CN106248532A - 颗粒形态的光学检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种颗粒形态的光学检测方法及系统。检测是包括对颗粒样品进行分散，结合低相干干涉测量方法和显微成像方法获得颗粒在三维空间的位置信息，提取分析颗粒的形态信息的步骤；利用所述低相干干涉测量方法确定分散后的颗粒在沿光轴方向的分布位置，利用显微成像方法获取分散后的颗粒在垂直于光轴的平面的分布位置；系统包括一颗粒分散装置、低相干干涉测量和显微成像相结合的成像测量装置和处理器。本发明操作简单有效，能够提供颗粒三维空间的分布位置信息，避免基于图像显微的粒度测量中不同深度的颗粒在两维图像中重叠效应，极大地减小了颗粒的测量误差，可用于工业生产和科学研究中对颗粒形态的高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种结合低相干干涉测量和显微成像技术的颗粒形态的光学检测方法及系统，可用于工业生产中对颗粒进行测试，获取颗粒的形态信息。
技术背景
在自然环境、工农业生产制造及人类日常生活等方方面面，各种各样的颗粒无处不在。这些细小的分散物质，以固体、气体和液体等状态形式存在着，比如像空气中的尘埃和水滴，海滩上的沙粒，工厂排放的气体中的烟尘等。对颗粒的认识和研究逐渐渗透到化工、冶炼、制药等诸多的领域。颗粒的粒度和粒形与产品的性能和质量密切相关。例如，在涉及燃料燃烧的技术中，燃料的雾化程度(由燃料颗粒的大小和浓度表征)的好坏，会直接影响其燃烧的性能；在建筑工程中使用到的混凝土，其凝结速率和力学性质与所使用的胶凝材料的粒度在很大程度上有关联。因此，能够准确检测并获取颗粒的形态(包括粒度和粒形)信息，对与之密切相关的工业生产和科学研究等领域具有重要的意义。
现有的颗粒形态检测装置主要包括：基于Mie散射原理的激光粒度仪、基于动态光散射技术的粒度仪和基于光学显微成像的图像粒度仪等。我们知道，当光束在传播过程中碰到颗粒障碍物时，会相互作用发生散射现象。理论分析和实验表明：散射光束同入射光束之间的夹角(散射角)与颗粒的粒度有关，颗粒尺寸越大，散射角度越小。同时散射光的强度在一定程度上反映了颗粒的密集程度。根据这样的规律，通过测量散射光强的空间分布，利用Mie散射理论能够反演计算出颗粒粒度和分布情况。然而反演计算中需要知道被测颗粒相对于分散介质的折射率值。通常对于分布较复杂的颗粒样品，折射率的大小难以准确获悉，这给测量带来了困难。基于动态光散射技术的粒度仪，通过测量由于颗粒的布朗运动引起散射光的光强随时间的波动变化，并通过相关方程检测最终获得颗粒的粒度和尺寸分布信息。该仪器可用于对纳米量级的颗粒粒度的测量。
基于光学显微成像的图像粒度仪，将经过显微放大后的颗粒图像，通过图像采集单元传输至计算机，并处理得到颗粒的粒度和粒形。然而显微成像仅能观察到二维平面的颗粒投影图像，其深度不能够被表征，从而无法获取颗粒样品深度方向的粒度和分布信息。空间的颗粒在二维投影面上会发生重叠，影响测量的准确性。
发明内容
本发明的目的是针对现有图像粒度仪技术的不足，提出了一种颗粒形态的光学检测方法及系统，通过引入深度方向的低相干干涉测量，获得颗粒在深度方向的位置信息，并结合显微成像技术，获得颗粒的三维空间信息，避免不同深度的颗粒在两维图像中的重叠效应，极大地减小了颗粒的测量误差。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一、一种颗粒形态的光学检测方法，包括以下步骤：
对颗粒样品进行分散；
结合低相干干涉测量方法和显微成像方法获得颗粒在三维空间的位置信息；
提取分析颗粒的形态信息。
所述对颗粒样品进行分散是利用液体的湿法分散或者利用气体的干法分散。
利用所述低相干干涉测量方法确定分散后的颗粒在沿光轴的深度z方向的分布位置，z方向与光轴同向，利用显微成像方法获取分散后的颗粒在垂直于光轴的xy平面的分布位置，其中xy平面垂直于光轴方向。
利用所述低相干干涉测量方法确定分散后的颗粒在沿光轴方向的分布位置具体是采用通过扫描改变参考臂光程的时间域探测方法、利用光谱仪记录光谱干涉信号的谱域探测方法或者利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频探测方法。
通过扫描改变参考臂光程的时间域探测方法对应采用的低相干干涉探测装置是包括低相干光源、干涉仪和探测器。
利用光谱仪记录光谱干涉信号的谱域探测方法对应采用的低相干干涉探测装置是包括低相干光源、干涉仪和光谱仪。
利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频探测方法对应采用的低相干干涉探测装置是包括扫频宽光谱光源、干涉仪和探测器。
利用所述显微成像方法获取分散后的颗粒在垂直于光轴平面的分布位置具体是采用在垂直于光轴平面逐点扫描的扫描成像方式、在垂直于光轴平面逐条线扫描的扫描成像方式或者在垂直于光轴平面采用宽场成像方式。
在垂直于光轴平面采用宽场成像方式是采用扫频光源记录光谱干涉信号的方法或者通过扫描改变参考臂光程的时间域探测方法。
所述显微成像方法中的照明光源和低相干干涉测量方法中的照明光源采用同一光源。
所述的提取分析颗粒的形态信息是指在三维空间区分单个颗粒，统计并记录每个颗粒的尺寸和粒形信息。
所述的在三维空间区分单个颗粒是包括依次进行的增强颗粒图像对比度步骤和通过阈值二值化颗粒图像步骤。
二、一种颗粒形态的光学检测系统，包括：
一颗粒的分散装置，用于将单个颗粒分散到空间中；
采用低相干干涉测量和显微成像相结合的成像测量装置，用于采集分散到空间中的颗粒图像；
一个或多个处理器，用于从颗粒图像中提取分析颗粒的形态信息。
所述的成像测量装置包括低相干干涉测量装置和显微成像装置，低相干干涉测量装置和显微成像装置的照明光源采用同一个。
所述的成像测量装置是采用以下的其中一种：
包括低相干光源、干涉仪、显微装置和探测器；
或者包括低相干光源、干涉仪、显微装置和光谱仪；
或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪、显微装置和探测器。
本发明相比现有技术具有以下有益效果和优势：
本发明将低相干干涉测量技术同显微成像技术相互结合，获取颗粒的三维空间分布信息，进而提取出颗粒的形态信息。
本发明相比于现有的显微镜法测量颗粒粒径，其仅能在有限的视场内获取颗粒二维的投影图像，无法分辨深度方向的颗粒信息，且空间颗粒在二维投影图像中的重叠很大程度上影响测量的准确度。
本发明能够快速地重构出颗粒三维的空间分布，并提取颗粒形态信息，避免了二维投影图像中颗粒的重叠，极大地减小了测量误差。
附图说明
图1为本发明方法的示意图；
图2为本发明装置的示意图；
图3为本发明实施例的示意图；
图4为本发明示例性实施例的结果图。
图中：11-颗粒分散；12-显微成像；13-低相干干涉测量；14-三维空间分布重构；15-分析与特征提取；21-光源；22-分光束器件；23-第一准直透镜；24-平面反射镜；25-第二准直透镜；26-扫描装置；27-显微物镜；28-分散装置；29-探测单元；30-信号处理器；31-宽带低相干光源；32-光环形器；33-50:50光纤耦合器；34-参考臂光纤准直器；35-会聚透镜；36-平面反射镜；37-样品臂光纤准直器；38-X-Y正交扫描装置；39-显微物镜；40-样品分散装置；41-光纤准直器；42-衍射光栅；43-傅里叶透镜；44-高速线阵相机；45-处理电路与计算单元。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
为了便于理解本发明的实施例，将各操作描述成多个离散的操作，但是，描述的顺序不代表实施操作的顺序。
本描述中针对测量空间采用基于空间方向xyz三维坐标表示。这种描述仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用。其中：深度z方向为沿入射光轴的方向；xy平面为垂直于光轴的平面，其中x与y正交。
本发明的基本思想是结合低相干干涉测量和显微成像技术，获得被检颗粒的三维空间分布及粒度粒形信息，避免不同深度的颗粒在两维图像中重叠效应，极大地减小了颗粒的测量误差。
本发明采用颗粒分散装置对颗粒样品在一定空间内进行充分的分散，包括颗粒在液相中的湿法分散和在气相中的干法分散等，由此提供用于检测的空间分布的颗粒待测样品。采用低相干干涉仪对分散颗粒样品进行探测，对干涉信号分析处理后，确定分散颗粒沿着光轴的深度z方向的分布位置。采用显微成像装置对样品观察，经过信号图形分析获取垂直于光轴方向的xy平面内的颗粒分布及形态信息。
本发明结合低相干干涉测量和显微成像方法进行光学检测颗粒形态的过程如图1所示，先进行颗粒分散11，再将显微成像12结合到低相干干涉测量13中进行三维空间分布重构14，获得颗粒的三维位置信息，最后进行分析与特征提取15，获取颗粒的形态信息。具体实施是：
1)采用颗粒分散装置对颗粒样品在一定的空间内进行充分的分散，包括颗粒在液相中的湿法分散和在气相中的干法分散等，由此提供用于检测的空间分散的颗粒待测样品。
2)采用低相干干涉仪对分散颗粒样品进行探测，对干涉信号分析处理后，确定分散颗粒沿着光轴的深度z方向的分布位置。依据不同的低相干探测方式，包括：通过扫描改变参考臂光程的时间域探测方法；利用光谱仪记录光谱干涉信号的谱域探测方法；利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频探测方法。将显微成像技术与低相干干涉测量相结合，在低相干干涉仪的探测样品部分引入显微成像装置，利用显微成像方式获取分散颗粒在垂直于深度z方向的xy平面的分布位置。
3)显微成像的成像方式，例如：逐点扫描、逐条线扫描和宽场成像方式。其中宽场成像方式要求深度z方向的低相干干涉探测采用包括：通过扫描改变参考臂光程的时间域探测方法；采用扫频光源记录光谱干涉信号的方法。由此对探测信号算法重构得到分散颗粒在三维空间的分布信息。
4)最后对获得的三维空间分布进行分析和特征提取，获得颗粒的形态信息，例如对颗粒分布图像的对比度增强，并设定阈值对图像进行二值化处理，在三维空间分布中区分出单个的颗粒，并统计其中每个颗粒的粒度和记录其粒形状信息。
本发明光学检测颗粒形态的装置如图2所示。包括分散装置28、低相干干涉测量装置、显微成像装置和一个处理器，处理器即为信号处理器30，显微成像装置包括扫描装置26和显微物镜27，低相干干涉测量装置是主要由光源21、分光束器件22、第一准直透镜23、平面反射镜24、第二准直透镜25和探测单元29构成的干涉仪。
该装置的低相干干涉测量的主体结构为一干涉仪，其中在干涉仪的样品臂中引入了显微成像装置，包括扫描装置26和显微物镜27，同时保证显微成像的照明光来自于低相干干涉测量中所使用的宽光谱光源。光源21的出射光线通过分光束器件22后分成两束光：一束光进入参考臂，通过第一准直透镜23照射于平面反射镜24上；另一束光进入样品臂，照射到待测样品上，其中利用分散装置28对样品进行分散后，样品置于显微成像装置的聚焦位置，光经过第二准直透镜25、扫描装置26照射到显微物镜27的聚焦位置。两臂中各自反射回的光发生干涉后经分光器件22由探测单元29接收，再由信号处理器30对接收的光信号进行处理，重构出颗粒的三维分布信息并提取分析其形态特征。
依据低相干干涉测量的不同方式，并结合不同的显微成像方式，图2所示的光学检测颗粒形态的装置具体包括：
1)时间域测量装置。光源21采用宽带低相干光，平面反射镜24可沿光轴方向移动，探测单元29为点探测器。显微成像方式采用逐点扫描或宽场成像方式。通过移动平面反射镜24改变参考臂光程，两臂的干涉信号有电探测器29探测，实现深度z方向的低相干干涉探测。结合显微成像装置中利用逐点扫描或逐条线扫描或宽场成像方式，获得三维的分散颗粒空间信息。
2)谱域测量装置。光源21采用宽带低相干光，平面反射镜24固定不动，探测单元29采用光谱仪。干涉信号经过光谱仪中的线阵相机同时记录干涉光谱。采样傅里叶分析干涉光谱信号，并行获取深度方向的信息。结合显微成像装置中采用逐点扫描或逐条线扫描的方式，获得三维的分散颗粒空间信息。
3)扫频测量装置。光源21采用扫频光源，平面反射镜24固定不动，探测单元29采用点探测器。点探测器分时记录扫频光源的低相干干涉光谱。采样傅里叶分析干涉光谱信号，并行获取深度方向的信息。结合显微成像装置中利用逐点扫描或逐条线扫描或宽场成像方式，获得三维的分散颗粒空间信息。
对探测到的信号，利用信号处理器30进行算法重构，得到分散颗粒在三维空间的分布信息。最后对获得的颗粒三维空间信息进行分析和特征提取，例如对颗粒分布图像的对比度增强，并设定阈值对图像进行二值化处理，而后在三维空间分布中区分出单个的颗粒，并统计其中每个颗粒的粒度和记录其粒形信息。
本发明的实施例如下：
在下面的详细说明中，参考附图，附图形成本文的一部分且通过可在其中实践本发明的示例实施例的方式示出。要理解，可利用其它的实施例，且可进行结构或逻辑的改变，而不脱离本发明的范围。因此，下面的详细描述不以限制的方式取得，且根据本发明的实施例的范围由附属的权利要求及其等同物来限定。
此实施例通过一系列的措施实现了一种结合低相干干涉探测和显微成像的光学检测颗粒形态的方法与装置。与常规的显微图像粒度测量方法相比，本发明避免了二维投影图像中颗粒的重叠，具有更高的测量精度。
图3示出的是本发明所公开的一个示例性实施例。针对测量颗粒形态的一种光学检测装置，包括宽带低相干光源31、光环形器32、50:50光纤耦合器33、参考臂光纤准直器34、会聚透镜35、平面反射镜36、样品臂光纤准直器37、X-Y正交扫描装置38、物镜39、样品分散装置40、光纤准直器41、衍射光栅42、傅里叶透镜43、高速线阵相机44、处理电路与计算单元45，其中宽带低相干光源31采用中心波长为1300nm、带宽为100nm的超发光二极管，物镜39采用焦距为30mm的消色差透镜，高速线阵相机44采用InGaAs 2048像素的线扫相机；其中本发明装置的低相干宽带光源31出射的光线光经过光环行器32后进入到50:50光纤耦合器33，光纤耦合器33的出射光被分成两束：一束光通过光纤连接至参考臂光纤准直器34，经过准直和聚焦后照射到平面反射镜36；另一束光通过光纤连接至样品臂光纤准直器37，经过准直、扫描和聚焦后照射到被测样品上。样品分散装置40采用湿法分散原理提供空间分散的颗粒溶液作为待测样品。样品臂中的正交扫描装置38结合显微物镜39实现对待测样品的三维扫描成像；由参考臂中平面反射镜36反射回的光与样品臂中被测样品后向散射回的光在光纤耦合器33处发生干涉，干涉信号光束经过光谱仪探测并被记录(该部分包括装置中的器件41～44)，而后由处理电路与计算单元模块45采集并处理。
结合低相干干涉测量和显微成像技术获得的干涉光谱信号，通过沿着波数方向的傅里叶变换重构出三维空间的颗粒样品分布。在图形分析过程中，对该分布图像采用增强技术提高灰度模式下的对比度。对三维空间图形，进行领域增强，去除图像的噪声；再经过锐化处理突出颗粒图像的边缘轮廓，以便于识别提取。而后依据图像信息的灰度特征采用最佳阈值迭代法设定阈值T，采用整体图像的灰度平均值作为初始阈值T0。得到最佳阈值T之后，作二值化处理，在三维的空间内区分单个的颗粒。对于每个颗粒，统计在不同方向上的粒径单元占有的像素尺寸，并根据图像单位像素对应实际的尺寸大小，得出该方向上实际的颗粒粒径大小。同时对经过二值化处理后的在三维空间区分出的单个颗粒，提取边缘像素信息，并记录下颗粒的粒形。
利用图3中示出的方法及装置可获得不同直径颗粒的三维空间分布信息。图4示出了某一y方向的横断面zx的不同直径(图4中左右侧分别为两次实验，左侧颗粒的平均直径为3.5μm，右侧颗粒的平均直径为5μm)颗粒的空间位置分布。水平方向为与y正交的x方向，竖直方向表示深度z方向。值得注意的是，图4仅示出的是某一横断面zx的颗粒空间分布信息，沿y方向的不同的横断面构成了颗粒三维的空间分布。从图4中，可以区分单个颗粒深度方向的空间位置，通过建立直角坐标系，每个颗粒对应一个坐标位置。通过后续的图形分析，可进一步提取出颗粒的形态特征。
由此可见，本发明提取出颗粒的形态信息相比于现有技术能够快速地重构出颗粒三维的空间分布，避免了二维投影图像中颗粒的重叠，极大地减小了测量误差，具有其突出显著的技术效果。
Claims (10)
1.一种颗粒形态的光学检测方法，包括：
对颗粒样品进行分散；
结合低相干干涉测量方法和显微成像方法获得颗粒在三维空间的位置信息；
提取分析颗粒的形态信息。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒形态的光学检测方法，其特征在于：
所述对颗粒样品进行分散包括对气体的干法或对液体的湿法分散；利用所述低相干干涉测量方法确定分散后的颗粒在沿光轴方向的分布位置，利用显微成像方法获取分散后的颗粒在垂直于光轴的平面的分布位置。
3.根据权利要求2所述的一种颗粒形态的光学检测方法，其特征在于：
利用所述低相干干涉测量方法确定分散后的颗粒在沿光轴方向的分布位置具体是采用通过扫描改变参考臂光程的时间域探测方法、利用光谱仪记录光谱干涉信号的谱域探测方法或者利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频探测方法。
4.根据权利要求2所述的一种颗粒形态的光学检测方法，其特征在于：
利用所述显微成像方法获取分散后的颗粒在垂直于光轴平面的分布位置具体是采用在垂直于光轴平面逐点扫描的扫描成像方式、在垂直于光轴平面逐条线扫描的扫描成像方式或者在垂直于光轴平面采用宽场成像方式。
5.根据权利要求1所述的一种颗粒形态的光学检测方法，其特征在于：
所述显微成像方法中的照明光源和低相干干涉测量方法中的照明光源采用同一光源。
6.根据权利要求1所述的一种颗粒形态的光学检测方法，其特征在于：
所述的提取分析颗粒的形态信息是指在三维空间区分单个颗粒，统计并记录每个颗粒的尺寸和粒形信息。
7.根据权利要求6所述的一种颗粒形态的光学检测方法，其特征在于：
所述的在三维空间区分单个颗粒是包括依次进行的增强颗粒图像对比度步骤和通过阈值二值化颗粒图像步骤。
8.用于实施权利要求1～7任一所述方法的一种颗粒形态的光学检测系统，包括：
一颗粒的分散装置，用于将单个颗粒分散到空间中；
低相干干涉测量和显微成像相结合的成像测量装置，用于采集分散到空间中的颗粒图像；
一个或多个处理器，用于从颗粒图像中提取分析颗粒的形态信息。
9.根据权利要求8所述的一种颗粒形态的光学检测系统，其特征在于：
所述的成像测量装置包括低相干干涉测量装置和显微成像装置，低相干干涉测量装置和显微成像装置的照明光源采用同一个。
10.根据权利要求8所述的一种颗粒形态的光学检测系统，其特征在于：
所述的成像测量装置是采用以下的其中一种：
包括低相干光源、干涉仪、显微装置和探测器；
或者包括低相干光源、干涉仪、显微装置和光谱仪；
或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪、显微装置和探测器。
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