专利名称：微流体温度场测量装置及用该装置测微流体温度场的方法
技术领域：
本发明涉及一种微流体温度场测量装置，还涉及利用这种测量装置测量微流体温度场的 方法。
背景技术：
采用光学方法解决与折射率相关的流场的温度场参数测量问题，在流场温度场分布的测 量中使用广泛。使用最为广泛的有迈克耳逊干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪。
参照图l,文献l "利用迈克耳逊干涉仪研究温度场及其误差分析，《物理实验》Vot.26 No.4.温学达等"公开了一种利用迈克耳逊干涉仪进行温度场测量的装置和方法，其干涉仪光 路图光线首先在分光板1处分成两束光分别为物光、参考光；物光束经过被测物体2后， 在反射镜3处按照原方向发生反射；参考光束经过补偿镜4后，在反射镜3处按照原方向发 生反射；两束光同时汇聚到投影屏5处，产生干涉图像。
参照图2，文献2 "Application of holographic interferometry and 2D PIV for HSC convective flow diagnostics. Meas. Sci. Technol. 2004, 15: 664-672"公开了一种利用Mach-Zehnder干涉仪
进行温度场测量的装置和方法，其干涉仪光路图为光线从光源6发出，在反射镜3处发生 反射；经过扩束准直之后，在半透半反射棱镜7处一半光线直接透射出去成为物光， 一半光 线反射成为参考光。物光经过被测物体2，再经过反射镜3反射到半透半反射棱镜7上；同 时，参考光也经过反射镜3反射到半透半反射棱镜7上；物光与参考光在半透半反射棱镜7 汇聚，产生干涉图像。
迈克耳逊干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪都属于分光路系统，很容易受外界影响，当参考 光臂与物光臂的温度、空气密度或臂长不一样时，都会引起测量不确定度误差；上述干涉测 量方法对实验环境要求比较高，引起的温度测量误差一般为3'C，同时，空间分辨率在毫米 级别，所以，这两种干涉仪只适合宏观流场测量，不适合微流场的测量。
发明内容
为了克服现有技术分的分光路光学系统存在测量误差的不足，本发明提供一种微流体温 度场测量装置，采用共光路光学系统，可以消除外界因素对光路的干扰，减少测量误差。
本发明还提供利用上述测量装置测量微流体温度场的方法，采用相移干涉测量方法，可 以满足微流体芯片中微管道尺寸在微米数量级的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案 一种微流体温度场测量装置，包括光源，其 特点是，还包括起偏器、聚光镜、半透半反射棱镜、偏振分光棱镜、物镜、四分之一波片、
检偏器、CCD,光源射出的光束通过起偏器起偏，变成偏振光，再经过聚光镜，会聚成平行光 同时消除光线中的杂散光；该光线经过半透半反射棱镜，反射至偏振分光棱镜，偏振分光棱 镜将该光束剪切成振动方向正交的两束光；这两束光通过物镜，汇聚成两束平行光，该平行 光分别射到微流体芯片的不同位置，再按照原方向反射出去，通过物镜、偏振分光棱镜合成 为一束光线；该光线穿过半透半反射棱镜、四分之一波片、检偏器，最终成像在CCD革E面上。 一种上述微流体温度场测量装置的测量方法，其特点是包括以下步骤
(a) 读取由CCD拍摄的干涉图像的光强信息S;
(b) 根据关系式>S' = /。+4sin(2 —Ap)，通过旋转检偏器(14)，引入已知a,、 a2 、
3、…a"值("^3)，联立成方程组
& = Z。 + 4 sin(2q - Ap); & /0 + ; sin(2a2 - Ap); & = /。
+乙sin(2a^ — A的，
其中/。是直流背景光强；A.是交流背景光强；《是检偏器与偏振分光棱镜的夹角；A炉是微 流场相位差；
(c) 求解方程组得到相位差A^A"…&);
(d) 根据光程差AS与相位差Ap的关系Ap-^A5计算出光程差A5;其中，；i是光 源的波长；
(e) 根据关系式A^-^^/a^g计算得到折射率沿剪切方向的斜率^^;其中， Lo^是两倍微流体沟道深度，g是两束振动方向垂直的偏振光之间的剪切值；
(f) 根据折射率沿剪切方向的斜率^^,对其积分，得到n二J^血，再根据流
体温度T和折射率n之间的关系n = /(r)得到微流体绝对温度T。
本发明的有益效果是由于本发明微流体温度场测量装置，采用共光路光学系统，消除 了外界因素对光路的干扰，减少了测量误差。本发明微流体温度场测量装置的测量方法，采 用相移干涉测量方法，使得测量参数分辨率可达到1度，引起的温度测量误差由现有技术的
3'c提高到o.rc;空间分辨率由现有技术的毫米级提高到微米级，满足了微流体芯片中微管
道尺寸在微米数量级的要求。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是现有技术文献1中迈克耳逊干涉仪光路图。 图2是现有技术文献2中Mach-Zehnder干涉仪光路图。 图3是本发明微流体温度场测量装置的光路图。 图4是本发明微流体温度场测量方法的原理图。 图5是本发明微流体温度场测量方法的流程图。
图中，l-分光板，2-被测物体，3-反射镜，4-补偿镜，5-投影屏，6-光源，7-半透半反射 棱镜，8-起偏器，9-聚光镜，10-偏振分光棱镜，11-物镜，12-微流体芯片，13-四分之一波片， 14-检偏器，15-CCD。
具体实施例方式
实施例l:参照图3，本发明微流体温度场测量装置包括光源6、起偏器8、聚光镜9、 半透半反射棱镜7、偏振分光棱镜IO、物镜ll、四分之一波片13、检偏器14和CCD15。光 源6选择波长为632.8nm的氦氖激光，射出的光束通过起偏器8起偏，变成偏振光，再经过 聚光镜9，会聚成平行光同时消除光线中的杂散光。该光线经过半透半反射棱镜7， 一部分直 接射出光路系统， 一部分反射至偏振分光棱镜10。本实施例的偏振分光棱镜10为诺曼斯基 棱镜，也可以用沃拉斯顿棱镜。偏振分光棱镜IO将该光束剪切成振动方向正交的两束光，剪 切量为g。这两束光通过物镜ll，汇聚成两束平行光，该平行光分别射到微流体芯片12的不 同位置，再按照原方向反射出去，通过物镜11、偏振分光棱镜10合成为一束光线。该光线 穿过半透半反射棱镜7、四分之一波片13、检偏器14，最终成像在CCD15靶面上。
参照图4，利用本发明微流体温度场测量装置测量微流场温度，在实际情况中，微流场 温度的变化引起折射率的变化，折射率的变化又使得穿过该区域的光线的光程差A3发生变 化，从而引起相位差的变化，微分干涉显微镜把这种相位差A伊的变化转化成光强信息S的 变化，通过CCD15进行记录。对微流场温度场测量的处理步骤与实际变化关系顺序相反，是 从结果反方向分析直到得出引起变化的源头。正反两组箭头分别反映了实际情况和测量顺序。
实施例2:参照图3、 5,本发明微流体温度场测量装置的测量方法如下
一、 得到干涉图像的光强信息S。
光强信息S是通过Matlab软件直接读取由CCD15拍摄的干涉图像得到，它是需要进行 信息提取的原始数据。
二、 通过相移法，解调出微流体折射率变化引起的相位差Ap。 光强信息S与相位差Ap，有如下关系式
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中/。直流背景光强； A:交流背景光强；
a:检偏器14与偏振分光棱镜10的夹角； △p:微流场相位差。
干涉图的光强信息S包括/。、 /e、 "、 A^四个参数的信息，通过旋转检偏器14，引入
己知a,、 a2、 a3、 ..." 值("^3),联立成方程组求解。
以五歩法为例，旋转检偏器14，使"为—工，_丘，0
<formula>formula see original document page 6</formula> -求解方程组得到相位差A^: =S
5 二，则对应的光强信息S为
.)
三、 计算出光程差A5。 根据光程差A3与相位差Ap的关系
<formula>formula see original document page 6</formula>
计算出光程差A5。 其中义光源的波长。
四、 计算折射率沿剪切方向的斜率^^。
」ABCDEF禾卩丄布W肝'
一束偏振光经过偏振分光棱镜10，分成两束振动方向垂直的偏振光Z^
根据该棱镜的设计参数，这两束偏振光会形成一个微小的剪切值g，经过物镜ll，这两束偏
振光成为平行光线，再穿过微流体芯片12的不同区域，由于这些区域的折射率有差异，所以 光线反射后再按照原光路返回，会产生光程差A5:<formula>formula see original document page 6</formula> IeD￡为微流体沟道深度的两倍，
在0 + g,力到(X,力的微小区域之间，
所以，光程差A5又可以表示成为 折射率沿剪切方向的斜率
Zc加g
五、通过对折射率沿剪切方向的斜率^^积分得到微流体绝对温度T。
针对x-y平面二维温度场，即温度分布沿测试光束的传播方向不变，则引起的折射率变 化分布是一个二维的变化场。
本实施例中，微流体中待测的流体为纯水，其折射率与温度的关系式为
= 1.341-2.262x10，
根据折射率沿剪切方向的斜率^^,对其积分可以得到
根据折射率n和温度T之间的关系n = 1.341-2.262x 10—5T得到微流体绝对温度T。
权利要求
1、一种微流体温度场测量装置，包括光源，其特征在于还包括起偏器、聚光镜、半透半反射棱镜、偏振分光棱镜、物镜、四分之一波片、检偏器、CCD，光源射出的光束通过起偏器起偏，变成偏振光，再经过聚光镜，会聚成平行光同时消除光线中的杂散光；该光线经过半透半反射棱镜，反射至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将该光束剪切成振动方向正交的两束光；这两束光通过物镜，汇聚成两束平行光，该平行光分别射到微流体芯片的不同位置，再按照原方向反射出去，通过物镜、偏振分光棱镜合成为一束光线；该光线穿过半透半反射棱镜、四分之一波片、检偏器，最终成像在CCD靶面上。
2、 根据权利要求l所述的微流体温度场测量装置，其特征在于所述的偏振分光棱镜是
3、 根据权利要求l所述的微流体温度场测量装置，其特征在于所述的偏振分光棱镜是 沃拉斯顿棱镜。
4、 一种利用权利要求l所述装置测量微流体温度场的方法，其特征在于包括以下步骤(a) 读取由CCD拍摄的干涉图像的光强信息S ;(b) 根据关系式S = /。 + /tsin(2a-Ap)，通过旋转检偏器(14)，引入已知a, 、 a2 、 "3、 ...《 值(">3)，联立成方程组S2 = /0 + ; sin(2a2 - Ap)' & = /0 + : sin(2^ - A沐sin(2 -维其中/。是直流背景光强；4是交流背景光强；"是检偏器与偏振分光棱镜的夹角；Ap是微流场相位差；(c) 求解方程组得到相位差A^ A^^/(S'&'&…&);(d) 根据光程差A^与相位差A伊的关系Ap二^ 计算出光程差A^;其中，义是光 源的波长；(e) 根据关系式A5-^^/c^g计算得到折射率沿剪切方向的斜率^^;其中， 丄a^是两倍微流体沟道深度，g是两束振动方向垂直的偏振光之间的剪切值；(f) 根据折射率沿剪切方向的斜率^%^，对其积分，得到"-J"A血，再根据流& /涯g体温度T和折射率n之间的关系"=/("得到微流体绝对温度T。
全文摘要
本发明公开了一种微流体温度场测量装置，包括光源，其特点是还包括起偏器、聚光镜、半透半反射棱镜、偏振分光棱镜、物镜、四分之一波片、检偏器和CCD，光源射出的光束通过起偏器变成偏振光，再经过聚光镜会聚成平行光，该光线经过半透半反射棱镜，反射至偏振分光棱镜后被剪切成两束光；这两束光通过物镜射到微流体芯片上，再按照原方向反射，通过物镜、偏振分光棱镜、半透半反射棱镜、四分之一波片、检偏器，最终成像在CCD靶面上。由于采用共光路光学系统，消除了外界因素对光路的干扰，减少了测量误差。本发明方法采用相移干涉测量方法，使得温度测量误差由现有技术的3℃提高到0.1℃；空间分辨率由现有技术的毫米级提高到微米级。
文档编号G01J5/08GK101183027SQ20071019922
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者吕湘连, 虹 唐, 维 张, 黎永前 申请人:西北工业大学