【摘 要】
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极限环境下的科学研究对于探索物质的物理化学基本规律、研究物质演变过程具有重要意义。特别是在超重力的条件下,可增大物质的体积力、缩小尺寸,加速物质的演化过程,是短时间观测目标对象长期、复杂变化规律的常用技术手段。而微流控芯片作为构建于芯片上的微流路系统,具有结构复杂、高通量、分析速度快等特点,观测其在超重力环境下的物理规律和生化反应是诸多光学、化学和生物医学等领域专业研究的基础。对超重力环境下的微流
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极限环境下的科学研究对于探索物质的物理化学基本规律、研究物质演变过程具有重要意义。特别是在超重力的条件下,可增大物质的体积力、缩小尺寸,加速物质的演化过程,是短时间观测目标对象长期、复杂变化规律的常用技术手段。而微流控芯片作为构建于芯片上的微流路系统,具有结构复杂、高通量、分析速度快等特点,观测其在超重力环境下的物理规律和生化反应是诸多光学、化学和生物医学等领域专业研究的基础。对超重力环境下的微流控芯片的形貌和现象进行观测,需要研制特殊结构的显微成像系统,该系统不但需要具有高的成像分辨率和放大倍率,还对机械结构的刚性和应力提出了非常高的要求。本文研制了一款可以承受50g超重力的50X显微光学成像系统,在保证机械结构高刚性的条件下,将系统的整机尺寸压缩至360mm×300mm×259mm。本文的主要工作如下:1、计算了显微成像系统的基本工作参数,并将系统分为匀光照明同轴光源、龙门三轴电动载物台、定焦显微物镜成像以及超清相机接收输出四个主要工作部分。设计了以532nm脉冲激光为光源的同轴照明光路,完成了以4K超清相机为探测器的成像光路构建。2、完成了50X远场校正显微成像物镜的光学结构设计,共包括7片（6组）镜片,镜片各表面均为球面,由常用玻璃材料构成。物镜的有效焦距为4.18mm、数值孔径为0.513、工作距离为10.24mm,最小分辨尺度为0.67μm。模拟仿真分析表明,所有镜片在50g超重力环境下的形变量均远小于公差要求。3、设计了显微物镜的镜筒机械结构,采用双镜筒的安装方式及钛合金的外壳材料应对超重力环境的挤压变形。搭建了龙门结构形式的遥控电动载物台机械,微流控芯片在三轴方向上的移动范围均为±25mm,步进精度为1μm。设计完成了应对超重力环境的系统整机机械结构,重心低,材料强度高。4、从模拟仿真分析及实验检测两个方面对显微成像系统的工作性能进行了验证。使用有限元分析方法进行模拟仿真分析,结果表明50g超重力下显微镜整机最大形变量为0.106mm、最低谐振频率为346.42Hz、0-200Hz随机振动下最大形变量在10-7mm量级;搭建显微系统的成像演示性实验,可清晰观测6.2μm的分辨率板条纹。由实验和分析结果可知,本文研制的50X远场校正显微成像系统达到超重力环境下的工作要求。
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