CN108732132A - 一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，属于测量与光学领域，其包括如下步骤：S1光电传感阵列器件探测得到光强数据，根据光强数据计算获得临界角对应的像素，S2提取临界角对应的像素及该像素前后各一个像素，一共获得三个像素的信息，所述信息包括光强信息和坐标信息，计算获得该三个像素对应的反射率微分值；S3三个点能唯一确定一条抛物线，得到抛物线公式；S4对抛物线公式求导，导函数为0处即为抛物线峰值处，该峰值处对应为亚像素位置处。本发明方法结合了阵列器件测量折射率的自动化、快速的特点，同时提高了折射率测量的精度。

Description

一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法
技术领域
本发明属于测量与光学领域，具体涉及一种基于光电传感阵列测量折射率过程中的高精度数据处理方法，获得亚像素位置。
背景技术
折射率是反映介质光学性质的一个重要参数，目前提出的测量方法多种多样，比较具有代表性的方法有传统的阿贝折光仪、光纤传感技术、阵列器件测量折射率技术以及表面等离子体共振(SPR)技术。
这些技术中，SPR具有测量精度高，光路抗干扰能力一般，对敏感芯片等光学部件要求高。阿贝折光仪是基于临界角法原理的，具有较高的可靠性和较高的精度，广泛用于工业、农业、国防和科研等各领域中。但是，其存在需要人眼瞄准读数，读数误差大，测量效率不高的缺陷。光纤传感技术测量精度相对较高，但通常需要价格昂贵的光谱仪，且对操作环境要求高。
阵列光电半导体器件(以下简称阵列器件)测量折射率技术也是利用临界角法原理，是折射率测量装置走向自动化的必由之路。其利用各种类型阵列器件进行探测，如线阵CCD、面阵CCD、线阵CMOS、面阵CMOS、光电二极管阵列等。测量性能上具有可靠性好、精度高、实时性强的优点。相比于传统的阿贝折光仪，其测量效率更高，数据采集、处理、存储和显示都可以实现自动化。值得说明的是，该技术的关键是准确获得临界角的位置，决定了折射率测量准确度。
目前，阵列器件测量折射率技术获取临界角位置都只是单像素精度，测量精度是量级。单像素精度毕竟有限，在制造业越来越发展的今天，精度即是生命。高精度测量的需求十分迫切！
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于阵列器件测量折射率的高精度亚像素级位置获取方法，结合了阵列器件测量折射率的自动化、快速的特点，同时提高了折射率测量的精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：光电传感阵列器件探测得到光强数据，包括背景光强数据和待测液体对应的光强数据xi(Ni,Ii)，根据这两个光强数据可计算获得待测液体临界角对应的像素，
S2：提取临界角对应的像素及该像素前后各一个像素，一共获得三个像素的信息(Ni-1,Ri-1),(Ni,Ri),(Ni+1,Ri+1)，所述信息包括光强信息和像素坐标信息，从而获得该三个像素对应的反射率微分值；
S3：所述三个像素，通过这三个像素能唯一确定一条抛物线，可快速得到抛物线公式；
S4:对抛物线公式求导，导函数为0处即为抛物线峰值处，该峰值处就是待测液体对应临界角的亚像素位置。
进一步的，对像素进行10等份，以获得亚像素的具体位置。
进一步的，对像素进行100等份，以获得亚像素的具体位置。
进一步的，对像素进行1000等份，以获得亚像素的具体位置。
进一步的，对像素进行10等份以上的任意等份，以获得亚像素的具体位置，对像素进行等份的份数越多，亚像素的具体位置越精确。
进一步的，步骤S1中，光电传感阵列器件探测得到光强数据时，根据光强数据计算获得临界角对应的像素过程中，首先依据光强数据计算获取反射率曲线，再根据反射率曲线计算获得临界角对应的像素。
进一步的，首先依据光强数据计算获取反射率曲线r(Ni)，依据获取的反射率计算获得微分曲线R(Ni)，具体的，将相邻像素位置反射率值微分得到微分曲线；再根据微分曲线计算获得临界角对应的第i个像素Ni。
进一步的，首先依据光强数据计算获取反射率曲线，依据获取的反射率计算获得微分曲线，具体的，将相邻像素位置反射率值微分得到微分曲线，依据微分曲线，计算获取微分峰值，微分峰值对应的像素即为需要提取的像素。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明利用了传统的阵列器件测量折射率的系统装置，设计一种新的折射率测量亚像素位置的方法，大幅度提高了液体折射率的测量精度，获取临界角位置精度小于1个像素，精度将得到显著提高。
传统的阵列器件折射率测量系统，由于其采用的阵列器件接收光斑，获取数据，与传统阿贝折射仪的人工校准以及人工读数特点相比，具有测量快速、自动化的优势。但传统的阵列器件折射率测量系统技术方案尚不完善，对测量算法这一块尚不成熟，最多实现基单像素精度测量，若想进一步提高精度，即对阵列器件的性能的提升提出了很高的要求。
本发明中对阵列器件的亚像素领域探索，使得对明暗光斑的分界线判定精确到亚像素精度，充分的利用了阵列器件的性能，实现精度的大范围提升。
附图说明
图1是本发明实施例的基于阵列器件测量折射率的高精度方法的流程图；
图2是本发明实施例中的基于阵列器件测量折射率搭建的系统装置结构示意图；
图3是利用测量装置进行一组液体样本测量时阵列器件探测获得的曲线图。
图4为获取反射率曲线图以及利用微分法得到曲线图。
图5为微分法的定标实验结果的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了基于阵列光电半导体器件测量折射率的抛物线插值亚像素位置获取方法。其包括两个过程：第一是采用微分方法将位置提取精确到一个像素，第二是设计基于抛物线插值的亚像素级位置获取方法。
微分方法包括：阵列器件探测得到光强数据；依据光强数据计算获取反射率曲线，具体的，通过探测光场和背景光场数据相比获取反射率曲线；依据获取的反射率计算获得微分曲线，具体的，将相邻像素位置反射率值微分得到微分曲线；依据微分曲线，计算获取微分峰值，微分峰值对应的像素点即为需要提取的像素点，至此完成采用微分方法提取像素点。
抛物线插值的亚像素位置获取方法包括：获取微分法提取像素及其前后像素一共三个像素以及该三个像素对应的反射率微分值，一共获得三个像素点的信息，所述信息包括光强信息和坐标信息；进行抛物线插值，三个点能唯一确定一条抛物线，得到抛物线公式；对抛物线公式求导，导函数为0处即为抛物线峰值处，该峰值处对应为亚像素位置处。
为了获得精确的亚像素位置，可以进行修正，修正方法实质为：对像素进行10等份、100等份、1000等份甚至是10000等份或者其他更多等份，这样可以获得亚像素的具体位置，而不是亚像素的估计值。对像素进行等份的份数越多，亚像素的具体位置越精确。
基于阵列器件测量折射率系统装置中，获取的亚像素对应被测对象的折射率值。亚像素位置越精确，则对应的折射率的数据越精确。
图1是本发明实施例的基于阵列器件测量折射率的高精度方法的流程图，由图可知，本发明的技术方案主要包括如下步骤：
1)阵列器件获得光强曲线：首先要搭建基于阵列器件折射率测量系统，利用阵列器件获得反射光的分布曲线。图2是本发明实施例中的基于阵列器件测量折射率搭建的系统装置结构示意图，如图2所示，其主要包括有部件半导体激光器LD 1，三角棱镜2，样品池3，阵列器件4，PC自动化控制端5。其中，样品池中分别为空气背景光时阵列器件探测得到全反射背景光强曲线Ni对应第i个像素的像素值大小，为空气背景下的光强值，样品池中为待测液体时阵列器件探测得到探测光场光强曲线xi(Ni,Ii)。i＝1,2,3…N，N阵列器件为最大像素数量，Ii为第i个像素处对应的光强。
2)获取反射率曲线：针对待测液体，利用上述1)背景光场光强以及待测液体对应的探测光强曲线，可以获得对应的反射率曲线。将同像素位置的探测光场光强与背景光场光强曲线数据一一相除，即得到了反射率随像素位置的反射率曲线ri(Ni,ri)，其中，ri对应第i个像素处的反射率值，即
3)获取反射率微分曲线：利用上述2)得到的反射率曲线，将相邻像素位置的反射率值相减，即得到反射率微分值随像素位置变化的曲线Ri(Ni,Ri),其中Ri对应第i个像素的反射率微分值，即Ri＝ri+1-ri。
4)获取反射率曲线微分峰值：利用上述3)的反射率微分曲线Ri，对曲线Ri寻找其峰值。该峰值所对应的像素位置Ni，即为此时待测液体的临界角对应的像素位置。
5)反射率微分曲线拟合：上述步骤提取到临界角对应的像素位置，精度为1个像素。接下来，针对某待测液体，提取上述获取的像素位置Ni及其相邻的前后一个像素(一共三个像素)的反射率微分数据点，即(Ni,Ri),(Ni-1,Ri-1),(Ni+1,Ri+1)。
6)抛物线插值：对三个数据点进行抛物线插值，公式(1)为(x0,f(x0)),(x1,f(x1)),(x2,f(x2))三点的抛物线插值公式。然后将步骤5)获取的数据(Ni,Ri),(Ni-1,Ri-1),(Ni+1,Ri+1)，应用公式(1)进行插值，得到适合于本发明测量的折射率方法，为公式(2)。
然后，对插值曲线R(N,R)进行求导，导函数为零对应的像素Ne即为需要提取亚像素点，最终得到基于抛物线插值的亚像素位置获取方法如公式(3)所示：
7)阵列器件像元细分以及公式修正：本发明将亚像素值位置提取精确到0.1像素、0.01像素、0.001像素甚至更小的像素，因此将阵列器件进行10份、100粉、1000份甚至更多的细分，得到抛物线拟合法修正公式，抛物线拟合法修正公式(4)为10等份细分的结果，通过此公式计算，即实现了基于抛物线拟合的亚像素位置获取方法。
上述方法的设计过程是针对阵列器件中的线阵传感器件的，对于面阵型传感器件，只需将线阵器件中接收的光强曲线替换为光强二维平面分布数据，然后对纵向进行线性叠加，即实现了二维向一维的转化过程。
本发明提出一种基于阵列器件测量折射率时获取压像素的方法，该方法基于阵列器件测量折射率装置，设计了一种用于确定临界角的亚像素位置提取的方法。获取临界角位置的精度可以超过单像素，达到亚像素精度，从而折射率测量精度可以达到10-5量级，提高一个数量级。相较于传统方法，折射率测量精度可以得到显著提升。应用本发明方法，现有的基于阵列器件测量折射率的方法具有测量快速、自动化以及精度高等特点。
在本发明的一个实施例中，比如采用的方法如下：
如图1所示的基于阵列器件测量折射率的高精度方法流程图，具体包括如下步骤：
1.搭建如图2所示的基于阵列器件测量折射率的系统装置，在样品池分别为空气和待测液体时，阵列器件探测光场数据曲线如图3所示，图3是利用测量装置进行一组液体样本测量时阵列器件探测获得的曲线图。
2.获取反射率曲线：将上述将同一像素位置的探测光场光强与背景光场光强数据相除，即得到了反射率随像素标号位置的反射率曲线,如图4上图所示，图4为获取反射率曲线图以及利用微分法得到曲线图。
3.获取反射率微分曲线：通过上述得到反射率曲线，将相邻像素位置的对应反射率值相减，即得到反射率微分值随像素标号位置的曲线，结果如图4下图所示。
4.获取反射率曲线微分峰值：像素位置对应的最大反射率微分值，即为求得的明暗光斑分界线对应的像素位置，从图4下图中可以明显看出微分峰值对应的像素位置。
5.获取拟合数据：上述步骤提取到界限像素位置接下来，针对某待测液体，提取上述获取的像素位置Ni及其相邻一个像素的反射率微分数据点，即(Ni,Ri),(Ni-1,Ri-1),(Ni+1,Ri+1)。
6.抛物线插值：对三个数据点进行抛物线插值，利用公式：
计算亚像素值，即通过此我们利用此公式即实现了一组液体的亚像素位置提取。
7.亚像素级位置获取方法的验证过程：通过定标实验来对亚像素级获取方法进行验证，首先用微分法对大浓度范围内的液体进行定标实验，定标实验结如图5所示，图5为微分法的定标实验结果的曲线图。得到拟合公式(4)。拟合效果线性度非常理想。
接下来用基于抛物线插值的亚像素级获取方法对小浓度范围的液体进行定标实验，进行8组液体的配制，使其浓度梯度的变化对应的界限像素在变化在亚像素级，从试验结果可以看出，8组液体的浓度对应三分像素范围的变化，实现了亚像素的测量结果，得到的拟合公式(5)
C＝0.044479×N+(-31.03) (4)
C＝0.048×N+(-33.74) (5)
其中，N为阵列器件像素值，C为浓度值。其中拟合公式的斜率对应装置的分辨率，从两者拟合公式来看，微分法得到对应装置分辨率为0.044479，截距为-31.03，亚像素方法得到对应装置分辨率为0.048，截距为-33.74，从拟合公式对比可以看出，两者拟合公式非常接近，而由图5可以看出，微分法完成定标实验过程中，拟合效果是非常理想的，可以作为理论对比公式，来验证亚像素算法。亚像素算法是在低浓度梯度范围内进行定标实验的，其浓度梯度变化范围对应的界限像素位置在亚像素级，完成了定标实验，与微分法定标理论曲线结果相比，非常接近，以此验证亚像素算法实现了较理想的效果，将精度进一步提高。
上述方法的设计过程是针对阵列器件中的线阵传感器件的，对于面阵型传感器件，只需将线阵器件中接收的光强曲线替换为光强二维平面分布数据，然后对纵向进行线性叠加，即实现了二维向一维的转化过程。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：光电传感阵列器件探测得到光强数据，根据光强数据计算获得临界角对应的像素，
S2：提取临界角对应的像素及该像素前后各一个像素，一共获得三个像素的信息，所述信息包括光强信息和坐标信息，计算获得该三个像素对应的反射率微分值；
S3：三个像素能唯一确定一条抛物线，得到抛物线公式；
S4:对抛物线公式求导，导函数为0处即为抛物线峰值处，该峰值处对应为亚像素位置处。
2.如权利要求1所述的一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，对像素进行10等份，以获得亚像素的具体位置。
3.如权利要求1所述的一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，对像素进行100等份，以获得亚像素的具体位置。
4.如权利要求1所述的一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，对像素进行1000等份，以获得亚像素的具体位置。
5.如权利要求1所述的一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，对像素进行2等份以上的任意等份，以获得亚像素的具体位置，对像素进行等份的份数越多，亚像素的具体位置越精确。
6.如权利要求1-5之一所述的一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，步骤S1中，光电传感阵列器件探测得到光强数据，根据光强数据计算获得临界角对应的像素过程中，首先依据光强数据计算获取反射率曲线，再根据反射率曲线计算获得临界角对应的像素。
7.如权利要求6所述的一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，首先依据光强数据计算获取反射率曲线，依据获取的反射率计算获得微分曲线，具体的，将相邻像素位置反射率值微分得到微分曲线；再根据微分曲线计算获得临界角对应的像素。
8.如权利要求7所述的一种基于光电传感阵列测量折射率过程中数据处理方法，其特征在于，首先依据光强数据计算获取反射率曲线，依据获取的反射率计算获得微分曲线，具体的，将相邻像素位置反射率值微分得到微分曲线，依据微分曲线，计算获取微分峰值，微分峰值对应的像素即为需要提取的像素。
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