晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)及方法技術方案

本發(fā)明專利技術公開了晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，包括晶體面生長反應器、兩個以上的攝像機頭、光源、光源與頻閃控制器、進行圖像采集和處理的計算機以及與顯示器，光源與頻閃控制器與計算機相連，其中兩個以上的攝像機頭將獲得的晶體樣本的2D圖像傳輸給計算機，計算機首先用分割技術對2D圖像的背景進行刪除，然后使用角/邊緣/線檢測技術，從2D圖像中識別對應的點和線，再用已確定的點和線實現(xiàn)3D圖像重建，由3D圖像可獲得晶體樣本各個晶面的生長速率，最后根據(jù)溶液參數(shù)，通過時間將溶液參數(shù)與生長速率關聯(lián)起來，得到的關聯(lián)函數(shù)即為可用于結晶過程優(yōu)化、控制及放大的晶體生長動力學模型。本發(fā)明專利技術的系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)3D晶形的重建，且圖像處理速度快。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及晶體生長的研究應用領域，特別涉及。
技術介紹
在醫(yī)藥，生物醫(yī)藥，生命科學，精細化工，無機有機材料，納米材料，能源，日用品，食品，環(huán)保等領域，許多產(chǎn)品是以固體形式生產(chǎn)銷售的。例如，當今的醫(yī)藥(西藥)產(chǎn)品90%是以固體形式銷售。固體的形狀和尺寸是產(chǎn)品最重要的特性參數(shù)，因為它們影響產(chǎn)品的流動性等加工參數(shù)(例如影響過濾機的操作)，溶解度，以及醫(yī)藥產(chǎn)品的藥性.這些參數(shù)的不合格會影響公司的競爭力，產(chǎn)品的銷售，出口，以及人身健康。因此對顆粒的形狀和尺寸大小進行實時的優(yōu)化控制是極其重要的。為實現(xiàn)這一目標，晶體晶面生長速率的準確測量及晶面生長動力學的建立極為關鍵。盡管有極其重大的重要性，精確建立晶面生長動力學的方法一直相當有限，并且很大程度上依賴于一維或二維的測量方法。因此獲得的不是晶體的晶面生長動力學模型而是簡化成球形或長方形的晶體(直徑或長/寬)生長動力學模型。因此無法用這樣的模型來實現(xiàn)對晶體結晶過程的精確優(yōu)化及控制。最近的研究活動發(fā)現(xiàn)使用高速在線成像來測量晶體形狀是可行的。在英國，葛蘭素史克的威爾金森等已開發(fā)出在線、非侵入式顯微鏡成像系統(tǒng)原型可用于監(jiān)測制藥的結晶過程。該系統(tǒng)置于反應器玻璃壁外。可用于實時產(chǎn)品形態(tài)監(jiān)測、實時測量晶體成長率，以及晶體分類和控制等研究。這一系統(tǒng)也由羅林斯教授和合作者用于研究針狀晶體的結晶過程。阿斯利康測試了一種名為PVM的商用成像探測器的使用情況。過程視窗和測量系統(tǒng)(PVM)由梅特勒托萊多有限公司開發(fā)，專利號為US5815264A。該系統(tǒng)已廣泛應用于學術和工業(yè)界來研究晶體成核、生長，特別是一維/ 二維尺寸分布。過程圖像分析儀(PIA)由德國海德漢施瓦茨公司研發(fā)，專利號為DE10052384A1。使用PIA視頻顯微鏡拍攝的在線圖像可用來確定2D晶體的生長速率。現(xiàn)場(In-Situ)顆粒查看器(ISPV)是由荷蘭的perdix公司開發(fā)的，專利號為NL1026306C2。該系統(tǒng)曾在利茲大學用于考查晶體生長過程中形狀和在后續(xù)的變化。三相機攝像系統(tǒng)分別由荷蘭Delft工業(yè)大學的Boersma et al.和德國特里爾應用科學大學的博特林格教授開發(fā)。在Boersma et al.的研究中，三個攝像頭被放置在帶有小角度的三角位置，使攝影機可聚焦于同一區(qū)域。重建的3D圖像將提供一個傷口區(qū)域的3D信息。博特林格教授最近為測量自由落體顆粒(100毫米?4毫米)的3D形狀開發(fā)了正交定位的三相機成像系統(tǒng)。Gorpas et al.開發(fā)了使用雙目機器視覺系統(tǒng)的體積方法來實現(xiàn)重建3D腫瘤表面(小于10毫米的大小)。遠程操作或遙控機器人系統(tǒng)通常用于醫(yī)療應用中證實診斷結果并進行遠程手術。為此研發(fā)了很多種類的二維/三維內(nèi)窺鏡。Da VinciTM遙操作機器人外科手術系統(tǒng)和ZEUSTM是最具盛名的遙操作機器人手術系統(tǒng)。胡et al.開發(fā)了帶平移和傾斜功能的用于微創(chuàng)手術的2D和3D外科成像設備。然而，這些成像系統(tǒng)仍有很大的局限性，特別是它們的圖像處理功能以及如何關聯(lián)形狀監(jiān)測和控制的信息。事實上目前他們主要是向運營商顯示信息并將數(shù)據(jù)存儲到硬盤。所有內(nèi)窺鏡主要都用于遠程診斷和手術，并不適用于在反應器中采集顆粒的高分辨率圖像。雖然共聚焦顯微鏡承諾能夠重建3D圖像，但它是通過掃描許多薄片樣品來提供顆粒的3D信息，因此其非常低的操作處理速度使其不具實用性。來自Alicona影像有限公司的InfiniteFocus是一種使用垂直掃描來實現(xiàn)3D表面測量的光學裝置。它能通過變換聚焦提供地形和色彩信息。其低運行速度會限制它的3D在線測量適用性。綜上所述，現(xiàn)有產(chǎn)品和原型系統(tǒng)具有它們的局限性，主要為:對許多復雜的物系和過程圖像的質(zhì)量不理想；圖像處理功能極為薄弱；所有的產(chǎn)品都是二維系統(tǒng)，只能提供二維信息。還沒有一樣產(chǎn)品能直接測量3D晶體生長的面生長動力學。共聚焦顯微鏡通過掃描許多薄片樣品來提供顆粒的3D信息，InfiniteFocus使用垂直掃描來實現(xiàn)3D表面測量。其非常低的操作處理速度使其不具實用性。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供。本專利技術的目的通過以下的技術方案實現(xiàn):晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，包括裝有待測晶體的晶體面生長反應器、對應晶體面生長反應器的兩個以上的攝像機頭、與攝像機頭對應的光源、控制光源工作的光源與頻閃控制器、將兩個以上的攝像機頭取的像進行圖像處理的計算機以及與計算機連接的顯示器，所述的光源與頻閃控制器與計算機相連，其中兩個以上的攝像機頭呈固定的立體角設置，攝像機參數(shù)設置相同并聚焦于同一樣本區(qū)域，其獲得的晶體樣本的2D圖像傳輸給計算機，計算機首先用分割技術對晶體樣本的2D圖像的背景進行刪除，然后使用角/邊緣/線檢測技術，從晶體樣本的2D圖像中識別對應的點和線，再用已確定的點和線實現(xiàn)晶體樣本的3D圖像重建，由3D圖像可獲得晶體樣本各個晶面的生長速率，最后根據(jù)在線測量的溶液參數(shù)，通過時間將溶液參數(shù)與生長速率關聯(lián)起來，得到的關聯(lián)函數(shù)即為可用于結晶過程優(yōu)化、控制及放大的晶體三維晶面生長動力學模型。所述的晶體面生長反應器，包括反應器腔體、設置在反應器腔體中部的葉片攪拌器、以及檢測溶液參數(shù)的探頭，所述的光源照射的位置與攝像機聚焦的區(qū)域相一致，反應器腔體外部設置有加熱/冷卻夾套，所述的光源設置在反應器腔體相互對應位置的上、下方。葉片攪拌器能夠均勻混合溶液，并且對扁平反應器中底部的平整度無特殊要求。所述的晶體面生長反應器，包括反應器腔體、設置在反應器腔體內(nèi)部的磁力攪拌器、以及檢測溶液參數(shù)的探頭，所述的光源照射的位置與攝像機聚焦的區(qū)域相一致，反應器腔體外部設置有加熱/冷卻夾套，所述的光源設置在反應器腔體相互對應位置的上、下方。反應器腔體的底部要有一定的平整度，以免攪拌子在攪拌過程中跳動，磁力攪拌器直接設置在反應器腔體內(nèi)部對溶液進行攪拌，相比于葉片攪拌器，在反應器腔體的上蓋不占據(jù)空間，節(jié)省了空間，光源和攝像機頭的設置空間選擇更大。所述的晶體面生長反應器，其反應器腔體在光軸方向上的形狀為扁平，反應器腔體的上蓋為具有超低反光率的石英玻璃。扁平狀的腔體這有利于光源的穿透，超低反光率的石英玻璃可以減少穿過玻璃時光強的損失。所述的晶體面生長反應器,包括反應器腔體,還包括晶體流動單元，晶體流動單元的相互對應位置的上、下方分別設置有光源，光源照射的位置與攝像機聚焦的區(qū)域相一致，晶體流動單元通過導管與反應器腔體相連接，反應器腔體內(nèi)設置有葉片攪拌器和檢測溶液參數(shù)的探頭。聚焦區(qū)域在晶體流動單元那里，晶體流動單元的上、下夾層可以做的更薄，透光性更好而不必考慮會影響溶液的參數(shù)，如溫度，反應器墻體外層也不必設置加熱/冷卻夾套。所述的攝像機頭呈固定的立體角設置，所述的攝像機頭與立體角中軸線間的角度范圍為10到80度。本專利技術的另一目的通過以下的技術方案實現(xiàn):晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定方法，包含以下順序的步驟:I)兩個以上的攝像機頭呈固定的立體角設置，攝像機參數(shù)設置相同并聚焦于同一樣本區(qū)域，獲得晶體樣本的2D圖像；2)通過分割技術對2D圖像的背景進行刪除:a、如圖像格式為非灰度格式，可將其轉(zhuǎn)換成灰度格式；b、使用不同的邊緣檢測參數(shù)對晶體進行多重邊緣檢測，然后將它們集合；C、對獲得的晶形邊緣實施晶本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，其特征在于：包括裝有待測晶體的晶體面生長反應器、對應晶體面生長反應器的兩個以上的攝像機頭、與攝像機頭對應的光源、控制光源工作的光源與頻閃控制器、將兩個以上的攝像機頭取的像進行圖像處理的計算機以及與計算機連接的顯示器，所述的光源與頻閃控制器與計算機相連，其中兩個以上的攝像機頭呈固定的立體角設置，攝像機參數(shù)設置相同并聚焦于同一樣本區(qū)域，其獲得的晶體樣本的2D圖像傳輸給計算機，計算機首先用分割技術對晶體樣本的2D圖像的背景進行刪除，然后使用角/邊緣/線檢測技術，從晶體樣本的2D圖像中識別對應的點和線，再用已確定的點和線實現(xiàn)晶體樣本的3D圖像重建，由3D圖像可獲得晶體樣本各個晶面的生長速率，最后根據(jù)在線測量的溶液參數(shù)，通過時間將溶液參數(shù)與生長速率關聯(lián)起來，得到的關聯(lián)函數(shù)即為可用于結晶過程優(yōu)化、控制及放大的晶體三維晶面生長動力學模型。

【技術特征摘要】
1.晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，其特征在于:包括裝有待測晶體的晶體面生長反應器、對應晶體面生長反應器的兩個以上的攝像機頭、與攝像機頭對應的光源、控制光源工作的光源與頻閃控制器、將兩個以上的攝像機頭取的像進行圖像處理的計算機以及與計算機連接的顯示器，所述的光源與頻閃控制器與計算機相連，其中 兩個以上的攝像機頭呈固定的立體角設置，攝像機參數(shù)設置相同并聚焦于同一樣本區(qū)域，其獲得的晶體樣本的2D圖像傳輸給計算機，計算機首先用分割技術對晶體樣本的2D圖像的背景進行刪除，然后使用角/邊緣/線檢測技術，從晶體樣本的2D圖像中識別對應的點和線，再用已確定的點和線實現(xiàn)晶體樣本的3D圖像重建，由3D圖像可獲得晶體樣本各個晶面的生長速率，最后根據(jù)在線測量的溶液參數(shù)，通過時間將溶液參數(shù)與生長速率關聯(lián)起來，得到的關聯(lián)函數(shù)即為可用于結晶過程優(yōu)化、控制及放大的晶體三維晶面生長動力學模型。2.根據(jù)權利要求1所述的晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，其特征在于:所述的晶體面生長反應器，包括反應器腔體、設置在反應器腔體中部的葉片攪拌器、以及檢測溶液參數(shù)的探頭，所述的光源照射的位置與攝像機聚焦的區(qū)域相一致，反應器腔體外部設置有加熱/冷卻夾套，所述的光源設置在反應器腔體相互對應位置的上、下方。3.根據(jù)權利要求1所述的晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，其特征在于:所述的晶體面生長反應器，包括反應器腔體、設置在反應器腔體內(nèi)部的磁力攪拌器、以及檢測溶液參數(shù)的探頭，所述的光源設置在反應器腔體相互對應位置的上、下方，光源照射的位置與攝像機聚焦的區(qū)域相一致，反應器腔體外部設置有加熱/冷卻夾套。4.根據(jù)權利要求1至3任一權利要求所述的晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，其特征在于:所述的晶體面生長反應器，其反應器腔體在光軸方向上的形狀為扁平，反應器腔體的上蓋為具有超低反光率的石英玻璃。5.根據(jù)權利要求1所述的晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，其特征在于:所述的晶體面生長反應器，包括反應器腔體，還包括晶體流動單元，晶體流動單元的上下方設置有光源，光源照射的位置與攝像機聚焦的區(qū)域相一致，晶體流動單元通過導管與反應器腔體相連接，反應器腔體內(nèi)設置有葉片攪拌器和檢測溶液參數(shù)的探頭。6.根據(jù)權利要求1、2、3、5任一權利要求所述的晶體三維晶面生長動力學的立體成像測定系統(tǒng)，其特征在于:所述的攝像機頭呈固定的立體角設置，所述的攝像機頭與立體角中軸線間的角度范圍為10到80度。7.晶體三維晶面生長動力學的...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王學重，馬才云，劉晶晶，
申請(專利權)人：王學重，
類型：發(fā)明
國別省市：