基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，該方法在顯微鏡上拍攝離散的標(biāo)準(zhǔn)尺寸顆粒圖像，然后沿x或者y方向測(cè)量顆粒邊緣的灰度分布曲線與背景灰度水平線的交點(diǎn)的間距，逐行/逐列掃描間距，最大值為該方向上測(cè)量的圖像直徑。沿z方向掃描不同離焦區(qū)域，測(cè)量顆粒離焦成像時(shí)的圖像直徑，最小的圖像直徑為顆粒在顯微圖像上的等效直徑。采用測(cè)量等效直徑的方法，測(cè)量一系列尺寸標(biāo)準(zhǔn)顆粒的等效直徑，建立顆粒等效直徑和真實(shí)直徑的特征曲線，該曲線表征了拍攝顯微圖片儀器的測(cè)量顆粒的特性。對(duì)尺寸落在特征曲線范圍內(nèi)的待測(cè)顆粒，直接測(cè)量其等效直徑，根據(jù)特征曲線即可精確地得到未知顆粒的真實(shí)直徑。
【專利說(shuō)明】基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理和微觀粒徑檢測(cè)的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于顯微成像的 圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微觀顆粒粒徑檢測(cè)技術(shù)在生物、物理和化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如測(cè)量細(xì)胞 大小，檢測(cè)粉體粒度，控制藥劑中的懸浮顆粒粒徑，特別是在生物大分子實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)單分子 手柄小球的粒徑。目前測(cè)量顆粒粒徑有篩析法、沉降天平法、電阻法、顯微圖像測(cè)量法和激 光散射法，除此之外，還有通過(guò)追蹤液相中顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)反演擴(kuò)散系數(shù)，從而獲得顆粒的 流體力學(xué)半徑。盡管已有很多方法可以測(cè)量顆粒粒徑，但廉價(jià)的儀器測(cè)量精度差，只能用于 定性表征，而能高精度表征顆粒粒徑的儀器，如動(dòng)態(tài)光散射儀和透射電鏡，則儀器昂貴不宜 普及。
[0003] 用顯微圖像法測(cè)量粒徑的系統(tǒng)，一般由顯微鏡、視頻相機(jī)和計(jì)算機(jī)等部分組成。顆 粒經(jīng)過(guò)顯微鏡放大后用視頻相機(jī)拍攝顯微圖像，然后將這些圖像進(jìn)行邊緣識(shí)別等處理，獲 得顆粒圖像圍繞的面積計(jì)算出顆粒的粒徑。這種方式檢測(cè)的粒徑與真實(shí)的顆粒粒徑之間存 在差異，雖然通過(guò)多次更換視場(chǎng)提高測(cè)量的精度，但其測(cè)量結(jié)果大于電鏡測(cè)量的結(jié)果。測(cè)量 的粒徑與顆粒真實(shí)粒徑之間差異還依賴顆粒大小，因此基于邊沿識(shí)別的方法多用于定性分 析顆粒粒度及形貌。
[0004] 本發(fā)明提出了一種基于圖像灰度分析測(cè)量顆粒粒徑的測(cè)量方法，即為圖像灰度顆 粒粒徑測(cè)量法。用新方法測(cè)量顆粒粒徑達(dá)到誤差〈1 %的高精度測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于顯微成像的圖像高精度檢測(cè)顆粒粒徑的方法，該方 法適于各種干粉顆粒，或懸濁液和乳狀液中的微小顆粒的粒徑。
[0006] 本發(fā)明的原理在于：
[0007] 首先建立測(cè)量顯微圖像中顆粒的等效直徑De方法，具體流程見(jiàn)圖1。根據(jù)顆粒的 等效直徑檢測(cè)方法，測(cè)量一系列標(biāo)準(zhǔn)尺寸顆粒（已知真實(shí)直徑〇 3)相應(yīng)的等效直徑，建立顯 微成像系統(tǒng)的De-Ds特征曲線，并在該特征曲線下查找待測(cè)樣品測(cè)量等效直徑所對(duì)應(yīng)的真 實(shí)的顆粒直徑，見(jiàn)圖2。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法， 其特征在于：該方法的步驟如下：
[0009] 步驟1.將樣品稀釋為稀溶液，在光學(xué)顯微鏡下采用視頻相機(jī)觀察視場(chǎng)，保持在相 機(jī)成像視場(chǎng)中樣品中的微粒為分散狀態(tài)，調(diào)節(jié)顆粒成像的軸向位置，拍攝在離焦下顆粒的 顯微圖像；
[0010] 步驟2.對(duì)所拍攝的圖片沿X或者y方向進(jìn)行灰度掃描，計(jì)算顆粒邊緣的灰度分布 曲線，用灰度峰值分布最寬的位置確定為顆粒的中心位置；
[0011] 步驟3.圍繞顆粒中心，分別沿x和y方向選取小范圍，該小范圍為最大峰寬的 10%至20%，選取某一點(diǎn)過(guò)顆粒圖像的線作出灰度分布，測(cè)量該灰度分布曲線與圖像的灰 度背景直線相交點(diǎn)的間距，由于顆粒成像灰度分布范圍內(nèi)必然存在兩個(gè)及兩個(gè)以上的交 點(diǎn)，選取靠近衍射環(huán)邊沿的兩個(gè)交點(diǎn)，間距最大值為顆粒在該方向上顆粒的圖像直徑D i ;這 樣在兩個(gè)方向上確定出Dix和Diy，圓形顆粒有Dix?D iy，它們的平均值為檢測(cè)顆粒的圖像直 徑Di ;
[0012] 步驟4.按步驟2和步驟3分析顆粒沿軸向離焦即z方向時(shí)圖像灰度，測(cè)量不同Z 方向位置時(shí)顆粒的圖像直徑，用這一系列圖像直徑中最小值為顆粒的等效直徑隊(duì)；
[0013] 步驟5.拍攝一系列已知直徑Ds的顆粒圖像，用步驟2-4檢測(cè)它們對(duì)應(yīng)的D e，將直 徑比例DyDs與Ds進(jìn)行曲線擬合，該曲線為此成像系統(tǒng)檢測(cè)顆粒直徑的特征曲線；
[0014] 步驟6.拍攝不同z方向位置的待測(cè)樣品顆粒的顯微圖像，測(cè)量顆粒的等效直徑， 通過(guò)查找系統(tǒng)的特征曲線得出真實(shí)直徑。
[0015] 其中，對(duì)顆粒的不同軸向位置進(jìn)行圖像直徑檢測(cè)，可用于構(gòu)建顆粒的三維成像。
[0016] 其中，等效直徑檢測(cè)方法可用于檢測(cè)顆粒二維平面全方位角度上的顆粒真實(shí)邊 沿。這種邊沿檢測(cè)方式可適于不規(guī)則顆粒邊沿檢測(cè)，則可將顆粒邊沿圍繞的面積，與標(biāo)準(zhǔn)顆 粒的圍繞面積，建立成像系統(tǒng)的特征曲線去檢測(cè)待測(cè)樣品的粒徑，此方式均受權(quán)利1的保 護(hù)。
[0017] 其中，該方法適用于以熒光修飾在一系列標(biāo)準(zhǔn)顆粒表面，采用等效直徑檢測(cè)方法 建立熒光顯微成像系統(tǒng)中真實(shí)粒徑與圖像檢測(cè)結(jié)果的特征曲線，從而測(cè)量熒光發(fā)光顆粒的 粒徑。
[0018] 其中，以球形顆粒校準(zhǔn)成像系統(tǒng)的特征曲線，同樣適于檢測(cè)橢偏度較低的橢球形 顆粒。
[0019] 其中，該方法適于不同折射率樣品，包括透明和不透明顆粒。
[0020] 其中，該方法測(cè)量微粒的圖像，適用于基于光學(xué)成像顯微鏡的各類顯微鏡的顯微 圖像；
[0021] 其中，該方法適于待測(cè)樣品為干粉或溶液保存的樣品。
[0022] 其中，該方法適于高數(shù)值孔徑物鏡，包括油浸、水浸和空氣系物鏡所拍攝的顯微圖 像中顆粒粒徑檢測(cè)。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為：
[0024] 1)、本發(fā)明方法測(cè)量精度誤差〈1% (2μπι顆粒）。與電鏡等昂貴儀器測(cè)量精度相 當(dāng)，但費(fèi)用相對(duì)低，且方法簡(jiǎn)單；對(duì)比基于顆粒邊沿檢測(cè)技術(shù)得到的顆粒直徑更準(zhǔn)確。
[0025] 2)、本發(fā)明所采用的粒徑檢測(cè)方法不依賴顯微鏡成像質(zhì)量高低，只要具備顯微成 像條件，并且在不同成像條件下都可使用本方法。
[0026] 3)、顯微圖像法測(cè)量顆粒粒徑，每個(gè)人判斷最佳成像均有差別，很難量化出標(biāo)準(zhǔn)儀 器的特征曲線。邊沿檢測(cè)方法受儀器穩(wěn)定性和操作人員的影響，很難量化出該儀器的特征 曲線。本發(fā)明圖像灰度顆粒粒徑測(cè)量法，首先校準(zhǔn)顆粒的離焦量，不存在操作人員主觀因素 導(dǎo)致的測(cè)量誤差，檢測(cè)的等效直徑幾乎不變，因此本發(fā)明方法可以表征儀器的特征曲線。
[0027] 4)、本發(fā)明可測(cè)量的粒徑范圍>0. 2 μ m，顆粒粒徑的越大檢測(cè)結(jié)果越精確，而邊沿 檢測(cè)方法檢測(cè)粒徑>1 μ m。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為圖像灰度檢測(cè)等效直徑隊(duì)流程圖。
[0029] 圖2為待測(cè)樣品顆粒真實(shí)直徑的檢測(cè)流程。
[0030] 圖3為圖像法測(cè)量顆粒的圖像直徑。其中，（a)圖為顆粒的顯微圖像；(b)圖為（a) 圖黑色橫線灰度分布曲線，圖中直線為顯微圖像的背景灰度值，直線與灰度分布曲線相交 兩點(diǎn)，兩點(diǎn)間隔D i為測(cè)量的圖像直徑。
[0031] 圖4為沿z方向不同位置時(shí)顆粒成像的圖像直徑。
[0032] 圖5為標(biāo)準(zhǔn)尺寸顆粒的真實(shí)直徑Ds與等效直徑隊(duì)的依賴關(guān)系。擬合曲線為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征在于：該方法的步驟如 下： 步驟1.將樣品稀釋為稀溶液，在光學(xué)顯微鏡下采用視頻相機(jī)觀察視場(chǎng)，保持在相機(jī)成 像視場(chǎng)中樣品中的微粒為分散狀態(tài)，調(diào)節(jié)顆粒成像的軸向位置，拍攝在離焦下顆粒的顯微 圖像； 步驟2.對(duì)所拍攝的圖片沿x或者y方向進(jìn)行灰度掃描，計(jì)算顆粒邊緣的灰度分布曲 線，用灰度峰值分布最寬的位置確定為顆粒的中心位置； 步驟3.圍繞顆粒中心，分別沿x和y方向選取小范圍，該小范圍為最大峰寬的10%至 20%，選取某一點(diǎn)過(guò)顆粒圖像的線作出灰度分布，測(cè)量該灰度分布曲線與圖像的灰度背景 直線相交點(diǎn)的間距，由于顆粒成像灰度分布范圍內(nèi)必然存在兩個(gè)及兩個(gè)以上的交點(diǎn)，選取 靠近衍射環(huán)邊沿的兩個(gè)交點(diǎn)，間距最大值為顆粒在該方向上顆粒的圖像直徑A ;這樣在兩 個(gè)方向上確定出Dix和Diy，圓形顆粒有Dix?Diy，它們的平均值為檢測(cè)顆粒的圖像直徑Di ; 步驟4.按步驟2和步驟3分析顆粒沿軸向離焦即z方向時(shí)圖像灰度，測(cè)量不同z方向 位置時(shí)顆粒的圖像直徑，用這一系列圖像直徑中最小值為顆粒的等效直徑隊(duì)； 步驟5.拍攝一系列已知直徑Ds的顆粒圖像，用步驟2-4檢測(cè)它們對(duì)應(yīng)的De，將直徑比 例DyDs與Ds進(jìn)行曲線擬合，該曲線為此成像系統(tǒng)檢測(cè)顆粒直徑的特征曲線； 步驟6.拍攝不同z方向位置的待測(cè)樣品顆粒的顯微圖像，測(cè)量顆粒的等效直徑，通過(guò) 查找系統(tǒng)的特征曲線得出真實(shí)直徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征 在于：對(duì)顆粒的不同軸向位置進(jìn)行圖像直徑檢測(cè)，可用于構(gòu)建顆粒的三維成像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征 在于：等效直徑檢測(cè)方法可用于檢測(cè)顆粒二維平面全方位角度上的顆粒真實(shí)邊沿；這種邊 沿檢測(cè)方式可適于不規(guī)則顆粒邊沿檢測(cè)，則可將顆粒邊沿圍繞的面積，與標(biāo)準(zhǔn)顆粒的圍繞 面積，建立成像系統(tǒng)的特征曲線去檢測(cè)待測(cè)樣品的粒徑，此方式均受權(quán)利1的保護(hù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征 在于：該方法適用于以熒光修飾在一系列標(biāo)準(zhǔn)顆粒表面，采用等效直徑檢測(cè)方法建立熒光 顯微成像系統(tǒng)中真實(shí)粒徑與圖像檢測(cè)結(jié)果的特征曲線，從而測(cè)量熒光發(fā)光顆粒的粒徑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征 在于：以球形顆粒校準(zhǔn)成像系統(tǒng)的特征曲線，同樣適于檢測(cè)橢偏度較低的橢球形顆粒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征 在于：該方法適于不同折射率樣品，包括透明和不透明顆粒。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征 在于：該方法測(cè)量微粒的圖像，適用于基于光學(xué)成像顯微鏡的各類顯微鏡的顯微圖像。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征 在于：該方法適于待測(cè)樣品為干粉或溶液保存的樣品。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的圖像灰度測(cè)量顆粒粒徑的方法，其特征 在于：該方法適于高數(shù)值孔徑物鏡，包括油浸、水浸和空氣系物鏡所拍攝的顯微圖像中顆粒 粒徑檢測(cè)。
【文檔編號(hào)】G01N15/02GK104390895SQ201410685961
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】周金華, 李迪, 李銀妹, 鐘敏成, 王自強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)