一种光场Micro-PIV系统的标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光场Micro‑PIV系统的标定方法，包括如下步骤：制备内部具有示踪粒子的浓、稀标定样品；利用浓标定样品结合清晰度算法标定微透镜阵列和显微镜筒镜的距离；利用稀标定样品结合图像相似度算法标定传感器面和微透镜阵列的距离。本发明专利技术利用激光器和荧光聚苯乙烯微球代替平行白光源进行标定，可消除因入射光波长不同而带来的误差，标定精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种光场Micro-PIV系统的标定方法
本专利技术涉及一种光场Micro-PIV系统的标定方法，属于微尺度多相流测量

技术介绍
近年来，微流动器件应用成为国内外研究的热点，不同结构与功能的微流动器件具有不同的流动特性。研究表明，由于微流动器件流动特征尺度微小，流体分子间作用力、静电力等表面力效应相对增强，同时流动还受到微流体器件构型、壁面粗糙度和浸润性等因素影响，流动特性非常复杂，目前还没有合适的理论模型来对微流动器件内复杂的流动特性进行解释。流动可视化技术是微尺度流动特性研究的重要实验方法。显微粒子图像测速技术(Micro-scaleparticleimagevelocimetry，简称Micro-PIV)可以实现无干扰、整场、瞬态、定量的微尺度速度场测量。光场Micro-PIV系统在显微镜筒镜与CCD相机之间加装微透镜阵列，由于微透镜阵列的存在，光场Micro-PIV系统一次曝光即可获得微尺度流场的光场信息，进一步利用图像处理技术可以得到流场中示踪粒子的三维信息。基于这一特点，光场Micro-PIV系统可通过单相机实现瞬时三维速度场的测量。光场Micro-PIV系统要求微透镜阵列准确位于显微镜筒镜的成像面处，且CCD相机的传感器面准确位于微透镜阵列的后焦面处，此时，系统才能最大程度地获取光场的方向信息，同时可以为后续的反卷积重建提供准确的系统参数。而在实际安装微透镜阵列和CCD相机时，难以保证其处于准确位置，特别是微透镜阵列和CCD传感器之间的距离要精确到微米级别，这一精度无法通过直接测量距离的方式来实现。因此需要利用针对光场Micro-PIV系统的标定方法来准确安装微透镜阵列和CCD相机。现有标定方法多用于宏观光场PIV系统，仅针对CCD相机的传感器面和微透镜阵列的距离的标定，忽略了微透镜阵列和显微镜筒镜的距离的标定。该方法利用平行白光源来进行标定，平行白光经过微透镜被会聚，在CCD相机传感器面上形成焦斑，前后移动CCD相机，当焦斑最小时，即认为CCD相机的传感器面恰好位于微透镜阵列的后焦面处。然而利用现有标定方法进行标定时，平行白光源需直接照射微透镜阵列，而显微镜的特殊结构，导致平行白光源必须经过物镜和筒镜才能照射到微透镜阵列，现有标定方法无法用于光场Micro-PIV系统。因此，现在仍缺少针对光场Micro-PIV系统的标定方法。此外，入射光波长不同时，微透镜的焦距会产生变化，系统实际操作时采用波长584nm的单色荧光，而白光波长范围为380nm～780nm，因此，在对光场Micro-PIV系统进行标定时，不能采用平行白光源，否则会产生误差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述光场Micro-PIV系统的标定方法的缺失，而提供一种光场Micro-PIV系统的标定方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种光场Micro-PIV系统的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：制备内部具有示踪粒子的浓、稀标定样品；步骤二：选取浓标定样品，将其置于荧光显微镜的载物台上，打开激光器，通过目镜观察浓标定样品，调整其离物镜的距离，使得浓标定样品处于显微镜物镜焦面处；步骤三：将CCD相机与中继系统通过卡口相连，此时CCD相机处于中继系统后焦面，整体移动CCD相机和中继系统，调整其与微透镜阵列的距离，使微透镜阵列处于中继系统前焦面；步骤四：保持微透镜阵列、中继系统和CCD相机的相对距离不变，整体移动相机系统，改变微透镜阵列与显微镜筒镜的距离，用CCD相机记录不同距离下浓标定样品经过显微镜和微透镜阵列成像后形成的图像；步骤五：计算步骤四所得图像的清晰度评估值，当清晰度评估值最大时，固定微透镜阵列的位置，此时微透镜阵列即处于显微镜筒镜成像面；步骤六：整体平移中继系统和CCD相机，改变其与微透镜阵列的距离，直到CCD相机实时界面出现相邻子图像相切的情况，此时CCD相机的位置粗调完成；步骤七：选取稀标定样品，将其置于荧光显微镜的载物台上，通过目镜观察稀标定样品，调整其离物镜的距离，使得稀标定样品处于显微镜物镜焦面处；步骤八：转动显微镜细准焦螺旋，使得稀标定样品处于不同离焦深度，记录下不同离焦深度时，单个示踪粒子经过显微镜和微透镜阵列成像之后在CCD相机成像面形成的点扩散函数(以下简称PSF)图像；步骤九：计算步骤八所得的PSF图像与通过阿贝成像理论计算得到的相同条件下的PSF图像的相似度函数值；步骤十：整体移动中继系统和CCD相机，微调其与微透镜阵列的距离，比较不同距离下通过步骤八和九得到的图像相似度函数值，当图像相似度函数值最大时，固定中继系统和CCD相机，完成标定。步骤十中，利用笼板与笼杆对微透镜阵列、中继系统和CCD相机进行同轴固定。所述标定样品采用荧光聚苯乙烯微球制备，其中浓标定样品的浓度为20～25g/L；稀标定样品的浓度为0.02～0.025g/L。所述步骤九中，相似度函数值利用基于结构相似性的图像质量评价算法计算得到。所述步骤五中，清晰度评估值采用基于点锐度的清晰度算法计算。所述步骤八中，不同离焦深度分别为40μm、50μm、60μm、70μm、80μm和90μm。光场Micro-PIV系统主要由激光器(λ＝532nm)、荧光显微镜、相机系统和计算机组成，其中，相机系统由微透镜阵列、中继系统和CCD相机组成。CCD相机安装在中继系统后侧，中继系统前侧安装微透镜阵列，相机系统整体通过接口与荧光显微镜相连。系统的标定目的主要有两点：一是确保微透镜阵列准确位于显微镜筒镜的成像面处；二是确保CCD相机的传感器面准确位于微透镜阵列的后焦面处。此时，系统才能最大程度地获取光场的方向信息，同时可以为后续的反卷积重建提供准确的系统参数，从而实现瞬时三维速度场的测量。标定时，首先需要标定微透镜阵列和显微镜筒镜的距离，使得微透镜阵列准确位于显微镜筒镜的成像面处，然后标定CCD相机的传感器面和微透镜阵列的距离，使得CCD相机的传感器面准确位于微透镜阵列的后焦面处。如果先标定CCD相机的传感器面和微透镜阵列的距离，那么在标定微透镜阵列和显微镜筒镜的距离时，相机记录的是样品经过微透镜阵列作用之后形成的图像，为失真图像，而失真图像无法用于微透镜阵列和显微镜筒镜的距离的标定。因此，两个距离的标定要遵循先微透镜后传感器面的顺序。有益效果与现有标定方法相比，本专利技术具有如下优点：利用激光器和荧光聚苯乙烯微球代替平行白光源进行标定，可消除因入射光波长不同而带来的误差。利用浓标定样品配合基于点锐度的清晰度算法完成微透镜阵列和显微镜筒镜距离的标定，将标定与清晰度相联系，标定精度高；利用浓、稀标定样品配合基于结构相似性的图像质量评价算法完成CCD相机的传感器面和微透镜阵列的距离的标定，将标定与图像相似度相联系，标定精度高。现有标定方法是基于焦斑标定，平行白光源需直接照射微透镜阵列，而显微镜的特殊结构，导致平行白光源必须经过物镜和筒镜才能照射到微透镜阵列，因此现有标定方法无法用于光场Micro-PIV系统，采用本专利技术标定方法，最终标定精度可达6微米。附图说明图1系统结构图；图2相对距离示意图；图3清晰度评估值图；图4微透镜阵列位置标定图；图5中继镜和CCD相机位置标定图；图6图像相似度函数值图；图7实验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光场Micro‑PIV系统的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：制备内部具有示踪粒子的浓、稀标定样品；步骤二：选取浓标定样品，将其置于荧光显微镜的载物台上，打开激光器，通过目镜观察浓标定样品，调整其离物镜的距离，使得浓标定样品处于显微镜物镜焦面处；步骤三：将CCD相机与中继系统通过卡口相连，此时CCD相机处于中继系统后焦面，整体移动CCD相机和中继系统，调整其与微透镜阵列的距离，使微透镜阵列处于中继系统前焦面二步骤四：保持微透镜阵列、中继系统和CCD相机的相对距离不变，整体移动相机系统，改变微透镜阵列与显微镜筒镜的距离，用CCD相机记录不同距离下浓标定样品经过显微镜和微透镜阵列成像后形成的图像；步骤五：计算步骤四所得图像的清晰度评估值，当清晰度评估值最大时，固定微透镜阵列的位置，此时微透镜阵列即处于显微镜筒镜成像面；步骤六：整体平移中继系统和CCD相机，改变其与微透镜阵列的距离，直到CCD相机实时界面出现相邻子图像相切的情况，此时CCD相机的位置粗调完成；步骤七：选取稀标定样品，将其置于荧光显微镜的载物台上，通过目镜观察稀标定样品，调整其离物镜的距离，使得稀标定样品处于显微镜物镜焦面处；步骤八：转动显微镜细准焦螺旋，使得稀标定样品处于不同离焦深度，记录下不同离焦深度时，单个示踪粒子经过显微镜和微透镜阵列成像之后在CCD相机成像面形成的点扩散函数(以下简称PSF)图像；步骤九：计算步骤八所得的PSF图像与通过阿贝成像理论计算得到的相同条件下的PSF图像的相似度函数值；步骤十：整体移动中继系统和CCD相机，微调其与微透镜阵列的距离，比较不同距离下通过步骤八和九得到的图像相似度函数值，当图像相似度函数值最大时，固定中继系统和CCD相机，完成标定。...

【技术特征摘要】
1.一种光场Micro-PIV系统的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：制备内部具有示踪粒子的浓、稀标定样品；步骤二：选取浓标定样品，将其置于荧光显微镜的载物台上，打开激光器，通过目镜观察浓标定样品，调整其离物镜的距离，使得浓标定样品处于显微镜物镜焦面处；步骤三：将CCD相机与中继系统通过卡口相连，此时CCD相机处于中继系统后焦面，整体移动CCD相机和中继系统，调整其与微透镜阵列的距离，使微透镜阵列处于中继系统前焦面二步骤四：保持微透镜阵列、中继系统和CCD相机的相对距离不变，整体移动相机系统，改变微透镜阵列与显微镜筒镜的距离，用CCD相机记录不同距离下浓标定样品经过显微镜和微透镜阵列成像后形成的图像；步骤五：计算步骤四所得图像的清晰度评估值，当清晰度评估值最大时，固定微透镜阵列的位置，此时微透镜阵列即处于显微镜筒镜成像面；步骤六：整体平移中继系统和CCD相机，改变其与微透镜阵列的距离，直到CCD相机实时界面出现相邻子图像相切的情况，此时CCD相机的位置粗调完成；步骤七：选取稀标定样品，将其置于荧光显微镜的载物台上，通过目镜观察稀标定样品，调整其离物镜的距离，使得稀标定样品处于显微镜物镜焦面处；步骤八：转动显微镜细准焦螺旋，使得稀标定样品处...

【专利技术属性】
技术研发人员：许传龙，顾梦涛，宋祥磊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32