颗粒形态的光学检测方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术操作简单有效，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学测量
，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术相比现有技术具有以下有益效果和优势：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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为本专利技术方法的示意图；图2为本专利技术装置的示意图；图3为本专利技术实施例的示意图；图4为本专利技术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专利技术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专利技术的范围，本专利技术的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本专利技术权利要求基础上的改动都是本专利技术的保护范围。为了便于理解本专利技术的实施例，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，而不意欲限制本专利技术的实施例的应用。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。本专利技术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。本专利技术采用颗粒分散装置对颗本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，李培，周丽萍，丁志华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33