CN105393094B - 低成本光学高速离散测量*** - Google Patents

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Abstract

提供一种用于确定微流体通道内液滴速度或者膨胀率的***和方法。该液滴暴露在两束或者更多束时间分离的闪光中，每束闪光包括一个波段的光，并且使用探测器成像，探测器配置用于区分波段中的光。采集两幅或者更多幅液滴图像，每幅对应一束闪光，并且所有的都在一个单独的摄像帧内或者一次单独摄影曝光中。可以分别处理这些图像，并且计算每幅图像内液滴的位置或尺寸。然后通过将位置或尺寸的变化除以闪光之间允许经过的时间量来确定速度或膨胀率。

Description

低成本光学高速离散测量***
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请61/828,597的权益，其发明名称为“低成本光学高速离散测量***”，并且申请日为2013年5月29日，在这里将其内容全部引入作为参考。
背景技术
微流体方法包括使很小体积的流体通过微构造结构，并且操纵这些体积的流体执行生物或化学反应。为了形成这些反应，将样品，反应物，溶剂或者其他试剂压缩成离散液滴胶囊，体积在纳升或者更小的量级。通常将液滴沉入载液中，其中它们是相分离的，并且与载液一起运输通过微流通道。在足够小的通道内，该运输以较低的雷诺数来发生，并且呈现层流。通过例如合并液滴(引起液滴合并)，分离液滴(引起液滴分离)，将材料注射到液滴内，或者从液滴内提取材料来完成多种反应。
为了控制液滴在微流体设备中的移动，有用的是实时测量液滴通过微流体通道时的速度。类似地，对于承受注射或提取材料的液滴，有用的是测量较短时间尺度内液滴体积的变化。这些测量值被馈送到管理载液流速或者液滴操纵的多个***，从而允许基于液滴反应的优化。然而测量液滴位置或尺寸的变化是具有挑战性的，因为微流设备的较小尺寸以及液滴自身的较小尺寸。采用传统的光学仪器对独立液滴成像要求较高的放大率水平以及一个受限视场。以典型速度通过微流通道移动的液滴以快于连续摄像帧内采集两幅液滴图像的速度横穿视场。为了获得同一个液滴两幅或者更多幅图像并且测量变化，使用更成熟的光学仪器从而扩展视场，或者使用高速相机替代传统视频相机。这些解决方案都很昂贵，并且很难实施。
发明内容
本公开通常涉及用于确定移动物体的速度或膨胀率的***，以及使用彩色相机确定速度或膨胀率的方法。一些实施例中，这些***和方法被用于测量液滴流过微流通道的速度。
***包括多色光源，位于物体的一侧，以及一个光学显微镜，受到相机或探测器的监测，位于另一侧。相机聚焦于物体；光源不聚焦从而其照亮物体而不会在相机上产生光源自身的图像。
一次相机曝光过程中，需要被测量速度的物体被多束闪光连续照亮，每束闪光颜色不同。相机捕捉对象的多幅不同颜色的图像，在曝光中重叠。已知照明颜色，就可以推演出三幅物体图像，与闪光之间的时间成比例地在空间分隔开。空间分隔和已知闪光定时可以产生物体的速度测量值。
本发明的第一方面，提供一种用于确定通过微流通道液滴的速度或膨胀率的***。该***包括多色光源，配置用于发射(i)采用两种或者更多不同波段，以及(ii)时间分隔的闪光的光，从而每个闪光仅包括具有其中一个波段的光；探测器，配置用于监测和区分波段之间的光；以及一个在半透明材料中放置的微流通道。多色光源，探测器和微流通道的放置使得多色光源发出的光入射到微流通道上，以及通过微流通道并被多色光源照亮的液滴在探测器上成像。
***的一些实施例中，该多色光源为多色LED。一些实施例中，多色LED为三色LED，例如红-绿-蓝(RGB)LED或者红-绿-黄(RGY)LED。
***的一些实施例中，探测器包括电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。一些实施例中，探测器配置为检测两个或者更多个颜色通道内的光，每个颜色通道对应其中一个所述波段。某些实施例中探测器包括滤光片，其中滤光片配置为通过至少一个波段的光。滤光片可为多波段滤光片，配置用于通过两个或更多个波段的光。
某些实施例中，***还包括多色光源和微流通道之间***的源孔径。某些实施例中，***还包括在微流通道和探测器之间***的显微镜。显微镜包括第一透镜，第二透镜以及***在第一透镜和第二透镜之间的孔径光阑。多色光源，显微镜的第一透镜以及显微镜的孔径光阑布置成为使得来自多色光源的光聚焦在显微镜的孔径光阑处。
某些实施例中，***还包括压力源，与微流通道相连。
本发明的第二方面，提供一种使用上述***确定通过微流通道的液滴速度或膨胀率的方法。该方法包括如下步骤：采用多色光源发出的第一束闪光照亮液滴，其中第一束闪光包括第一波段的光；当液滴被第一束闪光照亮的时候采集液滴的第一图像；允许一定的时间经过；采用多色光源发出的第二束闪光照亮液滴，其中第二束闪光包括有别于第一波段的第二波段的光；当液滴被第二束闪光照亮时采集液滴的第二图像，其中第一图像和第二图像的采集(i)使用探测器并且(ii)作为相同的摄像帧或者相同的摄影曝光的一部分；计算第一图像和第二图像之间液滴位置或尺寸的变化；将液滴的位置或尺寸的变化除以时间量，由此确定第一和第二图像之间通过微流通道的液滴速度或膨胀率。
本方法的一些实施例中，计算第一图像和第二图像之间液滴位置或尺寸的变化包括将摄像帧或者摄影曝光内的第一图像与第二图像分离。
某些实施例中，方法包括确定液滴的速度。这些实施例中，计算液滴位置的变化包括确定液滴在第一图像中的第一重心位置以及在第二图像中液滴的第二重心位置。可替换的，或者另外，计算液滴的位置变化包括确定第一图像中液滴的第一前缘或后缘位置以及第二图像中液滴的第二前缘或后缘位置。
包括确定液滴膨胀率的方法的实施例中，计算第一图像和第二图像之间液滴尺寸的变化包括确定第一图像中液滴的第一直径和第二图像中液滴的第二直径。
一些实施例中，***还包括与微流通道相连的压力源，并且所述方法还包括基于液滴的速度或膨胀率调整压力源。
一些实施例中该方法还包括如下额外的步骤：采用多色光源发出的第三束闪光照亮液滴；当液滴被第三束闪光照亮的时候采集液滴的第三图像；其中使用探测器采集图像；选择参考图像，可以为第一图像或者第二图像；计算参考图像与第三图像之间液滴位置或尺寸的额外变化；确定采集参考图像和采集第三图像之间所经过的时间；将液滴位置或尺寸的额外变化除以所经过的时间从而确定参考图像和第三图像之间微流通道内液滴的速度或膨胀率。当包含这些额外的步骤时，第三束闪光包含有别于第一波段和第二波段的第三波段的光。可以作为相同摄像帧或者相同摄影曝光的一部分采集第三图像和参考图像。一些实施例中，采集参考图像和采集第三图像之间所经过的时间与采集第一图像和采集第二图像之间允许通过的时间量相差至少为2的因子。
附图的简要说明
附图1表示根据本发明的一些实施例的***中从多色光源到探测器的光路。
附图2表示根据本发明的一些实施例的***中从一个或多个被照亮的液滴到探测器的光路。
附图3A为一个微流通道中若干个液滴的一次单独相机曝光，液滴均匀间隔并且全部以相同的速度从左向右移动，被一系列来自红，绿和蓝LED的闪光照亮。附图3B为附图3A中曝光的示意图。
附图4A表示附图3A中被分成红色，绿色和蓝色通道的曝光。附图4B为附图4A中图像的示意图。
附图5表示与根据本发明一些实施例的***和方法一起使用的计算机***500的框图。
具体实施方式
I.总述
发明人惊喜地发现微流通道中液滴的速度或膨胀率可以通过采集一个单独摄像帧或摄影曝光中液滴的多幅图像确定。这些图像中每一幅都是从采用不同颜色的光对液滴的照亮产生的。当相机正在捕捉帧或者曝光的时候，多色光源配置用于采用多束闪光照亮液滴，每一束具有不同的颜色并且发生在不同时间。这些颜色可以与相机的颜色通道匹配，从而可以通过捕捉后的图像处理将各个图像相互区分。然后可以采用已知的闪光之间的时间计算每幅图像中液滴位置或尺寸，确定液滴的速度或膨胀率。每次闪光足够短，从而液滴在照亮过程中不会显著移动，并且获得很清晰的图像。闪光之间的时间量可以变化从而允许观察不同时间尺度中液滴的变化，并且防止顺次通过微流通道移动的不同液滴之间混淆。
II.定义
“速度”指的是物体移动的定向速率。微流液滴情况下，速度可以利用在通道内移动的液滴的速率和方向两方面详细说明(例如向右10微米/秒或者向下游50微米/秒)。可以参考物体的整体，参考物体的一部分或者参考物体上的一点，例如中心或后缘来测量或者详细说明速度。
“膨胀率”指的是物体体积变化的速率。正的膨胀率表示体积增加或增长，而负的膨胀率表示体积减少或缩小。可以由物体各维度变化推导膨胀率，例如其宽度或直径。
“微流通道”指的是其最窄维度上不大于大约5毫米的用于承载或者保留流体的通道或容器。
“波段”指的是连续、封闭的光波长范围。波段的诸末端之间的波长差别就是所谓的波段宽度。如果样品对于波段范围内的至少一个波长具有可测量的强度，那么光样品就称作落入波段范围内或者与波段重叠。如果两个波段由不同的波长范围确定，或者如果一个波段包围的光波长没有被另一个波段包围，那么两个波段称之为不同。如果两个波段相应的范围有共同的至少一个光波长，那么两个波段称之为重叠。不同的波段能重叠。
“图像”指的是一个或多个物体的虚拟呈现。
“帧”指的是摄像机记录的基本单元。“曝光”指的是静态相机记录的基本单元。这些术语可以在记录或者图像采集方面对摄像和静态拍照通用的语境下互换使用。
术语“大约”和“近似等于”在这里使用用于修饰数值并且指示该确定的范围在那个数值附近。如果“X”为数值，“大约X”或者“近似等于X”通常指的是从0.90X到1.10X的值。任何引用“大约X”指的是至少如下数值：X，0.90X，0.91X，0.92X，0.93X，0.94X，0.95X，0.96X，0.97X，0.98X，0.99X，1.00X，1.01X，1.02X，1.03X，1.04X，1.05X，1.06X，1.07X，1.08X，1.09X和1.10X。因此“大约X”目的在于公开，例如“0.98X”。当“大约”用于一个数值范围开始时，它同样适用于范围的两端。因此，“从大约6到8.5”等同于“从大约6到大约8.5”。当“大约”用于一组数值的第一个数值时，其适用于所有那组中的数值。因此，“大约7，9或11％”等同于“大约7％，大约9％，或者大约11％”。
III.***
这里提供的是用于确定通过微流通道的液滴速度或膨胀率的***。根据本发明一些实施例的***如图1和2所示。下面所述的***100，200可包括：多色光源101，配置用于发出(i)两个或多个不同波段并且(ii)时间分离的闪光的光，其中每个闪光包括所述波段中的仅一个光；探测器107，207，配置用于检测和区分在所述波段之间的光；以及微流通道208，置于半透明材料103，203之内。多色光源，探测器和微流通道放置使得多色光源发出的光入射到微流通道上以及通过微流通道并且被多色光源照亮的液滴可以在探测器上成像。
多色光源101可以为任意的光源，发出两种或者更多不同波段的光，并且具有时间分离的闪光。一些实施例中，多色光源为多色发光二极管(LED)。一些实施例中，多色光源为三色LED，例如红-绿-蓝(RGB)LED或者红-绿-黄(RGY)LED。一些实施例中，多色光源为四色LED，例如红-绿-蓝-白(RGBW)LED。目前的***中LED比较有利，因为每个LED管芯相互靠近放置，每个均可以产生一个波段的光。这样的话，只要单组的光学器件可以处理所有波段的光，不需要重新对准以在波段之间切换，并且图像伪差最小。其他可能的多色光源包括一组白炽灯泡，每个具有一个滤色片，或者一组激光器。
一些实施例中，每个波段对应一种不同的颜色，例如红色，绿色或者蓝色，并且所发射的不同波段的光可以由眼睛区分。所有其他都是相等的，当波段更窄，并且它们之间的重叠量更小的时候，来自两个波段的光通常更容易由眼睛或者使用探测器两者来区分。然而，目前***并不要求非重叠波段。一些实施例中，每个不同的波段宽度至多大约为300纳米，200纳米，100纳米，50纳米，40纳米，30纳米，20纳米或10纳米。一些实施例中，任意两个或者更多个不同波段中的两个相互重叠至多大约300纳米，200纳米，100纳米，50纳米，40纳米，30纳米，20纳米或10纳米。这里讨论的关于可见光颜色的成像，但是可见光谱外的波段也可以用于对微流液滴和其他移动物体成像。例如，多色光源可以发出与红外，可见和/或电磁光谱中紫外部分对应波长的光。
多色光源配置发出采用较短持续时间的闪光形式的光。优选的，每次闪光持续时间小于使用传统摄像机捕捉一帧所需要的时间量。在各种不同的摄像记录标准下，这一个时间量大约为1秒的1/24，1/25，1/30或者1/100。更优选的，每次闪光持续时间小于该时间量的一半或者三分之一，从而在捕捉每帧的过程中可以发生多次闪光。每次闪光足够明亮从而在环境光照条件下在探测器上形成液滴的清晰图像。
任意一种探测器107，207可以使用，其配置用于检测多色光源所发出波段的光并且区分在这些波段之间的光。探测器可以为摄像机或者静态照相机的一部分。原则上，探测器可以为照相胶卷，尽管实际上数字图像传感器允许更快更直接的图像处理并且是优选的。一些实施例中探测器包括电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。这些类型的图像传感器变形和可替换实施例对本领域技术人员来说是比较明显的。
一些实施例中，探测器检测两个或更多个颜色通道内的光，例如红色通道，绿色通道，和/或蓝色通道。通过以二维像素阵列的方式准备探测器，例如，每个像素仅对一种颜色敏感，并且多个像素采用重复的样式布置，从而实现每一通道的检测。一些情况下，按照2×2方块的形式按照贝尔滤光片马赛克布置像素，每个块中的两个像素对绿光敏感，一个像素对蓝光敏感，并且一个像素对红光敏感。可替换的滤色片阵列，例如红-绿-蓝-祖母绿(RGBE)，青绿-黄-绿-紫红(CYGM)以及红-绿-蓝-白(RGBW)滤光片，可以用于检测和区分三种颜色，四种颜色或者更多种颜色的光，包括可见光谱以外的光。不考虑它们的物理配置，对一种特定的颜色敏感的所有像素对在一种颜色通道中检测到的图像有贡献。一旦用探测器捕捉到一帧，或者曝光，那么所有颜色通道内获得的图像可以合并或者分别处理。
在现有***中可以一起选择多色光源和探测器，从而光源的颜色与探测器敏感的颜色匹配。正如下面讨论的，这种匹配使得由多色光源的每一束闪光产生的图像仅在探测器的一个颜色通道中被记录。因此来自探测器的每个捕捉的帧或者曝光可以被拆分成要素颜色通道图像，这与闪光的定时相关联。
为了达到所发出光的不同波段和探测器颜色通道之间的更好匹配，部分实施例中使用一个或多个滤光片。滤光片可以被包含作为探测器的一部分或者置于探测器前方，以接收通过微流通道的光。每个滤光片可以覆盖或者跨越整个探测器或探测器的一部分，例如一个单独的像素。每个滤光片可以减小波长范围或者从多色光源的一次单独闪光到达探测器的特定波长的光强，从而减少探测器颜色通道之间的串扰或混合。正如期望的，滤光片可以是高通，低通，带通，多带及其组合。一些实施例中，探测器包括配置使得至少一个波段的光通过的滤光片，多色光源发出的光处于上述波段内。一些实施例中，探测器包括多带滤光片，配置用于使得两个或者多个波段的光通过，其中多色光源发出的光处于上述波段内。
现有***所使用的微流通道208置于半透明材料103，203中，这样来自多色光源的光能够通过通道并到达探测器。由此，通过通道传播的液滴可以在探测器上成像。微流通道为任意尺寸，并且可以是一个较大微流设备的一部分，例如芯片。
目前的***复杂的情况下可以带有其他光学器件。一些实施例中，将源孔径102放置在多色光源和微流通道之间。源孔径限制了所发出的能够通过***其他部分的光角度范围，并且能够减少到达探测器的背景光的量。源孔径可以是虹膜，膜片，针孔或者任意其他类型的能够阻挡光从多色光源和微流通道之间的路径偏离的结构。
一些实施例中，将显微镜放置在微流通道和探测器之间。显微镜将微流通道的图像，并且/或者任意其所含有的液滴聚焦到探测器上，而不聚焦多色光源。显微镜可包含第一透镜104，204，第二透镜106，206，以及***到第一透镜和第二透镜之间的孔径光阑105，205。
任何适于该***几何形状的汇聚透镜可以用于显微镜的第一透镜和第二透镜。复合镜头如图1和2所示，但是还可以用更简单的透镜替代。可以认识到应当考虑到***的其他特征选择透镜的焦距和尺寸，其他特征例如：多色光源，微流通道和探测器之间的距离；探测器的宽度；以及随着光通过微流通道发生的散射或折射量。
第一和第二透镜之间的孔径光阑在构架上与源孔径类似，并且改善了探测器上成像的微流液滴的焦深。孔径光阑还阻隔了由多色光源产生的持续通过***的额外的光，从而减少了探测器上的背景光水平。如图1所示，一些实施例中，多色光源，显微镜的第一透镜以及显微镜的孔径光阑的位置使得多色光源的光聚焦在显微镜的孔径光阑上。这些实施例中，多色光源中，例如LED管芯或者白炽灯丝上的任何结构被聚焦在该点而不是探测器上。
附图1为完整***的一个实施例中多色光源101(多色LED)发出的光的射线追踪图。光离开LED并且通过源孔径102。然后，光到达微流芯片103中的流动通道，其为透明的，并且照亮在芯片内流动的液滴。接下来，来自LED的光通过显微镜中的第一透镜104，并且聚焦在一个点上，从孔径光阑105通过。最后，光通过第二透镜106并且不会被聚焦，从而单个的LED管芯不会在探测器107上成像。
附图2为附图1的微流芯片中照亮的液滴反射或者发送的光随着其通过***的其他部分的射线追踪图。第一透镜204将来自液滴的光线准直并且使光线通过孔径光阑205。此后第二透镜206在探测器207处形成被照亮的液滴的图像。
一些实施例中，***还包括与微流通道连接的压力源。压力源可以控制液滴和载液通过通道的速度，以及与连接到通道的其他设备和流体源共同控制液滴尺寸增加或减小的速率。基于根据如下所述的多个方法确定的通过微流通道液滴的速度或膨胀率，可以调整压力。结果是***可以顺应光学测量值的反馈从而获得一个目标速度或膨胀率。可以按照期望控制压力源，例如使用计算机或者手动地控制。如果期望的话，可以使用探测器的输入自动控制压力源。
IV.方法
这里提供的用于确定通过微流通道的液滴速度或膨胀率的方法利用了上述***。基本方法包括如下步骤：采用多色光源发出的第一闪光照亮液滴，其中第一闪光包括第一波段的光；当液滴被第一闪光照亮时采集液滴的第一图像；允许一定量的时间经过；采用多色光源发出的第二闪光照亮液滴，其中第二闪光包括第二波段的光，第二波段不同于第一波段；当液滴被第二闪光照亮时采集液滴的第二图像，其中第一图像和第二图像的采集(i)使用探测器并且(ii)作为同一个摄像帧或者同一个摄影曝光的一部分；计算第一图像和第二图像之间液滴位置或尺寸的变化；将液滴位置或尺寸的变化除以时间量，从而确定通过第一图像和第二图像之间微流通道的液滴速度或膨胀率。这些步骤可以按照它们所列出的顺序执行，或者采用不同的顺序，只要适合于获得关于移动液滴期望的信息即可。
每个照亮步骤中，将液滴照亮足够长的时间从而采集清晰的图像，但是没有长到照亮过程中液滴显著移动。部分实施例中，对闪光的持续时间进行设定从而使得液滴或者部分液滴在图像采集过程中在探测器上表现的移动不大于一个像素。可以认识到，适当的闪光持续时间取决于多色光源的强度，环境光水平以及***的光学配置。任何这些因素可以按照期望的调整从而获得移动液滴的清晰图像。适当的闪光持续时间还取决于液滴的速度和膨胀率，在执行该方法之前可能不能获得其很好的近似。相应的，可以按照经验设定闪光持续时间。
允许在第一和第二图像采集之间经过的时间量优选长于每次闪光的持续时间。例如，时间量至少长于每个闪光持续时间的大约2倍，5倍，10倍，20倍，50倍或者100倍。允许各次闪光之间经过足够的时间，从而允许观察液滴中可测量的变化，例如位置或尺寸的变化，但是并没有足够的时间使得液滴移动出探测器的视场之外。一些实施例中，采集第一和第二图像之间的时间期间，液滴移动大约其自身的宽度。可以认识到采集图像之间允许经过更长的时间可以获得液滴速度或者膨胀率的更精确的平均测量值，因为液滴位置或尺寸的变化量通常更大。然而，如果多个液滴正在通过微流通道并且立刻出现在视场中，如此长的时间量还会导致难以将图像分配给液滴。更长的时间量还要求更长的摄像帧或者摄影曝光，从而使得更多的背景光进入帧或者曝光。一些实施例中，采集第一和第二图像之间的时间量为捕捉一幅摄像帧或者摄影曝光所需时间的至多大约90％，80％，70％，60％，50％，40％，30％，20％，10％或5％。一些实施例中，时间量至多大约为200毫秒，100毫秒，50毫秒，20毫秒，10毫米，5毫秒，2毫秒或1毫秒。采集第一和第二图像之间适当的时间量可以根据经验等确定，并且按照期望测量和施加。
多色光源和探测器配置一齐操作，从而探测器捕捉同一个的摄像帧或者摄影曝光的过程中，光源发出第一闪光和第二闪光。为了建立这种配置，多色光源和探测器可以按照期望地受到控制。例如，可以使用机械，电子和/或计算装置将它们互相连接。一些实施例中，多色光源和探测器共同使用源自传统闪光照像的电路或机制，从而确保正确的闪光定时。一些实施例中，多色光源和探测器处于计算机的共同控制下，可以由执行该方法的人编程。该计算机同样可以执行图像处理。
可以按照期望地计算第一图像和第二图像之间液滴位置或尺寸的变化。优选实施例中，独立处理或分析第一和第二图像。例如，计算每幅图像中液滴的位置或尺寸，然后将所计算的数值进行比较从而计算变化。采用明显的颜色的光照明液滴的方式采集每幅图像，并且使得各个图像基于它们含有的颜色可以相互分离，或者保持分离。一些实施例中，从采集的摄像帧或者摄影曝光中提取图像。这例如可以通过将帧分解成多幅来自探测器每个颜色通道的图像来完成，或者通过软件向帧施加滤色片来完成。可替换的，并入多颜色帧之前，每个颜色通道的图像可以独立存储或者记录。
独立处理或分析第一和第二图像有助于计算短时间尺度中液滴位置或尺寸的变化。这是因为液滴在微流通道内或者探测器的视场中在短时间尺度内移动得并不是非常快。如果第一和第二图像的采集之间仅允许很少量的时间经过，那么此后将图像集成为(即重叠)一个单个帧，液滴出现在帧中两个重叠的位置。重叠会使得使用自动的图像处理算法描述液滴特征的工作变得复杂。例如，当出现两个重叠环形时，用于识别一个环形物体并且此后计算重心位置或直径的算法会失效。当液滴出现在两个非重叠位置处，应用到帧上的多个算法同样也会失效。例如，期望看到一个单独环形的算法会返回不准确的信息，如果它看到另一个环形在附近。通过基于颜色将帧分成其要素图像，或者前述的图像集成可以避免这些问题。在每一幅要素图像中，液滴作为一个单独的结构出现，附近没有其他结构，并且结构之间没有重叠。从而可以准确地计算每幅图像中液滴的位置或尺寸。
采用多种颜色的光照亮液滴并且采集每种颜色的独立图像的益处可以参考附图3A，3B，4A和4B理解。附图3A和3B表示相机的单个曝光过程中，正在被三个不同的LED快速连续地照亮的微流通道301中的多个液滴。随着液滴从左向右横穿通道，其通过一个准标302。每个液滴的三幅图像303，304，305出现在曝光中，每个具有不同的颜色并且由于被LED其中的一个照亮。这种情况下，LED闪光之间的时间大致为使液滴移动一个液滴长度所花费的时间。附图4A和4B表示附图3A和3B中的曝光被分成其红色，绿色和蓝色分量。这就是LED颜色和相机的滤色片之间的一一对应。因此，红色分量很清晰地表示当被红光照亮时每个液滴的图像403，以及类似的对于绿光404和蓝光405。这三个颜色分量的图像此后被处理以识别液滴在微流通道中的位置。
标准图像处理算法可以被施加到本方法采集的图像中。一些实施例中，为了确定液滴的速度，液滴的第一重心位置在第一图像中确定，液滴的第二重心位置在第二图像中确定。其他实施例中，通过确定液滴在第一和第二图像中的前缘和后缘位置确定速度。为了确定液滴的膨胀率，计算第一和第二图像之间的液滴尺寸变化，其包括确定每个图像中液滴的直径。如果期望，体积可以由此直径推导。其他图像处理步骤和算法对本领域技术人员来说是明显的。
可以在线执行图像处理，即图像采集后不久执行，从而可以实时产生液滴的速度或膨胀率数据。这些数据反馈回微流通道所在的微流***或者呈现给操作该***的用户，从而允许调整或者优化液滴的处理。可替换的，可以离线执行对之前所采集图像的图像处理。
一些实施例中，在探测器的坐标系中，图像处理算法以像素形式返回液滴的位置或尺寸。这些测量值可以做成绝对的，即，使用标准校准技术转化为微米或者另一种距离单位。校准包括将已知绝对尺寸的物体通过微流通道并且测量其像素形式的尺寸。可替换的，通过知道微流通道和探测器之间***的放大率，和/或探测器每个像素的宽度建立像素到微米的比率。
通过微流通道的液滴速度由液滴发生在第一和第二图像采集之间的液滴位置变化除以允许采集之间经过的时间量来确定。类似的，液滴的膨胀率由两幅图像确定的液滴之间的尺寸变化除以时间量来确定。可以认识到速度或者膨胀率分别为采集时刻之间液滴位置或尺寸的平均变化率。因此，所计算的数值并不能完全捕捉液滴不规则或者非单调移动或者增长。通过重复的对多个帧或者多次曝光中液滴成像获得关于液滴位置或尺寸变化的更多细节，只要液滴保持在视场内。通过缩短每个帧或者曝光中允许采集第一和第二图像之间经过的时间也可以获得更多的细节，条件是可观测的变化量在这段时间内发生。
如上讨论的压力源连接到微流通道的***的实施例中，目前的方法还包括根据液滴的速度或膨胀率调整压力源。例如，如果在当前的方法下测量液滴的速度高于期望的，那么降低连接到微流通道的压力从而降低后续通过微流通道的液滴速度。类似的，如果液滴膨胀率被确定为过高，由于液滴在与微流通道通讯的流体源附近逗留时间过长，那么可以提高压力。对于包含微流通道的微流***来说，可以与其他任意微流***控制参数一起调整压力源。调整压力源与图像处理一起自动进行，并且使用任意适当的反馈环路，算法，电路或机制，例如PID控制。可替换的，调整可以手动执行。
目前的方法，到此为止所讨论的，包括对每个摄像帧或摄影曝光采集微流液滴的两幅图像，但是原则上，此时可以采集任意大于或者等于两幅的图像。例如，使用第三束闪光可以采集第三个图像，其包括第三波段的光，与第一和第二波段的光不同并且可以区分开。因此，帧或者曝光可以包括与三个不同颜色对应的液滴图像，例如红色，绿色和蓝色。可以在本方法中使用的波段的数量仅受限于探测器区分每个波段的光的能力。当采集三幅或者更多幅图像，每幅图像可以对应不同的波段，或者可以执行照亮从而一个波段被使用大于一次。另外，液滴可以以多个可选连续帧的方式可视化，使得闪光的模式和波段因帧而异。
一些实施例中，上面引入的方法还包括如下步骤：采用多色光源发出的第三闪光照亮液滴；当液滴被第三闪光照亮时采集液滴的第三图像，其中使用探测器采集图像；选定一个参考图像，其中参考图像为第一图像或第二图像；计算参考图像和第三图像之间液滴位置或尺寸的额外变化；确定采集参考图像和采集第三图像之间所经过的时间；并且将液滴位置或尺寸的额外变化除以所经过的时间，从而确定参考图像和第三图像之间微流通道中液滴的速度或膨胀率。
可以在相对于第一和第二图像的任意时刻采集第三图像，尽管为了简化这里讨论的是在第一和第二图像之后进行采集。这些实施例中，可以根据期望从采集第三图像中得到什么信息选择参考图像。例如，如果液滴速度的两个测量值是感兴趣的，其中两个测量值在同一时刻开始，那么选择第一图像作为参考图像。与此不同，如果期望视场的不同区域内的测量值，那么选择第二图像作为参考图像。
不管选择哪幅图像作为参考图像，并且不管参考图像和第三图像是否采集作为相同帧的一部分，在采集参考图像和第三图像之间可以使用任意经过的时间。一些实施例中，所经过的时间与在采集液滴的第一和第二图像之间允许经过的时间量大致相同。然而另外的实施例中，所经过的时间与该时间量的差别为至少为2的因子。也就是，所经过的时间为采集第一图像和采集第二图像之间时间量的至少两倍长或者小于一半。所经过的时间可以按照期望设定，施加或者被测量。可以认识到所经过的时间受到实际的限制：例如，视场的宽度赋予了所经过时间的上限。
参考图像和所经过的时间的选择共同允许测量液滴速度或膨胀率的时间尺度的灵活性。例如，采集第一，第二，第三图像可以是等时间间隔。然后在与液滴横穿微流通道相同时间跨度范围内作出两个过剩的测量值(一个使用第一和第二图像，另一个使用第二和第三图像)。如果液滴在这些测量过程中承受速度或膨胀率的变化，那么这些变化可以通过比较测量值检测到。另一方面，如果液滴保持在恒定速度或者恒定膨胀率，那么与一个单独的测量相比，通过将两个测量值平均化，以更大的确定度获知速度或膨胀率。
可替换实施例中，采集第一，第二和第三图像，使得第一和第二图像之间的时间相对较短，第二和第三图像之间的时间相对较长。如果将第二图像作为参考图像，那么可以作出液滴速度或膨胀率的两个连续的测量值，第一个是在较短的时间尺度范围内，第二个在较长的时间尺度范围内。比较这些测量值从而检测液滴横穿微流通道时行为的变化，或者以较高的确定度测量恒定行为。
本方法还可以用于同步测量微流通道中的多个液滴。多个液滴在一个单独摄像帧或者摄影曝光中可视化，或者在帧或者曝光过程中任意数量的要素图像中可视。任意可用的图像处理技术可用于在液滴之间区分并且独立分析液滴图像。为了减轻识别各个液滴的困难，特别是当液滴通过微流通道时快速移动或者相互紧紧跟随的情况下，连续闪光之间允许经过的时间量可以被减少。尽管可以在连续的摄像帧或者摄影曝光中测量相同的液滴，当其横穿微流通道时无须追踪或者识别液滴为同一个。例如，在两个连续帧中意外出现或者偶然出现一个液滴，可以相互独立的进行分析。液滴速度或膨胀率的多个测量值可以在多个液滴和/或多个摄像帧或摄影曝光中堆积。
***和方法的公开包括通过微流通道的多个液滴。可以认识到该方法可以用于测量其他物***置和尺寸的变化，并且实际上为任意如这里所述的可被照射和成像的物体。另外，尽管发明者公开了基于波长区分闪光和这些闪光过程中采集的图像，原则上可使用其他的光的性质也能做到此。例如，每个闪光包括仅具有一个偏振的光，并且探测器可以在不同的光的偏振之间区分。可以使用任意可以呈现多个数值的光的性质，其中数值可检测，并且可以相互区分。
V.实施例
A.工作实例
高亮度多色LED(红色-绿色-蓝色-白色)被放置在微流设备中的通道下，并且具有两个透镜的数字彩色相机被放置在通道上(附图1)。多色LED方便地定制为具有与图像传感器像素上的滤色片紧密配合的颜色的光。多色LED还通过具有非常靠近的不同色彩的发射器来简化了图像分析，从而通过每个不同颜色对物体形成相似照亮。透镜的焦距和位置被选择以产生通道内多个液滴的清晰图像。将光阑放置在LED上方从而限制发射的光发散出来。第二光阑被放置在两个透镜之间从而通过增加相机图像在通道的场深改善相机的图像质量。在靠近微流通道的透镜上，设定焦距以在两个透镜之间的光阑处形成LED管芯的图像。
四色LED中的三个-红色，绿色和蓝色被用于照亮液滴，从而液滴可以在相机上成像(附图2)。三个LED管芯中每一个连续地被闪烁一段较短的时间，从而所有的三种颜色在相机单个曝光的时间段内闪烁。任意大于一种数量的颜色会取得类似的结果。为了将背景噪声最小化，每次相机的曝光在序列的第一闪光之前很快开始，并且最后的闪光之后很快结束。由此曝光具有重叠的红色，绿色和蓝色图像(附图3A和3B)。一系列闪光的总时间选择短于液滴移动通过相机视场所花费的时间。每次闪光的持续时间选择得足够短，从而闪光期间液滴的移动不大于单个相机像素的距离。因此每个液滴图像保持清晰，并且并不会由于移动变得模糊。每次曝光中的所有三次闪光持续时间相同。
选择颜色闪光之间的时间，从而液滴移动通过相机视场若干数量的像素。由此曝光具有每个液滴在通道的三个离散位置处的三幅图像。该实例中，每次曝光中闪光之间的时间是相同的，但是这些可以做成不同的从而允许更大动态范围的速度测量。估计液滴速度从而设定闪光的时间间隔，然后作出速度的准确测量值。
当曝光被分成其红色，绿色和蓝色分量的时候(附图4A和4B)，每个分量图像具有每个液滴的单独的图像。然后对每个颜色分量图像施加处理从而计算每个液滴的尺寸和重心位置。由光学放大率(M)，每个像素的宽度(w)，液滴在两个连续分量图像之间移动的像素距离(d)和LED闪光之间的时间(t)计算液滴的速度(v)：v＝-(w/M)*(d/t)。
典型的彩色相机传感器为光传感器阵列，其具有对整个可见光谱的敏感度。利用一种类型的滤色片，仅对通过滤光片的光敏感的特定的像素被提出。最典型的模式为重复方块2×2像素，其中每一个像素分别对蓝色和红色光敏感，并且两个对绿光敏感。采用数字方式呈现的彩色图像是最常见和类似的，每个通道具有三个强度，记录为红光，绿光和蓝光，然后可以在监视器或其他设备上再现用于观察。多色LED广泛使用，具有类似的一组红色，绿色和蓝色色彩发射器。通过同时打开这些发射器并且改变它们的强度，可以使用多色LED产生可被人眼可感觉到的很多颜色的光。
现在的实例中RGB LED闪光从而激发相机上的RGB像素。每次曝光可以由相机软件处理并且分成要素RGB图像平面，因此可以非常直接提取三色图像。通常，可以使用任意一组相对于成像器的三色敏感度正交的三种颜色。考虑到相机中的不平衡色彩敏感度，除了匹配的红色，绿色和蓝色以外的选择可以用于改进信号质量，或者在传感器上使用不同的滤光片样式，从而获得分离图像中最佳可能的分辨率。
B.预示实例
一个具有1000个像素宽度的探测器的RGB相机用于观测通过微流通道的液滴。当在探测器上成像时液滴宽度为20个像素并且在0.01秒之内通过视场传播。也就是该液滴每秒通过100,000个像素。相机的最少曝光时间为0.001秒，在此过程中液滴会移动100个像素。因此相机在恒定照射条件下的一次曝光内太慢而无法捕捉一幅可用的液滴图像。另外，相机的最大帧速率仅为每秒100帧，因此，液滴待在视场中的时间不够长去捕捉两次曝光。然而目前的方法下，液滴可以暴露在多次闪光中，每个具有不同的波段(颜色)，并且具有10微秒的持续时间。如果闪光间隔40微秒，获得的有效的帧速率为20,000帧/秒，并且有效的曝光时间为10微秒。这些特征在相机自身控制下无法获得。可以在单次曝光内的多个位置处成像该液滴，从而两个或更多个位置能够处于视场内，并且任意位置的液滴不会表现出模糊。
VI.计算机***
任何一个这里提到的计算机***可能利用任意适当数量的子***。这种子***的实例在图5的计算机设备500中示出。一些实施例中，计算机***包括单个计算机设备，其中子***为计算机设备的多个组件。另外的实施例中，计算机***包括多台计算机设备，每一个为一个具有内部元件的子***。
附图5所示子***通过***总线575互连。另外的子***，如打印机574，键盘578，(多个)存储设备579，与显示适配器582连接的监视器576以及其他等表示出来。***和输入/输出(I/O)设备，与I/O控制器571连接，可以采用任意数量的本领域也已知的手段与计算机***连接，例如串行端口577。例如，串行端口577或外部接口581(例如，以太网，Wi-Fi等)可以用于将计算机***500连接到广域网，例如因特网，鼠标输入设备或者扫描仪。通过***总线575的互连使得中央处理器573可以与每个子***通信，并且控制来自***存储器572或者存储设备579(例如，固定盘，例如硬盘或光盘)的指令的执行，以及子***之间的信息交换。***存储器572和/或存储设备579具体形式为计算机可读介质。任何这里提到的数据可以从一个元件输出到另一元件，并且可以输出给用户。
计算机***包括多个相同的元件或子***，例如，通过外部接口581或者内部接口连接在一起。一些实施例中，计算机***，子***或者设备可以在网络上通讯。这些实施例中，将一台计算机认为是客户，另一台计算机认为是服务器，其中每一个都是相同计算机***的一部分。用户和服务器每个都包括多个***，子***或元件。
应当理解得是，采用使用硬件(例如，专用集成电路应用或现场可编程门阵列)的控制逻辑形式和/或使用模块化或者集成形式的带有通用可编程处理器的计算机软件可以实施本发明的任意实施例。作为这里的用户，处理器包括同一个集成芯片上的多核处理器，或者一个单独电路板上的多处理单元或者网络化。基于所公开的内容和这里提供的教导，本领域技术人员应当知晓并且理解使用硬件和硬件加软件的组合可以采用其他方式和/或方法来实施本发明的实施例。
任意本申请中所述的软件组件或功能可以实施为处理器执行的软件代码，代码使用适当的计算语言，例如Java，C++或者Perl语言，例如使用传统的或者面向对象的技术。软件代码被存储为一系列指令或者计算机可读介质上的命令用于存储和/或传输，适当的介质包括随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，磁性介质，例如硬盘或软盘，或者光学介质例如压缩盘(CD)或者DVD(数字万能光盘)，闪存，等。计算机可读介质可以是这些存储或传输设备的组合。
这些程序也会被解码并且使用适于通过有线，光学和/或无线网络传输的载波信号进行传输，网络遵守很多协议，包括因特网。因此，根据本发明一个实施例的计算机可读介质可以由使用该程序编码的数据信号产生。采用程序代码编码的计算机可读介质采用可兼容设备打包或者与其他设备分隔开(例如通过因特网下载)提供。任何这样的计算机可读介质可以停留在一个单独的计算机产品(例如，硬驱动，CD，或整个计算机***)上或者内部，并且在***或网络内的不同计算机产品上或者内部出现。计算机***包括监视器，打印机或者其他适当的用于向用户提供任意这里提到的结果的显示装置。
任意这里所述的方法可以全部或者部分的采用包含一个或多个处理器的计算机***执行，可以配置执行多个步骤。因此，实施例指向配置用于执行这里所述方法任意多个步骤的计算机***，可能采用不同的元件执行相应的多个步骤或者相应的一组步骤。尽管作为编号的步骤出现，这里方法的步骤可以同时执行或者采用不同的顺序执行。另外，这些步骤中的多个部分可以与其他方法的其他步骤的多个部分一起使用。同样的，一个步骤的整体或多个部分是可选的。另外，任意多个方法的任意多个步骤可以采用模块，电路或者用于执行这些步骤的其他装置执行。
***
这里引用的所有的文件(例如，专利，专利申请，书籍，期刊文章，或者其它出版物)全部引用并入作为参考，并且出于所有的目的，在相同的范围内，如同特定或者单独指示每一份单独文件出于所有的目的全部引入作为参考。在这些文件并入作为参考与说明书中含有的公开内容抵触的程度上，说明书意在取代和/或作为首要问题处理任意相抵触的材料。
在不偏离其精神和范围的情况下可以对本发明作出很多修改和变形，这对本领域技术人员来说是很明显的。这里所述的特定实施例仅采用举例的方式给出，其并不是采用任意方式来限制。其目的在于将说明和实施例仅作为实例，本发明的真实范围和精神由如下权利要求指示。

Claims (20)

1.一种用于确定通过微流通道的液滴的速度或膨胀率的***，所述***包括：
多色光源，配置用于发射具有(i)两个或多个不同波段的以及(ii)时间分隔闪光的光，其中每个闪光仅包括其中一个所述波段的光；
探测器，配置用于检测和区分所述波段的光并且还被配置用于在所述不同波段下收集通过所述微流通道的液滴的至少第一图像和第二图像，其中所述探测器包括具有像素阵列的图像传感器，每个像素仅对一种颜色敏感；
滤光片，被定位成接收通过所述微流通道的光，所述滤光片被配置用于减小从多色光源的每个闪光到达所述探测器的波长范围或者特定波长处的光强；以及
微流通道，置于半透明材料中，
其中多色光源，探测器和微流通道的位置使得：
多色光源发出的光照射到微流通道，以及
通过微流通道并且被多色光源照亮的液滴在探测器上成像，并且
其中所述***被配置用于通过将摄像帧或者摄影曝光内的第一图像与第二图像分离、确定第一图像中液滴的第一重心位置以及第二图像中液滴的第二重心位置或者确定第一图像中液滴的第一直径和第二图像中液滴的第二直径或者它们的组合，来计算第一图像和第二图像之间液滴的位置或尺寸的变化。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述多色光源为多色LED。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述多色LED为三色LED。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述探测器包括电荷耦合器件(CCD)或者互补性金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述探测器配置用于检测两个或多个颜色通道的光，每个颜色通道对应其中一个所述波段。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述滤光片包括多带滤光片，配置用于使两个或更多个波段的光通过。
7.根据权利要求1所述的***，还包括***到多色光源和微流通道之间的源孔径。
8.根据权利要求1所述的***，还包括***微流通道和探测器之间的显微镜。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，显微镜包括第一透镜，第二透镜，***所述第一透镜和所述第二透镜之间的孔径光阑。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述多色光源，显微镜的所述第一透镜，以及显微镜的所述孔径光阑放置使得来自多色光源的光聚焦在显微镜的孔径光阑处。
11.根据权利要求1所述的***，还包括连接到微流通道的压力源。
12.一种确定通过置于半透明材料中的微流通道的液滴的速度或膨胀率的方法，所述方法包括：
采用多色光源发出的第一闪光照亮液滴，其中多色光源被配置用于发射具有(i)两个或多个不同波段的以及(ii)时间分隔闪光的光，其中每个闪光仅包括其中一个所述波段的光，并且其中所述第一闪光包括第一波段的光；
当液滴被第一闪光照亮时通过探测器采集液滴的第一图像，所述探测器被配置用于检测和区分所述波段的光，其中所述探测器包括具有像素阵列的图像传感器，每个像素仅对一种颜色敏感；
过滤来自所述多色光源通过滤光片的光，所述滤光片被定位成接收通过所述微流通道的光，所述滤光片被配置用于减小从多色光源的每个闪光到达所述探测器的波长范围或者特定波长处的光强，其中多色光源，探测器和微流通道的位置使得：多色光源发出的光照射到微流通道并且通过微流通道并被多色光源照亮的液滴在探测器上成像；
允许经过一定时间量；
采用多色光源发出的第二闪光照亮液滴，其中所述第二闪光包括第二波段的光，第二波段与所述第一波段不同；
当液滴被第二闪光照亮时采集液滴的第二图像，其中第一图像和第二图像的采集(i)使用探测器并且(ii)作为相同的摄像帧或者相同的摄影曝光的一部分；
通过将摄像帧或者摄影曝光内的第一图像与第二图像分离、确定第一图像中液滴的第一重心位置以及第二图像中液滴的第二重心位置或者确定第一图像中液滴的第一直径和第二图像中液滴的第二直径或者它们的组合，来计算第一图像和第二图像之间液滴的位置或尺寸的变化；并且
将液滴的位置或尺寸的变化除以所述时间量，从而确定在第一图像和第二图像之间通过微流通道的液滴的速度或膨胀率。
13.根据权利要求12所述的方法，包括确定液滴的速度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，计算液滴的位置变化包括确定第一图像中液滴的第一前缘和后缘以及第二图像中液滴的第二前缘和后缘。
15.根据权利要求12所述的方法，包括确定液滴的膨胀率。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，***还包括连接到微流通道的压力源，并且该方法还包括基于液滴的速度或膨胀率调整压力源。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：
采用多色光源发出的第三闪光照亮液滴；
当液滴被第三闪光照亮时采集液滴的第三图像，其中使用所述探测器采集所述图像；
选择参考图像，其中参考图像为第一图像或第二图像；
计算参考图像与第三图像之间液滴的位置或尺寸的额外变化；
确定采集参考图像和采集第三图像之间所经过的时间；并且
将液滴的位置或尺寸的额外变化除以所经过的时间，以确定参考图像和第三图像之间的微流通道内液滴的速度或膨胀率。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第三闪光包括第三波段的光，第三波段与第一波段和第二波段不同。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第三图像和参考图像作为相同的摄像帧或者相同的摄影曝光的一部分采集。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，采集参考图像和采集第三图像之间经过的时间与采集第一图像和采集第二图像之间允许经过的时间量相差至少2的因子。
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