一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法

本发明涉及一种光学成像与纳米测量技术，尤其是一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法。

背景技术：

1、在国际纯粹与应用化学联合会（iupac）的标准中，亚微米颗粒通常指尺寸在0.1微米（100 nm）到1微米（1000 nm）之间的颗粒。跨尺度的过渡区域，刚好“跨”在纳米技术（通常<100nm）和微米技术（通常>1μm）之间，因此在物理、化学、生物及工程领域都有其独特的定位和表现。亚微米颗粒的独特的物理化学特性包括尺寸效应显现、光学特性变化、生物效应增强等几个方面。亚微米颗粒是一个连接微观与宏观世界的桥梁尺度，其特殊性既源于尺寸本身的物理界限（100-1000 nm），也因其在许多高科技领域（如半导体、医药、先进材料）中的广泛应用而备受关注。

2、亚微米颗粒的精确尺寸测量在生物医学、药物递送和材料科学中至关重要。定量相位成像技术，包括但不限于定量差分相衬成像、数字全息显微术、空间光干涉显微术等，因其非侵入、无标记、可对溶液中颗粒进行成像的能力而成为研究热点。定量相位成像技术通过测量光波穿过样本后产生的相位延迟，并将其量化为光学路径差，从而反演样本的物理信息。

3、然而，在实际应用中，基于定量相位成像的粒径测量面临根本性挑战。（1）所有基于波动光学的成像系统均存在点扩散函数，导致对点状或亚衍射极限物体的图像产生不可避免的模糊与扩展。（2）许多相位成像技术（如基于非对称照明的定量差分相衬成像）会因光路不完全对称或样本散射引入伪影。这两种因素共同导致直接从相位图像中提取的颗粒尺寸与真实物理尺寸之间存在偏差。目前，现有技术中的简单阈值分割或边缘检测方法，均无法解决这个偏差的问题，尤其对于亚微米级的颗粒，测量失真更为严重。

4、近年来，随着led照明技术的发展，而且led光源具有低成本、控制简单、可产生高的光通量等优点，led照明技术为定量相位成像（quantitative phase imaging，qpi）提供灵活、低成本且高性能的照明方案，这使得定量相位成像迎来新的发展。在定量差分相衬成像过程中采用led灯为照明光源，鉴于led光源属于空间部分相干光，能够显著降低相干噪声对成像分辨率的影响，同时作为一种非干涉式定量相位成像技术，能提高系统对机械振动干扰的抵抗能力，将成像分辨率提高至相干衍射极限的两倍。

技术实现思路

1、本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，以建立微球粒径校准系统从而能够对亚微米级的颗粒实现精准测量。

2、本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

3、本发明的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，包括如下步骤：

4、步骤1：图像采集及相位重建步骤；通过定量相位成像光路获得颗粒样本在不同方向非对称照明下的强度图像，并根据所述强度图像重建得到定量相位图像；

5、步骤2：相位阈值计算步骤；在所述定量相位图像中，定位颗粒样本的单个颗粒并提取所述单个颗粒的相位剖面，计算所述相位剖面的相位阈值；

6、步骤3：模型拟合步骤；采用数学模型，来拟合标准颗粒的相位成像得表观粒径与金标准检测方法所测量粒径之间的校准关系；

7、步骤4：最终校准模型确定步骤；根据步骤3的拟合结果，选取拟合优度最高的模型作为最终校准模型；

8、步骤5：尺寸计算步骤；将待测颗粒的相位成像的表观粒径代入所述最终校准模型，计算得到校准后的物理粒径。

9、本发明的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法的特点也在于：

10、进一步地，所述步骤1中，所述定量相位成像光路包括光源1、样品台2、物镜3、管镜4和ccd相机5。

11、进一步地，所述步骤1中，所述光源为可编程led阵列1。

12、进一步地，所述步骤1中，所述可编程led阵列1位于样品台2的两侧，以预定的角度倾斜地照射样品台2上的样品。

13、进一步地，所述步骤1中，所述定量相位图像包含多帧和单帧形成的定量差分相差成像的强度图像。

14、进一步地，所述步骤1中，所述强度图像的定量相位图像由重建算法获得，重建算法为l2 正则化算法、tv正则化算法、l1-retinex算法之一。

15、进一步地，所述步骤2中，在重建得到的定量相位图像中，定位单个颗粒并提取其相位剖面，获得相位剖面的相位阈值为：α×pfore+ β×pback+ γ×pmax；其中pfore和pback分别为相位剖面前和后线段的相位平均值；pmax为整条相位剖面的最大相位值，以上四个量的单位均为rad。

16、进一步地，所述步骤2中，将相位剖面上相位值高于相位阈值的连续区域宽度定义为该颗粒的表观尺寸。

17、进一步地，所述步骤3中，使用至少两种不同的数学模型，拟合已知真实尺寸的标准颗粒样本的测量结果和相位测量结果之间的校准关系。

18、进一步地，所述步骤3中，所述数学模型包括幂律拟合模型和多项式拟合模型。

19、与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

20、本发明公开了一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，包括：通过定量相位成像光路，获得颗粒样本的强度图像；定位强度图像中的单个颗粒并提取其相位剖面，计算相位剖面的相位阈值phasethreshold；采用数学模型来拟合已知真实尺寸的标准颗粒样本的测量结果和相位测量结果之间的校准关系；根据步骤3的拟合结果，选取拟合优度最高的模型作为最终校准模型；将待测颗粒的粒径代入所述最终校准模型，计算得到校准后的物理尺寸。

21、本发明有效克服了相位成像中衍射效应带来的测量偏差，实现了对亚微米颗粒的无标记、高精度、批量化的粒径表征。

22、本发明的基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，具有能够实现对亚微米级颗粒高衬度成像，通过阈值算法和校准系统实现对亚微米级颗粒的精确测量等优点。

1.一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤1中，所述定量相位成像光路包括光源（1）、样品台（2）、物镜（3）、管镜（4）和ccd相机（5）。

3.根据权利要求2所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤1中，所述光源为可编程led阵列（1）。

4.根据权利要求3所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤1中，所述可编程led阵列（1）位于样品台（2）的两侧，以预定的角度倾斜地照射样品台（2）上的样品。

5.根据权利要求1所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤1中，所述定量相位图像包含多帧和单帧形成的定量差分相差成像的强度图像。

6.根据权利要求1所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤1中，所述强度图像的定量相位图像由重建算法获得，重建算法为l2 正则化算法、tv正则化算法、l1-retinex算法之一。

7.根据权利要求1所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤2中，在重建得到的定量相位图像中，定位单个颗粒并提取其相位剖面，获得相位剖面的相位阈值为：α×pfore+ β×pback + γ×pmax；其中pfore和pback分别为相位剖面前和后线段的相位平均值；pmax为整条相位剖面的最大相位值，以上四个量的单位均为rad。

8.根据权利要求7所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤2中，将相位剖面上相位值高于相位阈值的连续区域宽度定义为该颗粒的表观尺寸。

9.根据权利要求1所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤3中，使用至少两种不同的数学模型，拟合已知真实尺寸的标准颗粒样本的测量结果和相位测量结果之间的校准关系。

10.根据权利要求1所述的一种基于相位成像的亚微米颗粒粒径精确测量方法，其特征是，所述步骤3中，所述数学模型包括幂律拟合模型和多项式拟合模型。