CN114034713A - 一种基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干涉粒子成像(IPI)技术的液体体系异物检测方法；片状光束照射待测液体，在侧向散射角区域，成像系统接收待测液体散射光所形成的聚焦像或/和离焦像，根据是否含有图像判断待测液体中是否含有异物。其中，对球形透明异物，记录的是聚焦两点像或干涉条纹图；对非球形透明异物，记录的是聚焦多点像或类似于散斑样的干涉图；对不透明粒子，采用双光束照射的IPI系统。该方法利用不同散射光之间的干涉成像，不同于传统的成像技术，这种非接触测量方法具有原理简单、快速、实用性强等特点，可用于输液、滴眼液、白酒等中的异物检测，特别适合于透明液体中的透明异物检测。

Description

一种基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法

技术领域

本发明属于检测领域，尤其是涉及一种基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法。

背景技术

输液中的异物检测是制药过程一个重要环节，是药品质量的可靠保证。目前提出的检测方法主要有灯检法、光阻法、高光谱法和基于机器视觉法等。

人工灯检法是最早的药液异物检测方法，应用场景最为广泛。该方法是在特定灯光的照射下，人工分辨输液袋中的异物，判断输液质量是否合格。通过设计底部照明及背部照明相结合的光源照明方案，提高图片中异物与背景的对比度及异物图像的清晰度。这种方法设施简单，效率低，准确度较低，长时间在高亮度高噪声环境中工作，对身体健康有很大伤害，增加劳动成本。专利CN201637688U公开一种用于自动灯检机的异物检测装置，该装置特点是设计一种支承架支承转盘，消除了来自于瓶体上的光线干扰，压盘可以自由升降，且与转盘分开，结构更灵活。专利CN202720200U公开一种可见异物检测系统，该系统是基于灯检法原理，在偏振光下检查样品，消除人眼疲劳，采用仿人手动作的摆臂机构和液晶屏同步图像显示，实现异物检测。

机器视觉法是利用机器视觉技术模拟人工检测流程的自动灯检法，是一种成像技术。该技术是利用视觉成像系统获取待检样品的连续图像序列，通过图像处理和模式识别算法，实现液体中微粒杂质的自动检测和识别。该方法收集信息量大、处理速度快、可定量提取分析，达到对产品精度分级的目的，排除人为检测带来的疲劳等原因，造成检测质量存在不确定性因素的影响主观因素，且可适应复杂的工业现场环境。但该方法检测精度取决于图像处理算法。

光阻法，也称为光遮挡法、光障碍法。其基本原理是激光束照射检测区域，微粒遮挡了激光束，使入射光的光强度减弱，从而产生电脉冲信号，在前向探测光强变化。根据液体中微粒粒径与电脉冲信号的幅值对应关系，实现异物杂质及其粒径大小信息检测。由光束衰减，以及检测过程中产生的气泡所引入的遮光干扰等，很容易导致可见异物的误检和漏检。

高光谱法，该方法是根据每种物质的光谱信息实现对物质的检测和分类问题。专利CN113095305A公开了一种医药异物高光谱分类检测方法。该方法是对医药异物高光谱图像，利用多项式平滑滤波抑制噪声，光谱波段聚类分组PCA降维，结合半监督LDA的特征提取方法用波段聚类分组PCA降维对预处理后图像进行降维处理，并通过半监督LDA提取光谱特征，通过二维Gabor滤波器提取空间特征，实现异物特征提取，再利用支持向量机实现检测识别。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，尤其适合用于透明液体中透明异物的检测。

本发明采用的技术方案是：一种基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，片状光束照射待测液体，在侧向散射角区域，成像系统接收待测液体散射光所形成的聚焦像或/和离焦像；

若视场中无光，则表明液体体系中无异物；

若视场中有图像，则表明液体体系中有异物。

优选地，检测是否包含异物和/或所包含异物的形状。

优选地，判断标准如下：

若在离焦像面形成条纹样的干涉图，

或/和，在聚焦像面形成两点像，则判断具有透明球形异物；

若在离焦像面形成散斑状干涉条纹图，

和/或，在聚焦像面形成多点像，则判断具有透明非球形异物。

优选地，采用双光束照明的干涉粒子成像系统，能够检测透明和/或不透明的异物。

优选地，判断标准如下：

若离焦像面形成干涉条纹图或/和多频率干涉条纹图，

或/和，在聚焦像面形成两点像或多点像，则判断具有球形异物；

若在离焦像面形成散斑样的干涉图，

或/和在聚焦像面形成多点像，则判断具有非球形异物，

进一步通过单光束照明的干涉粒子成像系统的聚焦像和离焦像，判断异物透明性。

优选地，在一个或多个散射角度上采集待测液体散射光所形成的聚焦像或/和离焦像。

本发明具有的优点和积极效果是：本方案为非接触测量方法，原理简单，检测快速，准确度高，实用性强；能够用于输液，滴眼液，白酒等液体中异物的检测，尤其适合检测透明液体中透明异物的检测。

附图说明

图1是本发明基于干涉粒子成像(IPI)的异物检测光路系统示意图；

图2是本发明双光束照明的IPI异物检测光路系统示意图；

图3是本发明一个实施例异物检测光路系统示意图；

图4为实施例1中记录的无异物时输液袋的离焦像；

图5为实施例1中记录的有异物时输液离焦条纹图；

图6为实施例1中透明球形异物颗粒的条纹图；

图7为模拟的实施例2中透明非球形异物颗粒的条纹图及其聚焦像；

图8为模拟的实施例2中透明非球形异物颗粒的条纹图及其聚焦像；

图9为模拟的实施例2中多种形状异物颗粒的条纹图；

图10为实施例3中样品检测得到的条纹图；

图中：1、激光器；2、扩束压缩系统；3、待测液体；4、成像透镜；5、CCD；6、分光镜；7、反射镜；8、快门。

具体实施方式

下面结合附图1和3对本发明的实施例做出说明。

本发明涉及一种基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，片状光束照射待测液体，在侧向散射角区域，成像系统接收待测液体散射光所形成的聚焦像或/和离焦像；若聚焦像面或/和离焦像面视场无光，则表明液体体系中无异物；如果产生聚焦像面或/和离焦像面中有图像，则表示有异物，根据图像内容能够对异物形状做出简单分类。

干涉粒子成像系统能够用于检测透明异物，可依据如下标准判断：若在离焦像面形成干涉条纹图，或/和在聚焦像面形成两点像，则判断具有透明球形异物；若在离焦像面形成散斑状干涉图，或/和在聚焦像面形成多点像，则判断具有透明非球形异物。同样的，既可以只根据离焦像面或聚焦像面判断异物形状，也可以结合离焦像面和聚焦像面图像对异物形状进行判断。

采用双光束照明的干涉粒子成像系统，如图2，能够检测透明和/或不透明的异物；判断标准为：若离焦像面形成干涉条纹图或/和多频率干涉条纹图，或/和在聚焦像面形成两点像或/和多点像，则判断具有球形异物；若在离焦像面形成散斑样干涉图，或/和在聚焦像面形成多点像，则判断具有非球形异物，进一步通过单光束照明的干涉粒子成像系统的聚焦像和离焦像，判断异物透明性。，判断过程中，可仅根据离焦像面或聚焦像面结果判定异物形状，也可以结合离焦像面和聚焦像面结果对异物形状进行判定

成像系统包括成像透镜和探测器CCD；成像系统包括一组或多组，多组所述成像系统分别设置在不同角度上，同一时间通过对多角度的散射光所形成的聚焦像和/或离焦像的记录，在一个或多个散射角度上采集待测液体散射光所形成的聚焦像和/或干涉条纹图，实现宽尺寸范围和不同形状的异物检测，提高准确性也提高检测效率。干涉粒子成像系统中，入射光为垂直偏振光，侧向散射角的区域选取p＝0阶反射光和p＝1阶折射光光强相等时的散射角。双光束照明系统中，两束照明光强度相等，对称入射；优选地，双光束照明系统中，两束照明光相向照明，在90°散射角区域记录。另外，条纹图和散斑样的干涉图形状取决于成像系统的孔径形状，大小由成像系统参数决定，可以为圆形也可以为其他形状。

图1为本发明干涉粒子成像系统原理图，其中激光器1发射光束，通过扩束压缩系统2形成片状光束，片光照射待测样品3，由成像透镜4和探测器CCD 5组成的成像系统接收散射光。

图2是双光束照明的IPI异物检测光路系统示意图，其中激光器1发出光束，通过扩束压缩系统2形成片状光束，片光束经分束镜分成两束，其中一光束直接照射待测液体3，另一光束通过反射镜反射后在入射到待测液体3，由成像透镜4和探测器CCD 5组成的成像系统接收散射光。若待测液体中存在异物时，光照射异物，发生散射，在离焦像面和聚焦像面上形成相应图像，根据图像内容可对异物情况进行判断。

以单光束照明的干涉粒子成像系统，图3为例，检测具体步骤如下：

步骤一、搭建如图3所示的干涉粒子成像(IPI)系统，在侧向记录待测输液样品散射场的离焦像或/和聚焦像；

步骤二、由所记录的离焦像或/和聚焦像，判断是否有异物；

视场无光，则证明待测液样品中无异物；

如果离焦像面上形成条纹状干涉条纹图，或/和聚焦像面上形成两点像，则证明样品中含有球形透明异物；

如果离焦像面上形成散斑样干涉图，或/和聚焦像面上形成多点像，则证明样品中含有非球形透明异物。

本发明利用不同散射光之间的干涉成像，不同于传统的成像技术，这种非接触测量方法具有原理简单、快速、实用性强等特点，可用于输液、滴眼液、白酒等中的异物检测，特别适合于透明液体中的透明异物检测。

下面结合具体实施例对本发明做出进一步说明。

实施例1：

1.1光路系统搭建

搭建如图3所示光路系统，包括激光器1、扩束压缩系统2，扩束压缩系统包括扩束准直系统和光束压缩系统，待测液体3、成像透镜4和CCD 5。

其中，激光器1为波长λ＝532nm，最大功率为1.5W的垂直偏振的半导体激光器。激光器1发出的细光束经三个柱透镜组成的扩束压缩系统2变为长10mm、宽2mm的片状光束，片光照射待测样品3，由成像透镜4和探测器CCD 5组成的成像系统接收散射光。该成像系统放大率为M＝0.1，CCD的象素数为2448×2048，象素尺寸3.45μm×3.45μm。

1.2样品制备

实验样品为无异物的氯化钠软袋注射液，命名为样品一；

1.3异物检测及其形状判断

将样品一置于光路系统中，采集离焦像，如图4所示，视场无光，高亮反射区为输液软袋边缘产生的；

通过注射器给样品一注入直径70μm，折射率1.59的聚乙烯(Polystyrene Latexparticles:PSL)粒子，命名为样品二。再将样品二置于光路系统中，采集离焦像，如图5所示，观察到圆形散射斑样干涉图，该圆形散斑样的图像为经塑料袋包装的PSL粒子条纹图，边缘高亮反射区同样为塑料软袋边缘产生；

将样品二的注射液从塑料软袋倒入玻璃样品池中，命名为样品三，再置于光路系统中，采集离焦像，如图6所示，圆形条纹图为PSL在离焦像面上形成干涉条纹图。

由此可见，对球形透明异物形成圆形干涉条纹图；若液体装入各种袋、透明玻璃瓶中，其包装袋/瓶将会影响条纹图；若视场无光或均匀，则为无异物；

实施例2：

以图3所示的实验光路为例，基于傅里叶光学的IPI模拟模型，模拟球形和非球形颗粒的散射成像，模拟参数：激光波长532nm，散射角70°，收集角7.34°，相对折射率1.33，成像系统放大率0.3，成像透镜焦距50mm，F^#1.8，离焦距离1.5mm，物距216.67mm，CCD的像元尺寸3.45μm×3.45μm，素数1024×1024。

模拟结果如图7-9所示，图7为透明球形异物颗粒的条纹图及其聚焦像，在离焦像面形成干涉条纹图，在聚焦像面形成两点像；图8为透明非球形异物颗粒的条纹图及其聚焦像，在离焦像面形成散斑样干涉图，在聚焦像面形成多点像；图9为多种形状异物颗粒的干涉图，包含透明球形和透明非球形异物颗粒，。

实施例3：

取装在塑料软袋中未知输液样品四进行检测，将样品四置于图3所示的光路中，采集离焦像，如图10所示，观察到散斑样干涉图，证明该样品有异物，但是由于塑料软袋的作用，并不能准确判断异物形状。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，其特征在于：片状光束照射待测液体，在侧向散射角区域，成像系统接收待测液体散射光所形成的聚焦像或/和离焦像；

若视场中无光，则表明液体体系中无异物；

若视场中有图像，则表明液体体系中有异物。

2.根据权利要求1所述的基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，其特征在于：检测是否包含异物和/或所包含异物的形状。

3.根据权利要求1所述的基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，其特征在于：判断标准如下：

若在离焦像面形成干涉条纹图，

或/和，在聚焦像面形成两点像，则判断为透明球形异物；

若在离焦像面形成散斑样的干涉图，

或/和，在聚焦像面形成多点像，则判断具有透明非球形异物。

4.根据权利要求1所述的基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，其特征在于：采用双光束照明的干涉粒子成像系统，能够检测透明和/或不透明的异物。

5.根据权利要求4所述的基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，其特征在于：判断标准如下：

若离焦像面形成干涉条纹图或/和多频率干涉条纹图，

或/和，在聚焦像面形成两或多点像，则判断具有球形异物；

若在离焦像面形成散斑图样的干涉图，

或/和，在聚焦像面形成多点像，则判断为非球形异物，

进一步通过单光束照明的干涉粒子成像系统的聚焦像和离焦像，判断异物透明性。

6.根据权利要求1-5中任一所述的基于干涉粒子成像技术的液体体系异物检测方法，其特征在于：在一个或多个散射角度上采集待测液体散射光所形成的聚焦像或/和离焦像。

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