再詳加說明。(本人將彼此連接關(guān)系作重新排列)。
顯微鏡單元13的觀測(cè)位置處則置放影像分隔單元15，分隔單元15連接至影像檢索單元14，供將顯微鏡單元13所觀測(cè)的影像分為兩部份，且將該二部份的觀測(cè)影像傳送至第一攝影機(jī)141及第二攝影機(jī)142，最后，第一攝影機(jī)141及第二攝影機(jī)142是與電腦裝置16相連接。
上述的第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置111、第一攝影機(jī)141、及第一閃光燈1131是屬于同一作動(dòng)單元，第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置112、第二攝影機(jī)142、及第二閃光燈1132則屬于另一作動(dòng)單元，亦即同步單元17分別產(chǎn)生一致能信號(hào)CH1及CH3至第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置111及第一攝影機(jī)141，以使得第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置111驅(qū)動(dòng)第一閃光燈1131以產(chǎn)生一脈沖光。繼而，透過導(dǎo)光單元12及顯微鏡單元13來對(duì)待測(cè)流場(chǎng)18加以觀察，于本實(shí)施例中，待測(cè)流場(chǎng)18較佳為具有熒光粒子的流場(chǎng)。接著，顯微鏡單元13將其所觀測(cè)的流場(chǎng)影像送至影像分隔單元15，在影像分隔單元15中具有一分光單元151，其是用來將顯微鏡單元13所傳送的流場(chǎng)影像分為兩個(gè)。由于，同步單元17所產(chǎn)生的致能信號(hào)CH3僅送到第一攝影機(jī)141，因此，第一攝影機(jī)141為觸發(fā)狀態(tài)，第二攝影機(jī)142則并未觸發(fā)，故第一攝影機(jī)141可以檢索分光單元151分光的瞬間流場(chǎng)影像，而第二攝影機(jī)142則無法檢索分光單元151分光的瞬間流場(chǎng)影像。
相同地，當(dāng)同步單元17分別送出致能信號(hào)CH2及CH4至第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置112及第二攝影機(jī)142所屬的作動(dòng)單元時(shí)，第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置112驅(qū)動(dòng)第二閃光燈1132以產(chǎn)生另一脈沖光，并由顯微鏡單元13觀測(cè)另一瞬間的流場(chǎng)影像，且由第二攝影機(jī)142檢索后，送至電腦裝置16，以將第一攝影機(jī)141及第二攝影機(jī)14；所檢索的瞬間流場(chǎng)影像存檔，或透過流場(chǎng)分析程式來分析流場(chǎng)的速度及其方向。
由上述說明可知，本發(fā)明是利用同步單元17在不同時(shí)間來同步觸發(fā)第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置111及第一攝影機(jī)141，或第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置112及第二攝影機(jī)142，供在不同時(shí)間來取得連續(xù)的流場(chǎng)影像，并利用觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)不同的特性，來使得第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置111或第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置112來互相輪流產(chǎn)生脈沖光，且亦能讓其有足夠的時(shí)間充電。
圖2是顯示影像分隔單元15的示意圖，影像分隔單元15所具有的分光單元151是設(shè)置于分光殼體23中，分光殼體23則具有復(fù)數(shù)連接洞孔231，232，供透過該等連接洞孔231，232來與圖1中的顯微鏡單元13、第一攝影機(jī)141以及第二攝影機(jī)142來相連接。在分光殼體23并具有各種微調(diào)單元22，其是用以使得第一攝影機(jī)141及第二攝影機(jī)142所檢索的流場(chǎng)影像能夠在相對(duì)位置上相同，以獲得一較佳的流場(chǎng)影像。
圖3(a)及圖3(b)是分別顯示帶狀光譜(Broad Spectrum)及線光譜(LineSpectrum)的示意圖，由于在選擇光源時(shí)，必須考量光強(qiáng)度是否足夠，以及該光源的光譜是否包含熒光粒子激發(fā)波段及脈沖半高寬(FWHM)是否夠小，基于這些特性，于本實(shí)施例中，是選擇白光光源來作為觀測(cè)流場(chǎng)的激發(fā)光源。然而，白光光源在光譜表現(xiàn)形態(tài)上可區(qū)分為帶狀光譜(如圖3(a)所示)以及線光譜(如圖3(b)所示)，由于帶狀光譜在中間波段輸出較平均且連續(xù)，因此，若再加上濾光片，則帶狀光譜的白光光源非常適合作為熒光的激發(fā)光源，故本實(shí)施例是采用屬于帶狀光譜的白光光源的氙氣閃光燈。
圖4是顯示脈沖光41與連續(xù)光42在時(shí)間上的強(qiáng)度表現(xiàn)示意圖，雖然脈沖光41功率較低，但其具有能量集中的特性，且其光強(qiáng)度能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到連續(xù)光42的三倍以上，因此脈沖光41具有較佳的特性。然而，連續(xù)光42若開啟的時(shí)間越短，則其可接收的能量就越小，此為已知采用連續(xù)光源的激光的缺點(diǎn)，因此，由上述說明可知，本發(fā)明采用脈沖光的氙氣閃光燈的確可以改善已知的缺點(diǎn)，且氙氣閃光燈在價(jià)格上及維護(hù)上皆比脈沖激光或連續(xù)光的二極管激光具有較佳的優(yōu)勢(shì)。
為驗(yàn)證本發(fā)明影像流速儀是能有效地運(yùn)作，對(duì)一個(gè)直管內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行量測(cè)。其中，本發(fā)明影像流速儀新取得流場(chǎng)檢測(cè)圖，如圖5所示；圖6是為流場(chǎng)的理論分布圖圖7是為以圖5為基礎(chǔ)，經(jīng)電腦模擬軟件所計(jì)算而得的流場(chǎng)分布圖。比較圖6及圖7即可發(fā)現(xiàn)，流場(chǎng)理論與本發(fā)明影像流速儀所取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可相互驗(yàn)證。
由以上的說明可知，本發(fā)明是更換系統(tǒng)的光源部份以及影像檢索部份的設(shè)備，并搭配相關(guān)元件以及光路的改變，能大幅降低成本，以提高實(shí)用性，并且避免對(duì)光學(xué)元件及樣本的傷害。上述實(shí)施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍非僅限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種微影像流速儀，其特征在于，包括一脈沖光源，是用以分別提供一第一脈沖光與一第二脈沖光；一顯微鏡單元，是透過一導(dǎo)光單元來接收該第一脈沖光或該第二脈沖光，供透過該第一脈沖光或該第二脈沖光來量測(cè)一流場(chǎng)，以獲得一光學(xué)量測(cè)結(jié)果；一影像檢索單元，是透過一影像分隔單元來選擇檢索該光學(xué)量測(cè)結(jié)果；以及一同步單元，是產(chǎn)生至少一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將該至少一驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別送至該脈沖光源與該影像檢索單元，供控制該脈沖光源產(chǎn)生該第一脈沖光或該第二脈沖光，并控制該影像檢索單元選擇檢索該光學(xué)量測(cè)結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的微影像流速儀，其特征在于，該脈沖光源具有一第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置與一第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置，供透過該第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置以驅(qū)動(dòng)一第一閃光燈以產(chǎn)生該第一脈沖光，并透過該第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置以驅(qū)動(dòng)一第二閃光燈以產(chǎn)生該第二脈沖光。
3.如權(quán)利要求2所述的微影像流速儀，其特征在于，該第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置是透過該第一閃光燈來與該導(dǎo)光單元相連接，該第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置是透過該第二閃光燈來與該導(dǎo)光單元相連接。
4.如權(quán)利要求2所述的微影像流速儀，其特征在于，該第一閃光燈與該第二閃光燈是為氙氣閃光燈。
5.如權(quán)利要求1所述的微影像流速儀，其特征在于，該影像檢索單元是具有一第一影像檢索器與一第二影像檢索器，該影像檢索單元是接收該至少一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，供透過該至少一驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)該第一影像檢索器或該第二影像檢索器來接收該光學(xué)量測(cè)結(jié)果。
6.如權(quán)利要求5所述的微影像流速儀，其特征在于，該第一影像檢索器與該第二影像檢索器是為攝影機(jī)。
7.如權(quán)利要求5所述的微影像流速儀，其特征在于，該影像分隔單元是置于一微調(diào)盒，其是具有一第一洞孔、一第二洞孔以及一第三洞孔，供透過該第一洞孔與該顯微鏡單元相連接，透過該第二洞孔與該第一影像檢索器相連接，透過該第三洞孔與該第二影像檢索器相連接，且該微調(diào)盒是經(jīng)由一微調(diào)修正處理來使得該第一影像檢索器與該第二影像檢索器所接收的光學(xué)量測(cè)結(jié)果一致。
8.如權(quán)利要求1所述的微影像流速儀，其特征在于，該脈沖光源具有一第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置與一第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置，以分別用來產(chǎn)生該第一脈沖光與該第二脈沖光，該影像檢索單元?jiǎng)t具有一第一影像檢索器與一第二影像檢索器，且該第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置是與該第一影像檢索器形成一第一作動(dòng)單元，該第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置是與該第二影像檢索器形成一第二作動(dòng)單元，供透過該至少一驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制該第一作動(dòng)單元或該第二作動(dòng)單元?jiǎng)幼鳌?br> 9.如權(quán)利要求8所述的微影像流速儀，其特征在于，當(dāng)該第一作動(dòng)單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，該第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)該第一閃光燈以產(chǎn)生該第一脈沖光，該第一影像檢索器則檢索該光學(xué)量測(cè)結(jié)果。
10.如權(quán)利要求8所述的微影像流速儀，其特征在于，當(dāng)該第二作動(dòng)單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，該第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)該第二閃光燈以產(chǎn)生該第二脈沖光，該第二影像檢索器則檢索該光學(xué)量測(cè)結(jié)果。
11.如權(quán)利要求1所述的微影像流速儀，其特征在于，該影像分隔單元是為分光單元。
12.如權(quán)利要求1所述的微影像流速儀，其特征在于，該影像檢索單元檢索該光學(xué)量測(cè)結(jié)果后，是將該光學(xué)量測(cè)結(jié)送至一電腦裝置，以對(duì)該流場(chǎng)加以分析。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種微影像流速儀，其是包含脈沖光源、顯微鏡單元、影像檢索單元、同步單元以及電腦裝置，其中，脈沖光源具有第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置及第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置，影像檢索單元具有第一攝影機(jī)及第二攝影機(jī)，同步單元是用以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)至脈沖光源及影像檢索單元，供透過驅(qū)動(dòng)信號(hào)來同時(shí)驅(qū)動(dòng)第一閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置及第一攝影機(jī)，或同時(shí)驅(qū)動(dòng)第二閃光燈驅(qū)動(dòng)裝置及第二攝影機(jī)，以在不同時(shí)段檢索瞬間的流場(chǎng)影像，繼而將所檢索的流場(chǎng)影像送至電腦裝置進(jìn)行分析處理。
文檔編號(hào)G01C11/00GK1627081SQ20031012017
公開日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2003年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月9日
發(fā)明者吳孟齊, 莊漢聲, 楊正財(cái) 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院