專利名稱：基于顯微光學(xué)的微納米級(jí)纖維高精度測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的纖維圖像采集、處理與測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種適合微納米 級(jí)纖維測(cè)量的顯微光學(xué)圖像高質(zhì)量采集系統(tǒng)，同時(shí)涉及一種測(cè)量范圍很廣的顯微光學(xué)圖 像分析與處理系統(tǒng)。 背景技術(shù)：
目前纖維細(xì)度檢測(cè)的基本方法主要有纖維顯微投影法、光學(xué)纖維直徑分析法(顯微 圖像法)和輪廓掃描法，而光學(xué)攝像及快速圖像處理方法由于其處理速度快、操作簡(jiǎn)單 等特點(diǎn)成為當(dāng)今最常用的纖維檢測(cè)方法。圖像法的基本原理是利用顯微光學(xué)系統(tǒng)采集纖 維的光學(xué)顯微圖像，經(jīng)過CCD、圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，最后利用計(jì)算機(jī)圖像輔 助處理技術(shù)測(cè)量纖維的細(xì)度。目前應(yīng)用的纖維圖像采集和處理系統(tǒng)，采用普通方法采集 纖維的反射或透射圖像，這種圖像易受背景的選擇和纖維上雜質(zhì)的影響，出現(xiàn)圖像對(duì)比 度不強(qiáng)、纖維邊緣不清晰等問題。對(duì)于大尺度(百微米級(jí))纖維，這類問題通過后期計(jì) 算機(jī)圖像預(yù)處理方法可以適當(dāng)解決，但對(duì)于小尺度(微納米級(jí))纖維，僅僅依靠圖像預(yù) 處理方法并不能有效的解決圖像不清晰帶來的測(cè)量誤差，直接影響了系統(tǒng)檢測(cè)纖維直徑 的精度。纖維直徑是確定纖維品質(zhì)和使用價(jià)值最重要的參數(shù)之一，高品質(zhì)的纖維直徑一 般是在幾微米甚至納米的數(shù)量級(jí)上。對(duì)于這種極細(xì)纖維，目前的圖像測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)不能 滿足高精度的要求。因此，急需研制一種新型的纖維高精度測(cè)量系統(tǒng)，以解決現(xiàn)存的問 題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個(gè)問題就是提供一種高清晰度、高對(duì)比度的纖維光學(xué)圖像采集 系統(tǒng)與設(shè)計(jì)方法，以大大提高后期圖像測(cè)量的精度。本發(fā)明要解決的第二個(gè)問題就是提 供一個(gè)適合測(cè)量纖維形態(tài)參數(shù)的專業(yè)配套軟件，使整個(gè)系統(tǒng)界面更簡(jiǎn)潔、操作更簡(jiǎn)單。
鑒于上述需解決的問題，本發(fā)明的目的是研制一種高精度、適合微納米級(jí)纖維檢測(cè) 的顯微光學(xué)圖像采集與處理系統(tǒng)。要提高系統(tǒng)測(cè)量的精度，首要是解決原圖像的清晰度 問題，本發(fā)明在采集圖像之前，先對(duì)不同纖維進(jìn)行光譜分析，根據(jù)纖維的光學(xué)本質(zhì)適配 合適的濾光器，添加至顯微光學(xué)系統(tǒng)中，有效地解決了纖維圖像對(duì)比度不強(qiáng)、邊緣不清 晰等問題，進(jìn)而提高后期圖像測(cè)量的精度。本發(fā)明研制的系統(tǒng)具有精度高、可靠性好、 成本低、處理速度快、檢測(cè)范圍廣等特點(diǎn)。
本發(fā)明所述的高精度纖維圖像采集、處理與測(cè)量系統(tǒng)(圖1)，采用環(huán)形LED作為 系統(tǒng)光源照射在待測(cè)樣品上，反射光經(jīng)過系統(tǒng)適配的濾光器，進(jìn)入顯微光學(xué)放大系統(tǒng)進(jìn) 行光學(xué)圖像放大；經(jīng)過信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采集光信號(hào)并通過光電轉(zhuǎn)化裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化器將數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)主機(jī)中；應(yīng)用配套的圖像測(cè)量系 統(tǒng)對(duì)采集得到的纖維顯微數(shù)字圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理及圖像測(cè)量；最后顯示測(cè)量得到的纖 維形態(tài)參數(shù)。
為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明第一個(gè)技術(shù)方案是設(shè)計(jì)纖維光學(xué)圖像采集系統(tǒng)， 以便采集到高質(zhì)量纖維圖像，該方法包括下列步驟
第一步驟纖維顯微光學(xué)圖像采集步驟，其特征在于，基于顯微光學(xué)成像技術(shù)，選 用適當(dāng)?shù)墓庠?，適配合適的光學(xué)器件，以獲得清晰、高質(zhì)量的纖維光學(xué)圖像，從而提高 測(cè)量精度；具體包括下列步驟
步驟一采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、低能耗的LED，將若干個(gè)均勻分布LED構(gòu)成的環(huán)型LED 組作為系統(tǒng)的光源，每個(gè)LED均以一定角度照射至樣品；本步驟中采用可自動(dòng)調(diào)焦微 位移樣品臺(tái)，利用DSP驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(圖2)，帶動(dòng)樣品臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的自動(dòng)聚 焦功能；
步驟二適配合適的光學(xué)濾光器，光源照射在纖維樣品上，發(fā)射光經(jīng)過濾光器濾除 雜散光后，作為顯微光學(xué)放大系統(tǒng)的光信號(hào)輸入；本步驟中，通過對(duì)纖維進(jìn)行特征光譜 分析研究，根據(jù)各種不同纖維物質(zhì)的光譜特性，適配相應(yīng)的濾光器，與系統(tǒng)其他部件配 合使用可實(shí)現(xiàn)高清晰度圖像采集；
步驟三將步驟二的輸出信號(hào)輸入到顯微光學(xué)放大系統(tǒng)中，將信號(hào)進(jìn)行光學(xué)放大； 本步驟中核心部件是顯微光學(xué)成像模塊，光學(xué)成像模塊由光學(xué)鏡頭、光源、成像光路、 輔助性機(jī)械結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成，顯微光學(xué)圖像必須考慮其像質(zhì)、清晰度、對(duì)比度以及可處 理性，主要涉及如下幾個(gè)因素圖像放大率、成像空間、圖像質(zhì)量；
圖3為顯微成像光路，其公式如下-
<formula>formula see original document page 5</formula>
成像空間
入瞳直徑
W——物距
"——放大率
z——CCD像元尺度
,——焦距
本步驟中由于采用結(jié)構(gòu)集成度高、體積微小的顯微光學(xué)放大器件，特別適用于現(xiàn)場(chǎng) 測(cè)量。
第二步驟光電轉(zhuǎn)換步驟，采用高分辨率的CCD將第一步驟輸出的放大后光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳輸至計(jì)算機(jī)；
本發(fā)明第二個(gè)技術(shù)方案是設(shè)計(jì)和編制專門的纖維圖像處理和測(cè)量軟件，軟件設(shè)計(jì)分
圖像預(yù)處理和圖像測(cè)量?jī)蓚€(gè)步驟。
第一步驟(圖像預(yù)處理)
圖4為預(yù)處理算法的流程圖，顯微圖像采集與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)傳輸至計(jì)算機(jī)中的是纖維的
彩色圖像，首先需要將彩色圖像轉(zhuǎn)換為適合軟件處理的灰度圖像并將圖像反色、然后選 擇適合的濾波模板對(duì)灰度圖像進(jìn)行濾波，去除圖像中的噪聲點(diǎn)、對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理， 并對(duì)纖維內(nèi)部進(jìn)行填充處理，將纖維中的亮點(diǎn)填充、最后對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)及邊緣跟
蹤處理，得到適合圖像測(cè)量的圖像；
第二步驟(圖像測(cè)量算法)
圖5為圖像測(cè)量算法的流程圖，首先采用水平集方法提取纖維的中心線，應(yīng)用鏈碼
技術(shù)跟蹤提取出的中心線、在中心線中確定計(jì)算起始點(diǎn)并每隔一定歩長(zhǎng)確定下一個(gè)計(jì)算 點(diǎn)、依次提取計(jì)算點(diǎn)處中心線的垂線，計(jì)算該點(diǎn)處纖維的直徑并儲(chǔ)存、計(jì)算結(jié)束后統(tǒng)計(jì) 該纖維的平均直徑。
本發(fā)明涉及的纖維圖像采集、處理與測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)纖維的光學(xué)本質(zhì)來采集纖維圖 像，由于顯微光學(xué)系統(tǒng)采集得到的纖維圖像質(zhì)量高，使得后期的圖像處理的精度也得到 了極大的提高。本發(fā)明所述的系統(tǒng)可適用于動(dòng)物纖維、植物纖維、玻璃纖維以及人體管 狀微小結(jié)構(gòu)等的測(cè)量，特別適合測(cè)量微小尺度纖維的測(cè)量，應(yīng)用范圍十分廣泛。本發(fā)明 所述的系統(tǒng)配有自行編制的專門圖像處理軟件，軟件操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、測(cè)量范圍廣、
精度咼o


圖1系統(tǒng)框圖
圖2顯微光路圖 圖3 DSP驅(qū)動(dòng)電路圖 圖4圖像預(yù)處理流程圖 圖5圖像測(cè)量流程圖 圖6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖7配套軟件界面圖 圖8圖像預(yù)處理結(jié)果圖 圖9軟件測(cè)量結(jié)果顯示圖 具體實(shí)施例方式
實(shí)施例子以測(cè)量植物一棉花的纖維為例，如圖6所示為具體實(shí)施方式
的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖，此系統(tǒng)主要由以下部分組成光源、載物臺(tái)、顯微光學(xué)放大系統(tǒng)、圖像采集轉(zhuǎn)換系
統(tǒng)(CCD)、計(jì)算機(jī)。采用環(huán)型LED組作為系統(tǒng)的光源，光源從正上方照射到植物纖維 樣品上，植物纖維的反射光經(jīng)過適配的濾光器濾除雜散光后傳入顯微光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)鏡 頭；通過CCD將顯微放大后的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件將電信 號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)主機(jī)中；
根據(jù)成像情況，利用DSP驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)微位移載物臺(tái)移動(dòng)，使顯微圖像自動(dòng) 聚焦，圖2所示工作原理；控制脈沖由脈沖輸入端輸入，倍頻勵(lì)磁器用來進(jìn)行脈沖分配， 產(chǎn)生四相電壓，在某相(如a相)輸出為高電平時(shí)，該相的驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，在三極管的 集電極該相電流被放大，步進(jìn)電機(jī)中該相繞組中由較大電流流過，通過不斷的變相，步 進(jìn)電機(jī)能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；
最后通過自制的配套圖像處理軟件對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行圖像處理與計(jì)算,在顯示器上顯 示經(jīng)計(jì)算得出的纖維直徑。
圖7為顯微圖像采集系統(tǒng)采集得到的實(shí)測(cè)纖維顯微圖像在配套軟件中的顯示圖。圖 中所示纖維圖像與普通方法采集得到的纖維圖像相比，圖像中由于背景上雜質(zhì)產(chǎn)生的噪 聲明顯的減少，圖像的對(duì)比度和纖維邊緣的清晰度及連續(xù)性都得到了顯著的改善。背景 噪聲的減少和圖像對(duì)比度的增強(qiáng)方便了后期的計(jì)算機(jī)圖像預(yù)處理，而纖維邊緣的清晰度 和連續(xù)性的改善有效地提高了纖維直徑測(cè)量的精度。圖8為使用配套圖像處理軟件的顯 微圖像預(yù)處理結(jié)果圖，圖9為軟件顯示測(cè)量結(jié)果圖。
權(quán)利要求
1、一種基于顯微光學(xué)的微納米級(jí)纖維高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括下列步驟第一步驟纖維顯微光學(xué)圖像采集步驟，其特征在于，基于顯微光學(xué)成像技術(shù)，選用適當(dāng)?shù)墓庠春瓦m配合適的光學(xué)器件，以獲得清晰、高質(zhì)量的纖維光學(xué)圖像，提高測(cè)量精度；具體包括下列步驟步驟一采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、低能耗的LED，將若干個(gè)均勻分布的LED構(gòu)成的環(huán)型LED組作為系統(tǒng)的光源，每個(gè)LED以一定角度照射到載物臺(tái)上的樣品；步驟二適配合適的光學(xué)濾光器，光源照射在纖維樣品上，發(fā)射光經(jīng)過濾光器濾除雜散光后，作為顯微光學(xué)放大系統(tǒng)的光信號(hào)輸入；步驟三將步驟二的輸出信號(hào)輸入到顯微光學(xué)放大系統(tǒng)中，將對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)放大；第二步驟光電轉(zhuǎn)換步驟，采用高分辨率CCD將第一步驟輸出的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，將纖維數(shù)字圖像信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)；第三步驟計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量步驟，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，將第二步驟輸出的纖維數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行圖像預(yù)處理，利用特定的算法計(jì)算纖維的直徑；具體包括下列步驟步驟一顯微數(shù)字圖像預(yù)處理，將原圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，并將圖像反色、然后選擇適合的圖像濾波模板對(duì)灰度圖像進(jìn)行濾波，去除圖像中的噪聲點(diǎn)、對(duì)圖像進(jìn)行二值化，并對(duì)纖維圖像進(jìn)行填充處理，將纖維中的亮點(diǎn)填充、最后對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到纖維的精確邊緣；步驟二纖維直徑測(cè)量，采用水平集方法提取纖維的中心線，并用鏈碼技術(shù)跟蹤纖維中心線，在中心線中確定計(jì)算起始點(diǎn)并每隔一定步長(zhǎng)確定下一個(gè)計(jì)算點(diǎn)、依次提取計(jì)算點(diǎn)處中心線的垂線，計(jì)算該點(diǎn)處纖維的直徑并儲(chǔ)存、計(jì)算結(jié)束后統(tǒng)計(jì)該纖維的平均直徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顯微光學(xué)的微納米級(jí)纖維高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特 征在于，顯微光學(xué)放大器件結(jié)構(gòu)集成度高，體積微小，特別適用于現(xiàn)場(chǎng)條件測(cè)量， 具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顯微光學(xué)的微納米級(jí)纖維高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特 征在于系統(tǒng)適用范圍廣泛，系統(tǒng)適用于畜牧業(yè)、紡織業(yè)、通訊和醫(yī)療器械等領(lǐng)域 的動(dòng)物纖維、植物纖維、玻璃纖維以及人體管狀微小結(jié)構(gòu)等的檢測(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顯微光學(xué)的微納米級(jí)纖維高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特 征在于，計(jì)算機(jī)主機(jī)控制DSP驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)微位移載物臺(tái)移動(dòng)，使顯微 系統(tǒng)自動(dòng)聚焦。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顯微光學(xué)的微納米級(jí)纖維高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特 征在于，圖像處理軟件不僅能測(cè)量纖維直徑，還具有測(cè)量纖維其他形態(tài)參數(shù)的功
全文摘要
本發(fā)明所述的是一種新型的基于顯微光學(xué)的微納米級(jí)纖維高精度測(cè)量系統(tǒng)，它是由顯微光學(xué)放大系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換裝置以及計(jì)算輔助測(cè)量系統(tǒng)組成。其特點(diǎn)是采用環(huán)形LED作為系統(tǒng)光源照射在待測(cè)樣品上，反射光通過系統(tǒng)適配的濾光器后，經(jīng)過顯微光學(xué)放大系統(tǒng)將纖維圖像放大，形成高質(zhì)量的顯微圖像；經(jīng)過CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)主機(jī)中；應(yīng)用配套的圖像測(cè)量系統(tǒng)對(duì)采集得到的纖維數(shù)字圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理及圖像測(cè)量；最后顯示測(cè)量得到的纖維形態(tài)參數(shù)。本發(fā)明所述系統(tǒng)能夠采集高質(zhì)量顯微圖像，具有測(cè)量精度高、可靠性好、成本低、檢測(cè)范圍廣等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/08GK101354240SQ200810124418
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者俞曉磊, 李洪均, 王開圣, 趙志敏, 敏 鄭, 遠(yuǎn) 陳 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)