一种多色光照明三维粒子成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多色光照明三维粒子成像系统及方法，该系统包括照明模块、待测样品、光学成像子系统、图像记录子系统和粒子图像重建子系统；本发明专利技术利用照明模块的多色光照明待检测粒子场，得到目标散射光场，并传输至光学成像子系统；光学成像子系统接收散射光场进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统，通过多个CCD相机记录多波长图像；对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合多波长重建图像获取三维层析图像，并对三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像。本发明专利技术提供高精度粒子坐标、高信噪比及高对比度重建图像、能够适应复杂环境中的粉尘及颗粒检测。

【技术实现步骤摘要】
一种多色光照明三维粒子成像系统及方法
本专利技术涉及三维粒子场表征
，具体涉及一种多色光照明三维粒子成像系统及方法。
技术介绍
利用三维成像技术获取粒子三维坐标、形状、速度是冲击动力学、湍流、海洋、生物、大气等相关领域粒子动力学研究的重要内容。根据相关报道，目前相关研究中，主要采用全息技术获取三维粒子信息。全息成像技术具有三维再现能力，能够给出颗粒的三维空间分布和粒径分布，在粒子场信息(包括颗粒数量、空间分布、颗粒度)表征方面优势明显，并获得了广泛应用，相关研究已有近30年的历史。其主要原理如下：用准直激光照明粒子场，其前向散射场经光学系统传播至记录介质平面，并与未受干扰的透射波干涉，产生全息图像；通过全息重建方法及图像处理技术，可获得三维粒子信息。然而，受制于激光相干性及光路元器件多次反射的影响，图像中会引入相干噪声，当与粒子强度可比拟时，无法从背景识别粒子。并且，由于光学系统缺陷、相邻粒子间的多次散射和检测环境复杂性等都会降低全息图像对比度。尤其在复杂环境中，由于粒子浓度动态范围大，传统全息技术无法获取有效数据，甚至失效。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有的全息成像技术受制于激光相干性及光路元器件多次反射的影响，图像中会引入相干噪声，当与粒子强度可比拟时，无法从背景识别粒子。并且，由于光学系统缺陷、相邻粒子间的多次散射和检测环境复杂性等都会降低全息图像对比度。尤其在复杂环境中，由于粒子浓度动态范围大，传统全息技术无法获取有效数据，甚至失效。本专利技术目的在于提供一种多色光照明三维粒子成像系统及方法，本专利技术公开了一种多色光照明、多幅图像合成的三维粒子成像技术，具体如下：用多色光照明待检测粒子场得到散射光场，用光学成像子系统接收散射光场，并用多个CCD相机(包括黑白相机和彩色相机)同时记录多波长图像，对每个波长进行衍射重建，融合多波长信息进行三维层析图像重建。本专利技术系统及方法可抑制相干噪声、系统噪声及环境噪声，可提高粒子图像重建质量，从而可提高粒子信息获取精度。并且，本专利技术可采用紧凑型光纤激光照明方式，能够提供一种便携式三维粒子成像系统。因此，发展多色光照明三维粒子成像技术，对于复杂环境中(如煤矿、车间及建筑工程等环境)的粉尘及颗粒检测具有重要意义。本专利技术通过下述技术方案实现：一方面，本专利技术提供了一种多色光照明三维粒子成像系统，该系统包括：照明模块、光学成像子系统、图像记录子系统和粒子图像重建子系统；所述图像重建子系统通过数据传输线连接所述图像记录子系统，所述图像重建子系统通过控制线连接所述照明模块；照明模块，用于产生多色照明源，通过粒子图像重建子系统触发所述多色照明源，多色照明源输出不同波长的多色光以不同角度(包括同轴及斜入射)照明待测样品区域，得到目标散射光；所述多色照明源包括功率可调的连续多色照明源或脉冲能量可调的脉冲多色照明源；所述光学成像子系统，用于把目标散射光进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统；所述图像记录子系统，用于记录所述光学成像子系统处理得到的各个波长图像；所述粒子图像重建子系统，用于对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合所述多波长重建图像获取三维层析图像，并对所述三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像，提供每颗粒子投影图像。进一步地，所述照明模块采用紧凑型光纤激光照明方式。进一步地，所述多色光包括相干光、部分相干光及光纤激光等。进一步地，所述粒子图像重建子系统的执行过程如下：距离光学成像子系统离物平面100μm量级处放置二维目标(放置二维目标的方式为将直径为10μm量级的金属颗粒随沉积在透明玻璃板表面)，依次用三束光照明所述二维目标，并记录相应的衍射图像；利用基于梯度信息进行自动聚焦，获得最佳聚焦位置；通过斜入射照明对应的衍射图像中心将在记录平面将发生偏移，通过平移量与斜入射角的几何关系，确定入射角度；根据获取的不同波长光的聚焦位置、入射角度及及记录图像，对不同波长对应的粒子图像衍射重建，得到不同波长光对应的三维切片；利用单像素量级标准颗粒样品对应的衍射重建图像作为系统点扩散函数，根据所述不同波长光的三维切片和系统点扩散函数进行图像融合，得到融合后一套图像切片的重建结果；基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；其中，进行图像融合过程采用以下公式：I为多波长图像融合后的切片图像，IR、IG和IB表示不同波长对应的衍射重建图像，表示Im对应的点扩散函数，F表示傅里叶变换，τ为正则化项。进一步地，所述基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；包括：对所述重建结果的一套图像切片进行伽马变换，得到增强图像切片；基于增强图像切片，通过三个尺度的最小值滤波产生不同尺度的图像，并对每个尺度进行循环OTSU迭代，ROI方差低于设定阈值时停止迭代；利用不同尺度ROI的均值、标准差、众数对所得的方差和众数加权，取众数加标准差作为最终分割阈值；完成分割后对得到的分割mask进行腐蚀和膨胀。进一步地，所述图像记录子系统包括多个CCD相机，所述CCD相机包括黑白CCD相机、彩色CCD相机。进一步地，所述待测样品区域的待测样品包括粉尘、颗粒、液滴、海洋微生物或雪花。进一步地，所述光学系统采用光纤耦合方式进行照明及图像传输，使光学成像子系统更加紧凑，减小了系统硬件实现难度，可提供便携式系统。进一步地，该系统适应于复杂环境中的粉尘及颗粒检测，包括冲击动力学实验、煤矿、车间内及建筑工程中粉尘表征及分析。另一方面，本专利技术还提供了一种多色光照明三维粒子成像方法，该方法包括以下步骤：S1，图像记录：利用照明模块的多色光照明待检测粒子场，得到目标散射光场，并传输至光学成像子系统；所述光学成像子系统接收散射光场进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统，通过多个CCD相机记录多波长图像；所述多色光包括相干光、部分相干光及光纤激光等；S2，图像重建：对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合所述多波长重建图像获取三维层析图像，并对所述三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像，提供每颗粒子投影图像。工作原理是：本专利技术设计了一种多色光照明、多幅图像合成的三维粒子成像技术，该方法实现分两步：(1)图像记录和(2)图像重建。图像记录阶段用多色光(包括相干、部分相干及光纤激光等)照明待检测粒子场得到散射光场，光学成像子系统接收散射光场，多个CCD相机(包括黑白CCD相机、彩色CCD相机)记录多波长图像；图像重建阶段，对每个波长图像进行衍射重建得到多波长重建图像，融合多波长重建图像获取三维层析图像，对三维层析图像进行处理获取三维粒子图像。与传统方法相比，本专利技术公开的技术提供高精度粒子坐标、高信噪比及高对比度重建图像、能够适应复杂环境中的粉尘及颗粒检测，如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多色光照明三维粒子成像系统，其特征在于，该系统包括：照明模块、光学成像子系统、图像记录子系统和粒子图像重建子系统；所述图像重建子系统通过数据传输线连接所述图像记录子系统，所述图像重建子系统通过控制线连接所述照明模块；/n照明模块，用于产生多色照明源，通过粒子图像重建子系统触发所述多色照明源，多色照明源输出不同波长的多色光以不同角度照明待测样品区域，得到目标散射光；所述多色照明源包括功率可调的连续多色照明源或脉冲能量可调的脉冲多色照明源；/n所述光学成像子系统，用于把目标散射光进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统；/n所述图像记录子系统，用于记录所述光学成像子系统处理得到的各个波长图像；/n所述粒子图像重建子系统，用于对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合所述多波长重建图像获取三维层析图像，并对所述三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种多色光照明三维粒子成像系统，其特征在于，该系统包括：照明模块、光学成像子系统、图像记录子系统和粒子图像重建子系统；所述图像重建子系统通过数据传输线连接所述图像记录子系统，所述图像重建子系统通过控制线连接所述照明模块；
照明模块，用于产生多色照明源，通过粒子图像重建子系统触发所述多色照明源，多色照明源输出不同波长的多色光以不同角度照明待测样品区域，得到目标散射光；所述多色照明源包括功率可调的连续多色照明源或脉冲能量可调的脉冲多色照明源；
所述光学成像子系统，用于把目标散射光进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统；
所述图像记录子系统，用于记录所述光学成像子系统处理得到的各个波长图像；
所述粒子图像重建子系统，用于对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合所述多波长重建图像获取三维层析图像，并对所述三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像。


2.根据权利要求1所述的一种多色光照明三维粒子成像系统，其特征在于，所述照明模块采用紧凑型光纤激光照明方式。


3.根据权利要求1所述的一种多色光照明三维粒子成像系统，其特征在于，所述多色光包括相干光、部分相干光及光纤激光。


4.根据权利要求1所述的一种多色光照明三维粒子成像系统，其特征在于，所述粒子图像重建子系统的执行过程如下：
距离光学成像子系统离物平面100μm量级处放置二维目标，依次用三束光照明所述二维目标，并记录相应的衍射图像；利用基于梯度信息进行自动聚焦，获得最佳聚焦位置；
通过斜入射照明对应的衍射图像中心将在记录平面将发生偏移，通过平移量与斜入射角的几何关系，确定入射角度；
根据获取的不同波长光的聚焦位置、入射角度及记录图像，对不同波长对应的粒子图像衍射重建，得到不同波长光对应的三维切片；
利用单像素量级标准颗粒样品对应的衍射重建图像作为系统点扩散函数，根据所述不同波长光的三维切片和系统点扩散函数进行图像融合，得到融合后一套图像切片的重建结果；基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；
其中，进行图像融合过程采用以下公式：



式中，I为多波长图像融合后的切片图像，IR、IG和IB表示不同波长对应的衍射重建图像，表示Im对应的点扩散函数，F表示傅里叶变换，τ为正则化项。


5.根据权利要求4所述的一种多色光照明三维粒子成像系统，其特征在于，基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；包括：
对所述重建结果图像切片进行伽马变换，得到增强图像切片；基于增强图像切片，通过三个尺度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李生福，赵宇，朱瑜，周平伟，蒙建华，刘振清，叶雁，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51