在燃烧、湍流乃至微观的血液流动研究中，如何精准捕捉那瞬息万变的流速场，一直是科研与工业界面临的挑战。粒子成像测速（PIV）技术正是解开这些谜题的“钥匙”北京网上炒股配资网，而能否“抓拍”到清晰的瞬间，关键就在于一台性能强大的超快相机。
本次推出的科学相机应用知识系列将以“基础原理篇”、“实战操作篇”及“高阶应用篇”三步曲形式，带您了解Andor iStar sCMOS，看它如何凭借独特优势，成为PIV应用领域中备受青睐的利器。
▌什么是粒子成像测速（PIV）？
粒子成像测速（PIV）是一种对科研和工业中的流体可视化的光学方法，用于获得流体的速度测量值和相关特性。通过拍摄两张时序上相邻的物体图像或“快照”，并使用相关算法，可以建立2D和3D动态流动图[1]。
PIV测量的关键是在几百纳秒到几微秒的时间尺度内捕获来自物体（或添加到其中的示踪剂）的双短脉冲光信号（荧光或者散射光等）。
在进行PIV测量的多种方法中，有两种主要的方法可以概括为：
• 使用双脉冲激光器发射两个时间间隔很近的短脉冲，这个双脉冲间隔时间需要大于sCMOS相机捕获两个单独图像帧之间的时间间隙，一个脉冲在上一帧的末尾捕获，另一个脉冲则在下一帧的开始捕获。
• 使用像增强型门控CCD/sCMOS相机，其两次门控在时间上间隔很近，用来捕获对象的两帧，在这种情况下，门控时间间隔精准定义了的图像对之间的时间间隔，所以准连续光源或闪光灯都可以用作脉冲激光的替代品。
▲ 图1：典型PIV系统的主要部件示意图。
▌为什么选择iStar sCMOS进行PIV实验？
先锋泰坦代理的Andor iStar sCMOS是一款增强型sCMOS（ISCMOS）相机，具有灵活准确的触发或定时能力，上述两种PIV方法均可使用这款isCMOS作为实验的核心探测器。
PIV的典型应用包括研究气流的湍流、流体的浑浊度、水流、体内的血流、燃烧、甚至用来模拟雪崩 [2]。该技术的许多变体是立体PIV和扫描PIV，这两种技术都可以捕获3D体积矢量图，而使用显微镜在微观尺度上进行分析可获得微观PIV（µPIV），其中一个很好的例子是微流体学[1]。
对于PIV应用，iStar sCMOS相机配备了550万像素的sCMOS传感器，这是唯一一款在全画幅，全局快门情况下达到50fps的isCMOS相机[3]。全局快门曝光功能用于PIV的双曝光配置，可提供低至<1µs的图像时间间隔。
▌PIV系统核心组件一览
PIV通用设置中所需的主要组件如图1。所需组件包括：
• 带成像镜头的相机；
• 可被触发的脉冲激光器；
• 穿过样品的平面（薄片）激光照明（此处由柱面透镜提供）；
• 用来控制各组件相对时序的同步装置；
• 示踪颗粒（照明激光光源的散射体）；
• PIV软件，用于处理图像对，以生成速度流图。
如图1所示，使用特殊的光学元件（如柱面透镜）来生成扇形薄片激光照明。穿过样品的照明平面在相机上以全视场（FOV）成像。通过同步控制单元来对激光和相机进行同步控制。该外部同步源根据图像的优化采集目的，通过改变触发脉冲的延迟和脉冲宽度来编排触发脉冲的式样。
▲图2：专业PIV软件通过图像处理生成的矢量图。
相机设置为以最小时间间隔进行两次曝光，以获得样本平面的图像对；还可以使用较长的动力学序列来获取一系列图像对。
获得图像对后，可以使用特殊PIV软件来构建矢量图。一对图像之间的时间间隔称为图像对间隔时间Δt（后文均用Δt表示）。这一过程如图2所示。
下期小编将化身您手边的操作指南，深入讲解相机的硬件连接与软件配置实战，让您离成功的PIV实验更近一步。敬请关注本系列第二篇：iStar sCMOS相机-实战操作篇《iStar sCMOS 相机硬件接线 + 软件参数设置》
▌参考文献
[1]Dantec Dynamics website: www.dantecdynamics.com/particle-image-velocimetry
[2]http://velocimetry.net/application.htm;https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_image_velocimetry北京网上炒股配资网
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