阅读说明：本技术 微米级颗粒样品自动寻找定位装置及方法 (Automatic searching and positioning device and method for micron-sized particle samples ) 是由 张志兵 孙鹏 张志华 李华峰 叶晓东 王容川 刘�东 汪志焕 孔令成 于 2020-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微米级颗粒样品自动寻找定位装置及方法,其装置包括单通道视频显微单元、数字图像处理单元、多维度电控位移载台和可编程电控位移驱动单元,用于自动寻找合适的微颗粒样品,以配合主测试仪器上的其它模块对寻找到的微颗粒样品进行所需性能的测试；本发明微米级颗粒样品自动寻找定位方法是沿遍历路径实现扫描式自动样品寻找,以找到即测、测完继续寻找的方式进行在线实时测量,极大地提高了检测效率。(The invention discloses a micron-sized particle sample automatic searching and positioning device and a method, wherein the device comprises a single-channel video microscope unit, a digital image processing unit, a multi-dimensional electric control displacement carrying platform and a programmable electric control displacement driving unit, and is used for automatically searching for a proper micro-particle sample so as to test the required performance of the searched micro-particle sample by matching with other modules on a main testing instrument; the automatic searching and positioning method for the micron-sized particle sample realizes scanning type automatic sample searching along the traversal path, and carries out online real-time measurement in a mode of finding, measuring and continuously searching, thereby greatly improving the detection efficiency.)

微米级颗粒样品自动寻找定位装置及方法

技术领域

本发明涉及显微测量技术领域，更具体地说是涉及一种微米级颗粒样品自动寻找及定位装置，针对微米级颗粒样品进行寻找和定位，用于配合主测试仪器进行相应的样品性能测试。

背景技术

随着纳米材料科学的发展，以微米级颗粒状呈现的各类材料和产品不断涌现。微颗粒的机械性能数据对生产工艺过程及使用有着决定性的影响。现有的微颗粒机械性能测量仪器在样品寻找及选择方式上或为手动操作、或是通过多角度图像系统配合进行半离线式的自动检测，效率低而且过程复杂。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种微米级颗粒样品自动寻找定位装置及方法，以实现针对微米级颗粒样品的高效自动寻找和定位，从而配合主测试仪器进行相应的样品性能测试，提高测试效率。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明微米级颗粒样品自动寻找定位装置的特点在于，所述装置包括：单通道视频显微单元、数字图像处理单元、多维度电控位移载台和可编程电控位移驱动单元，用于自动寻找合适的微颗粒样品，以配合主测试仪器上的其它模块对寻找到的微颗粒样品进行所需性能的测试；

所述单通道视频显微单元具有数字视频图像输出部件，用于以侧视角度观察样品载片表面上可能存在样品的图像；并由所述数字视频图像输出部件输出图像数据；所述图像为实时视频图像序列；所述侧视角度是指在配合主测试仪器进行测量的起始位置上，单通道视频显微单元的光轴与直线A相互垂直，所述直线A为主测试仪器上探头的中心点与所选定样品的中心点之间的连线所在的直线；

所述数字图像处理单元包括数字视频图像接收部件及图像处理部件，所述视频图像接收部件用于接收所述图像数据，所述图像处理部件通过对所述图像数据进行处理获得图像内所含有的各种目标的相关性数据；根据所述相关性数据判断相应目标是否为所需要的样品类型，以及判断相应目标是否需要用于进行相应机械性能测试；进而选定所需类型的目标，以及选定需要用于进行相应机械性能测试的目标，剔除包括灰尘、样品残片、异形样品，以及不在需要测试的范围内的干扰目标；

所述多维度电控位移载台用于安置样品载片，所述样品载片不限于呈水平安置；

所述可编程电控位移驱动单元具有可编程多维度位移控制部件，在所述可编程多维度位移控制部件的控制下，利用可编程电控位移驱动单元驱动多维度电控位移载台带动样品载片进行有序位移，所述有序位移为三维空间中的有序空间位移。

本发明微米级颗粒样品自动寻找定位装置的特点也在于，由所述数字图像处理单元中图像处理部件获得的各种目标的相关性数据包括：根据不同类型样品的光学特性设定的样品的清晰度评价指标数据，样品在图像中的位置、样品的形状和尺寸，也包括根据需要针对特定样品的特殊性提取的其它附加数据。

本发明微米级颗粒样品自动寻找定位装置的特点也在于，所述单通道视频显微单元包括：

一显微镜，能够手动聚焦和电动聚焦，安装在所述显微镜前端的物镜能够根据需要更换；

一镜头支架，用于固定支撑显微镜；

一数字视频相机，固定设置在所述显微镜的尾部光学输出端；

本发明微米级颗粒样品自动寻找定位装置的特点也在于，所述镜头支架为可调支架，利用可调支架带动所述显微镜使单通道视频显微单元处在设定的侧视角度。

本发明微米级颗粒样品自动寻找定位装置的特点也在于，所述多维度电控位移载台具有多维度电控位移装置，利用所述多维度电控位移装置带动置于多维度电控位移装置上的样品载片进行有序空间位移。

本发明微米级颗粒样品自动寻找定位装置的特点也在于，所述多维度电控位移载台带动样品载片进行有序空间位移是指：所述可编程多维度位移控制部件依据选定的遍历路径驱动多维度电控位移载台中的多维度电控位移装置，依次将样品载片的不同的部位移进显微视场的景深范围，所述图像处理部件同步获得当前视场信息数据，并将所述当前视场信息数据作为反馈信号，所述可编程多维度位移控制部件依据所述反馈信号对所述多维度电控位移载台的位置进行微调整，使被寻找到的满足主测试仪器要求的样品定位在测量位置上，完成微米级颗粒样品自动寻找及定位。

本发明微米级颗粒样品自动寻找定位方法的特点是采用本发明中微米级颗粒样品自动寻找定位装置，按如下步骤进行：

步骤110、启动自动寻找及定位过程，可编程多维度位移控制部件驱动多维度电控位移载台沿着设定的遍历路径移动，同时，数字图像处理设备针对由单通道视频显微装置发来的图像进行同步分析；

步骤120、自动微调，当数字图像处理设备检测到可能是样品的图形时，中断路径遍历过程，微调多维度电控位移载台将目标移动在选定的清晰度指标最优的位置上；

步骤130、特征数据提取并判断是否符合测试条件，数字图像处理设备针对当前视场进行特征数据提取，提取包括样品的清晰度评价指标数据、样品在图像中的位置、样品的形状和尺寸在内的根据不同样品形态选取的各种目标的相关性数据，并判断是否符合测试条件，若不满足测试条件则返回步骤110继续寻找；若满足测试条件则进入步骤140；

步骤140、数据发送，由图像处理设备将步骤130中提取获得的各种目标的相关性数据发送至可编程多维度位移控制部件；

步骤150、自动测量，启动自动测量过程，可编程多维度位移控制部件根据收到的信息将选定的样品移到预定的测量位置，通知主测试仪器开始自动测量；

步骤160、判断测试数量是否完成，若测试数量未完成，则由可编程多维度位移控制部件将多维度电控位移载台移回到步骤120中所中断的路径遍历位置，并返回步骤110继续后续路径的遍历寻找；若测试数量已完成，则进入步骤170；

步骤170、结束测量过程。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用显微测量及高精度位移控制技术，根据显微镜下目标光学成像的清晰程度与目标离焦程度高度相关而且极其敏感的特点，实现了通过单通道视频显微系统对微小颗粒样品进行高效率自动寻找和定位的功能，极大简化了现有采用多通道视频显微系统协同配合进行样品定位的复杂结构及过程。

2、本发明设置可编程电控位移驱动单元，用于驱动多维度电控位移载台带动样品载片有序位移，为主测量仪器提供了高效自动样品寻找和定位模块，实现了沿遍历路径扫描式的自动样品寻找，以找到即测、测完继续寻找的方式进行在线实时测量，极大地提高了检测效率。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明中显微镜与样品及样品载片相对位置俯视示意图；

图3为利用本发明所获取的样品图像信息提取结果示意图；

图4为本发明装置寻找及定位流程示意图；

图中标号：1单通道视频显微装置，2数字图像处理单元，3多维度电控位移载台，4可编程电控位移驱动单元，5显微镜，6镜头支架，7数字视频相机，8物镜，9可编程多维度位移控制部件，10多维度电控位移装置，11样品载片，12视场内样品，13聚焦面，14视场外样品，15样品载片移动方向，16样品胶球，17样品载片上表面与样品胶球接触的中线位置，18样品反射图像，19样品标记，20侧视样品载片移动方向。

具体实施方式

参见图1，本实施例中微米级颗粒样品自动寻找及定位装置包括：单通道视频显微单元1、数字图像处理单元2、多维度电控位移载台3和可编程电控位移驱动单元4，用于自动寻找合适的微颗粒样品，以配合主测试仪器上的其它模块对寻找到的微颗粒样品进行所需性能的测试。

本实施例中，单通道视频显微单元1具有数字视频图像输出部件，用于以侧视角度观察样品载片11表面上可能存在样品的图像；并由数字视频图像输出部件输出图像数据；图像为实时视频图像序列；侧视角度是指在配合主测试仪器进行测量的起始位置上，单通道视频显微单元1的光轴与直线A相互垂直，直线A为主测试仪器上探头的中心点与所选定样品的中心点之间的连线所在的直线。

数字图像处理单元2包括数字视频图像接收部件及图像处理部件，视频图像接收部件用于接收图像数据，图像处理部件通过对图像数据进行处理获得图像内所含有的各种目标的相关性数据；根据相关性数据判断相应目标是否为所需要的样品类型，以及判断相应目标是否需要用于进行相应机械性能测试；进而选定所需类型的目标，以及选定需要用于进行相应机械性能测试的目标，剔除包括灰尘、样品残片、异形样品，以及不在需要测试的范围内的干扰目标。

多维度电控位移载台3用于安置样品载片11，样品载片11不限于呈水平安置；可编程电控位移驱动单元4具有可编程多维度位移控制部件9，在可编程多维度位移控制部件9的控制下，利用可编程电控位移驱动单元4驱动多维度电控位移载台3带动样品载片11进行有序位移，有序位移为三维空间中的有序空间位移。

由数字图像处理单元2中图像处理部件获得的各种目标的相关性数据包括：根据不同类型样品的光学特性设定的样品的清晰度评价指标数据，样品在图像中的位置、样品的形状和尺寸，也包括根据需要针对特定样品的特殊性提取的其它附加数据。

具体实施中，相应的技术措施也包括：

单通道视频显微单元1包括：

一显微镜5能够手动聚焦和电动聚焦，安装在显微镜5前端的物镜8能够根据需要更换；

一镜头支架6用于固定支撑显微镜5，镜头支架6为可调支架，利用可调支架带动显微镜5使单通道视频显微单元1处在设定的侧视角度。

一数字视频相机7固定设置在显微镜5的尾部光学输出端；

多维度电控位移载台3具有多维度电控位移装置10，利用多维度电控位移装置10带动置于多维度电控位移装置10上的样品载片11进行有序空间位移；多维度电控位移载台3带动样品载片11进行有序空间位移是指：可编程多维度位移控制部件9依据选定的遍历路径驱动多维度电控位移载台3中的多维度电控位移装置10，依次将样品载片11的不同的部位移进显微视场的景深范围，图像处理部件同步获得当前视场信息数据，并将当前视场信息数据作为反馈信号，可编程多维度位移控制部件9依据反馈信号对多维度电控位移载台3的位置进行微调整，使被寻找到的满足主测试仪器要求的样品定位在测量位置上，完成微米级颗粒样品自动寻找及定位。

附图所示的相关内容包括：

图1所示，载有待测微小颗粒样品的样品载片11放置在多维度电控位移载台3上，位于显微镜5的前端的物镜8处在样品载片11的一侧，使显微镜5能够以侧视角度观察样品载片11上的微小颗粒样品。

图2所示为显微镜5与样品载片11及样品载片11上的微小颗粒样品之间相对位置俯视示意，可编程电控位移驱动装置4驱动多维度电控位移载台3根据针对待测样品设定的样品载片11移动路径，依次将承载有微小颗粒样品的样品载片11的相应区域移入显微镜5的视场；数字图像处理设备2接收样品图像并实时判断视场内是否存在有微小颗粒样品，针对可能存在的微小颗粒样品，微调多维度电控位移载台3使得样品图像处于满足要求的清晰度指标范围内；再次利用数字图像处理设备2针对满足要求的样品图像通过分析获得各种需要的评估数据，包括微小颗粒样品的清晰度指标、相对位置、形状及大小等，图2中示出了样品载片移动方向15、视场外样品14、视场内样品12、物镜8、样品载片11、聚焦面13，以及当前景深范围，其中，近中间部位的聚焦面13以实线示意，当前景深范围以虚线示意。

图3所示为侧视样品图像及样品尺寸信息提取结果，图3中示意出侧视样品载片移动方向20、样品胶球16、样品载片上表面与样品胶球接触的中线位置17、经过以玻璃为材质的样品载片11的上表面反射的样品反射图像18，以及识别出的样品标记19。

图4所示为本发明装置寻找及定位流程示意，是按如下步骤进行：

步骤110、启动自动寻找及定位过程，可编程多维度位移控制部件9驱动多维度电控位移载台3沿着设定的遍历路径移动，同时，数字图像处理设备2针对由单通道视频显微装置1发来的图像进行同步分析；

步骤120、自动微调，当数字图像处理设备2检测到可能是样品的图形时，中断路径遍历过程，微调多维度电控位移载台3将目标移动在选定的清晰度指标最优的位置上；

步骤130、特征数据提取并判断是否符合测试条件，数字图像处理设备2针对当前视场进行特征数据提取，提取包括样品的清晰度评价指标数据、样品在图像中的位置、样品的形状和尺寸在内的根据不同样品形态选取的各种目标的相关性数据，并判断是否符合测试条件，若不满足测试条件则返回步骤110继续寻找；若满足测试条件则进入步骤140；

步骤140、数据发送，由图像处理设备2将步骤130中提取获得的各种目标的相关性数据发送至可编程多维度位移控制部件9；

步骤150、自动测量，启动自动测量过程，可编程多维度位移控制部件9根据收到的信息将选定的样品移到预定的测量位置，通知主测试仪器开始自动测量；

步骤160、判断测试数量是否完成，若测试数量未完成，则由可编程多维度位移控制部件9将多维度电控位移载台3移回到步骤120中所中断的路径遍历位置，并返回步骤110继续后续路径的遍历寻找；若测试数量已完成，则进入步骤170；

步骤170、结束测量过程。

关于微米级颗粒，其是指最大尺度在1微米至1毫米之间的，任何生物或非生物材料形成的，形状规则或不规则的，实心、空心、孔隙、团簇、微晶、气溶胶、动植物细胞及其他各种结构形态、包括各种气体、液体或固体经过微包装过程处理而形成的颗粒。

关于清晰度和模糊度，在忽略显微镜镜头各种畸变的情况下，一个厚度无穷小的目标，处于显微镜聚焦焦面上时，定义其在显微镜输出端的影像清晰度为1、模糊度为0；在无穷远处其清晰度为0、模糊度为1；因为并不存在厚度无穷小的目标，所以任何被安装在显微镜输出端的相机记录下的，表面凹凸结构不可忽略的目标图像的清晰度或模糊度，乃至整个视场图像的清晰度或模糊度，都当于是某个平均算法下的图像的不同部位的理想清晰度或模糊度的平均值；根据所关心的对象及需要的不同，还有局部清晰度与全局清晰度之分，局域清晰度与全局清晰度的关系也需要根据具体需求进行确定；本专利所述清晰度评价指标将根据不同样品类型在显微镜下呈现出的光学特性的不同来选定；在综合样品其它信息的基础上，找到最适合的清晰度指标范围作为样品评估依据，本发明中最好的位置是显微镜聚焦面的位置，附近的清晰度指标对位置变化最敏感，是最适合对样品进行评估的位置。