實驗儀器

2.2.1.1 脈衝雷射（MINI DUAL Nd-YAG LASER / Y50-15）

此雙脈衝式Nd（NEODYMIUM）-YAG 雷射為基礎 PIV 設備所擁有，雷射的波長 為532nm（綠光），雷射最高脈衝頻率為 15Hz，兩管脈衝雷射 YAG1 及 YAG2 搭配上 Q-Switch 可將雷射功率累積至 YAG1 最大 0.79 Watts；YAG2 最大 0.8 Watts（雷射頻率

=15Hz 所做之測試），最大功率產生時 Q-Switch 的延遲時間為 190µs。將最大功率除以 雷射頻率後，YAG1 及 YAG2 每個脈衝的最大能量分別為 52.67mJ 及 53.33mJ。另外也 因為Q-Switch 的技術，使得經過 Q-Switch 後，雷射的作用時間可以短至 5-7ns，如此短 的作用時間使拍攝到的影像更趨近於靜止影像。而雷射光的光束直徑約3.75mm，只要 將光路稍加對準後，用以作為照亮幾百微米的微小流場可使說是綽綽有餘。

2.2.1.2 電子耦合攝影機（CCD Camera / PIVCAM 10-30）

一樣為基礎粒子顯像速測儀所擁有的設備，CCD 可感光的 pixels 數為 1008（H）×

1018（V），實際尺寸約為 9.07mm×9.16mm。每秒最多可擷取 15 對影像，每對影像的最 小間格可小至0.3µs，如此短的時間間隔甚至可應用於超音速流場。相對於微觀流場，

雖然顯微物鏡會放大粒子在interrogation spot 的位移，不過一般微流場的速度場大約都 在10mm/s 的範圍左右，所以這樣短的時間間隔用於微流場的量測可以說是有過之而無 不及。

2.2.1.3 同步器(synchronizer)

基礎PIV 系統中，同步控制裝置(synchronizer)的功能為同步觸發(trigger)雷射與數位 相機(CCD Camera)的快門，並控制數位相機快門的曝光時間、脈衝雷射之頻率及影像的 擷取處理與傳輸技術，使各項儀器能夠達到同步控制的效果。使其能達到將雷射光在指 定的時間差上，照射在電子耦合攝影機的兩張影像上，並將流場的影像以數位化輸出，

經由影像擷取卡將資料存入電腦之中。

2.2.1.4 高傳輸效率介面卡

基礎PIV 系統中，用以將數位相機所擷取的數位化影像畫面，傳輸至電腦中進行分 析與儲存。其傳輸速度最高可達90MBytes/sec。

2.2.1.5 質點影像測速分析軟體

為TSI 公司所發展的 Insight Version V3.26 視窗軟體，可控制硬體設備及分析所得到 之影像資料。於硬體設備控制方面可以設定脈衝雷射光之Q-Switch 的延遲時間、電子 耦合攝影機快門的曝光時間及兩道雷射的時間間隔，然後透過同步器發送訊號以進行系 統運作及影像擷取。在軟體分析上對於所擷取之影像質點以互相關函數(cross-correlation function)，計算流場中每個 interrogation spot 的速度向量。

2.2.1.6 個人電腦

為處理PIV 系統所產生的大量影像資料，連接至 PIV 系統的電腦中央處理器為 Pentium4 1.8G，具有 1G 的記憶體容量。除了可以快速的運算處理資料外，其優異的性 能更可即時分析影像資料於系統之中，可以一邊拍攝流場的同時，馬上看到速度向量的

比，可寫成下列公式：

光圈值（f-number） = 鏡頭焦距 / 光圈口徑 （2-3）

以一支50mm 的鏡頭為例，若它的最大光圈口徑是 36mm，鏡頭的最大光圈值

（f-number）便等於 50 / 36 = 1.4，一般表示為 f/1.4（代表 f-number=1.4）。光圈值是以 f-number 來表示，f-number 愈小光圈口徑便愈大，反之逆然。不過，在顯微鏡學中，物 體之距離和光圈之大小大約為同一個等級(order)，所以定義顯微鏡物鏡之重要參數為數 小約為9mm×9mm，而其 pixels 數為 1008（H）×1018（V），若鏡頭放大倍率為 M，則 可解析的最小位移e 約為：

M

2.2.3.4 繞射限制(diffraction-limited)

所有的光學分析都將有著一基本限制：繞射限制。對放大倍率大於 1，亦即此系統 為放大系統，根據Born and Wolf(1997)其繞射限制為：

.

其中：ds為繞射限制之散射半徑函數(diameter of the point spread function)。

根據Adrian(1991)，若繞射限制圖形為一高斯函數分佈，則：

[

]

2 p 2

e

M d d

d = +

且

M 10 x ≈ d

δ

在本次實驗之中，採用放大倍率為100x、N.A.為 0.55，粒子直徑為 1µm，則可以算 出不確定之距離為 166.47nm（0.16647µm），雖在本次實驗裡不到一個像素（本實驗的 觀測區域約605µm×620µm，垂直畫素為 1008×1018，所以一個畫素距離約為 0.61µm），

但粒子位移還是儘量不可以低於一個像素，以免造成不正確之分析，而由（2-10）也可 以看出，提高N.A.將有效的將量測中不確定之距離降低，因而提高實驗之準確性。