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CN113805220A - 一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统 - Google Patents

一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统 Download PDF

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CN113805220A
CN113805220A CN202111140540.6A CN202111140540A CN113805220A CN 113805220 A CN113805220 A CN 113805220A CN 202111140540 A CN202111140540 A CN 202111140540A CN 113805220 A CN113805220 A CN 113805220A
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China
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nuclear track
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solid nuclear
track detector
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陈波
何昱灵
卓维海
张卫媛
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Fudan University
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Abstract

本发明涉及辐射探测与测量技术领域，具体涉及一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，本发明的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统填补了现有的基于光度立体测量物体表面方法不适用CR‑39所造成的空白，克服了原子力显微镜、共聚焦显微镜仪器昂贵，扫描速度慢、经济性差的缺点，且不会对被测物造成损伤，同时能够带动被测物在水平面上高精度移动，补充充足的背景光源，并为控制装置运行设置了按特定逻辑运行的算法。

Description

一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统
技术领域
本发明涉及辐射探测与测量技术领域，具体涉及一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统。
背景技术
固体核径迹探测器CR-39(类似于玻璃的长方体薄片材料)已被广泛用于氡及其子体，质子、重离子和中子的测量。其原理是先将CR-39置于辐射场中接受辐照，然后通过测读经化学溶液蚀刻后在CR-39上形成的核径迹的数量和二维形态来推算入射粒子的通量等信息。对于核径迹测读，当前对其二维图像的获取和自动测读技术已非常成熟。但较之于二维图像，CR-39上核径迹的三维结构能提供更多入射辐射信息，例如入射粒子的能量和角度等。
目前可以用原子力显微镜、共聚焦显微镜(两种商用精密测量仪器，常用于材料和生物领域)和切片(沿CR-39侧面切开，再用普通光学显微镜观察径迹剖面)等方法获取CR-39表面核径迹三维形态。两种方法的基本原理都是用光度立体法对物体进行重建，但彼此装置的结构和用途均存在差异。光度立体法是计算机视觉中的一种重建方法，其原理是在固定视角下，根据物体在变化光线照射下不同的反射图像，计算出物体表面的三维形态。本发明提出的方法基于光度立体法的思想。利用多束不同方位的固定激光照射CR-39表面(变化光照)，然后在光学显微镜下(固定视角)获取物体表面的反射图像，依据反射图像重建出当前视野下物体表面的三维结构。
但是这两种方法都有一定缺陷，以原子力显微镜为例，扫描2.5×10-5cm2面积的表面需耗时约5min，常规的CR-39单片面积在1cm2及以上，完成全片扫描需要3000小时以上；同时原子力显微镜单个造价在百万以上，可测量众多材料参数，并非专用的CR-39测量装置，使用原子力显微镜用于CR-39表面径迹三维结构重建不够经济(共聚焦显微镜原因和原子力显微镜相同)。切片方法会对被测物造成无法修复的损伤，不能推广应用。部分技术所使用的图像获取装置并非显微镜，因而不能在微米尺度下重建物体表面。即使使用了显微镜，但相关方法的装置并非为CR-39整个表面三维结构的特定需求而设计，例如缺乏带动被测物在水平面上高精度移动的结构，缺乏背景光源，缺乏控制装置运行按特定逻辑运行的软件等问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统。
本发明提供了一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，用于对固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构进行测量，具有这样的特征，包括：移动模块，用于带动待测量的固体核径迹探测器CR-39沿第一方向或第二方向移动；背景光源模块，设置在移动模块下方，用于为待测量的固体核径迹探测器CR-39提供背景光；图像获取模块，设置在移动模块上方，用于获取背景图像以及待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像；高度调节模块，用于沿第三方向调节图像获取模块的位置；激光光源模块，设置在高度调节模块上，用于为待测量的固体核径迹探测器CR-39提供激光光源；图像处理模块，用于对图像获取模块获取的待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像进行处理；掩膜建立模块，用于根据对图像获取模块获取的图像建立掩膜；图像重建模块，用于对图像处理模块处理过的图像进行重建；控制模块，用于控制移动模块、背景光源模块、高度调节模块、图像获取模块、激光光源模块、图像处理模块、掩膜建立模块以及图像重建模块。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征，还包括：架体，其中，移动模块具有滑轨、滑块、第一驱动电机以及可移动平台，滑轨设置在架体的底部，沿第一方向和第二方向延伸，滑块设置在滑轨上且能沿滑轨滑动，第一驱动电机的输出端与滑块固定连接，驱动滑块沿滑轨滑动；可移动平台固定在滑块上且能与滑块同步在滑轨上沿第一方向或第二方向滑动。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，高度调节模块具有设置在架体上的丝杆、丝杆螺母以及第二驱动电机，丝杆沿第三方向延伸且垂直于可移动平台，丝杆与第二电机的输出端固定连接以驱动其自身旋转，从而带动套设在丝杆上的丝杆螺母沿丝杆的轴向运动，图像获取模块设置在丝杆螺母上，能随丝杆螺母沿第三方向运动。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，图像获取模块为显微镜头。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，激光光源模块具有基座和多个激光发生器，基座呈圆环状，套设在图像获取模块上，多个激光发生器沿基座的周向均匀设置在基座朝向可移动平台的一面。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，掩膜建立模块根据图像获取模块获取的背景图像建立掩膜，从而限定计算区域。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，掩膜建立模块使用OTUS阈值法建立掩膜。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，图像处理模块根据图像获取模块获取的待测量的固体核径迹探测器CR-39的多个图像建立元数据矩阵。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，图像重建模块重建固体核径迹探测器CR-39的立体图像的方法包括如下步骤：步骤A1，通过最小二乘法计算得到固体核径迹探测器CR-39的表面单位法向量分布，将表面单位法向量分布转换得到梯度场分布；步骤A2，根据梯度场分布，通过临近插值法对固体核径迹探测器CR-39的内部未受照射的点进行梯度插值；步骤A3，根据插值后的梯度场分布建立差分方程，计算各点高度差，得到固体核径迹探测器CR-39的表面的核径迹形态的三维结构；步骤A4，根据三维结构的外边缘值填充掩膜建立模块建立的掩膜外的平面区域，得到固体核径迹探测器CR-39的立体图像。
在本发明提供的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，，控制模块控制对固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构进行测量的过程包括如下步骤：步骤S1，将待测量的固体核径迹探测器CR-39放置在移动模块上，控制移动模块沿第一方向或第二方向移动，达到图像读取起始点；步骤S2，控制背景光源模块发射背景光，图像获取模块通过高度调节模块调节高度后完成对焦并获得一张背景图片；步骤S3，关闭背景光，激光光源模块发出多束激光照亮图像获取模块获取图像的区域；步骤S4，图像获取模块获取多张不同激光光束下待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像，并发送至图像处理模块；步骤S5，图像处理模块根据多张图像构建元数据矩阵；步骤S6，掩膜建立模块根据步骤S2获得的背景图片建立掩膜；步骤S7，图像重建模块根据步骤S5种获得的元数据矩阵对图像进行重建，得到固体核径迹探测器CR-39表面的核径迹形态的三维结构；步骤S8，控制移动模块沿第一方向或第二方向移动一定距离后重复步骤S1-S7；步骤S9，移动模块到达图像读取结束点，完成固体核径迹探测器CR-39的扫描，得到固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构的测量结果。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，因为具有可以用于带动待测量的固体核径迹探测器CR-39沿第一方向或第二方向移动的移动模块、可以用于为待测量的固体核径迹探测器CR-39提供背景光的背景光源模块、可以用于用于获取背景图像以及待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像的图像获取模块、可以用于沿第三方向调节图像获取模块的位置的高度调节模块、可以用于为待测量的固体核径迹探测器CR-39提供激光光源的激光光源模块、可以用于对图像获取模块获取的待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像进行处理的图像处理模块、可以用于根据对图像获取模块获取的图像建立掩膜的掩膜建立模块、可以用于对图像处理模块处理过的图像进行重建的图像重建模块以及可以用于控制上述模块的控制模块，所以，本发明的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统填补了现有的基于光度立体测量物体表面方法不适用CR-39所造成的空白，克服了原子力显微镜、共聚焦显微镜仪器昂贵，扫描速度慢、经济性差的缺点，且不会对被测物造成损伤，同时能够带动被测物在水平面上高精度移动，补充充足的背景光源，并为控制装置运行设置了按特定逻辑运行的算法。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于光度立体的固体核径迹三维测量系统的结构框图；
图2是本发明的实施例中基于光度立体的固体核径迹三维测量系统的结构示意图；
图3是本发明的实施例中激光光源模块的基座的结构示意图；
图4是本发明的实施例中图像重建模块重建固体核径迹探测器CR-39的立体图像的流程图；
图5是本发明的实施例中控制模块控制对固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构进行测量的流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明基于光度立体的固体核径迹三维测量系统作具体阐述。
<实施例>
本实施例详细描述基于光度立体的固体核径迹三维测量系统的具体结构和工作过程。
图1是实施例中基于光度立体的固体核径迹三维测量系统的结构框图。
如图1所示，本实施例提供了一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统100，用于对固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构进行测量，包括：架体1、移动模块2、背景光源模块3、图像获取模块4、高度调节模块5、激光光源模块6、图像处理模块7、掩膜建立模块8、图像重建模块9以及控制模块10。
图2是本实施例中基于光度立体的固体核径迹三维测量系统的结构示意图。
如图2所示，移动模块2可以带动待测量的固体核径迹探测器CR-39沿第一方向或第二方向移动，移动模块2具有滑轨、滑块、第一驱动电机以及可移动平台，滑轨设置在架体1的底部，沿第一方向和第二方向延伸，滑块设置在滑轨上且能沿滑轨滑动，第一驱动电机的输出端与滑块固定连接，驱动滑块沿滑轨滑动；可移动平台固定在滑块上且能与滑块同步在滑轨上沿第一方向或第二方向滑动。
背景光源模块3，设置在移动模块2下方，用于为待测量的固体核径迹探测器CR-39提供背景光。
图像获取模块4，图像获取模块包括显微镜头，设置在移动模块上方，用于获取背景图像以及待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像。
高度调节模块5，用于沿第三方向调节图像获取模块的位置，高度调节模块5具有设置在架体上的丝杆、丝杆螺母以及第二驱动电机，丝杆沿第三方向延伸且垂直于可移动平台，丝杆与第二电机的输出端固定连接以驱动其自身旋转，从而带动套设在丝杆上的丝杆螺母沿丝杆的轴向运动，图像获取模块4设置在丝杆螺母上，能随丝杆螺母沿第三方向运动。
激光光源模块6，设置在高度调节模块5上，用于为待测量的固体核径迹探测器CR-39提供激光光源。激光光源模块6具有基座14和多个激光发生器，基座14呈圆环状，套设在图像获取模块4上，多个激光发生器沿基座14的周向均匀设置在基座14朝向可移动平台的一面。
图像处理模块7，能够对图像获取模块获取的待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像进行处理，图像处理模块7根据图像获取模块4获取的待测量的固体核径迹探测器CR-39的多个图像建立元数据矩阵。
掩膜建立模块8，能够使用OTUS阈值法根据对图像获取模块获取的图像建立掩膜，从而限定计算区域。
图像重建模块9，能够对图像处理模块处理过的图像进行重建。图像重建模块9重建固体核径迹探测器CR-39的立体图像的方法包括如下步骤：
步骤A1，通过最小二乘法计算得到固体核径迹探测器CR-39的表面单位法向量分布，将表面单位法向量分布转换得到梯度场分布；
步骤A2，根据梯度场分布，通过临近插值法对固体核径迹探测器CR-39的内部未受照射的点进行梯度插值；
步骤A3，根据插值后的梯度场分布建立差分方程，计算各点高度差，得到固体核径迹探测器CR-39的表面的核径迹形态的三维结构；
步骤A4，根据三维结构的外边缘值填充掩膜建立模块建立的掩膜外的平面区域，得到固体核径迹探测器CR-39的立体图像。
控制模块10，能够控制移动模块、背景光源模块、高度调节模块、图像获取模块、激光光源模块、图像处理模块、掩膜建立模块以及图像重建模块。
控制模块控制对固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构进行测量的过程包括如下步骤：
步骤S1，将待测量的固体核径迹探测器CR-39放置在移动模块上，控制移动模块沿第一方向或第二方向移动，达到图像读取起始点；
步骤S2，控制背景光源模块发射背景光，图像获取模块通过高度调节模块调节高度后完成对焦并获得一张背景图片；
步骤S3，关闭背景光，激光光源模块发出多束激光照亮图像获取模块获取图像的区域；
步骤S4，图像获取模块获取多张不同激光光束下待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像，并发送至图像处理模块；
步骤S5，图像处理模块根据多张图像构建元数据矩阵；
步骤S6，掩膜建立模块根据步骤S2获得的背景图片建立掩膜；
步骤S7，图像重建模块根据步骤S5种获得的元数据矩阵对图像进行重建，得到固体核径迹探测器CR-39表面的核径迹形态的三维结构；
步骤S8，控制移动模块沿第一方向或第二方向移动一定距离后重复步骤S1-S7；
步骤S9，移动模块到达图像读取结束点，完成固体核径迹探测器CR-39的扫描，得到固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构的测量结果。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，因为具有可以用于带动待测量的固体核径迹探测器CR-39沿第一方向或第二方向移动的移动模块、可以用于为待测量的固体核径迹探测器CR-39提供背景光的背景光源模块、可以用于用于获取背景图像以及待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像的图像获取模块、可以用于沿第三方向调节图像获取模块的位置的高度调节模块、可以用于为待测量的固体核径迹探测器CR-39提供激光光源的激光光源模块、可以用于对图像获取模块获取的待测量的固体核径迹探测器CR-39的图像进行处理的图像处理模块、可以用于根据对图像获取模块获取的图像建立掩膜的掩膜建立模块、可以用于对图像处理模块处理过的图像进行重建的图像重建模块以及可以用于控制上述模块的控制模块，所以，本发明的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统填补了现有的基于光度立体测量物体表面方法不适用CR-39所造成的空白，克服了原子力显微镜、共聚焦显微镜仪器昂贵，扫描速度慢、经济性差的缺点，且不会对被测物造成损伤，同时能够带动被测物在水平面上高精度移动，补充充足的背景光源，并为控制装置运行设置了按特定逻辑运行的算法。
此外，本实施例用多路激光照射CR-39表面并以反射图像重建表面三维结构，因而实现简单、经济性更好、重建速度更快。
另外，本实施例的装置为CR-39表面重建的需求进行了专门的设计，搭载被测物的平台移动精度达到了μm级别，具有搭载多路激光的平台，基于光度立体学的思想，相比于原子力显微镜、共聚焦显微镜成本大幅减少(由百万级降至十万级)，扫描速度大幅提高(提高300倍以上)，相比于切片方法，不会对被测物造成任何损伤。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，用于对固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构进行测量，其特征在于，包括：
移动模块，用于带动待测量的所述固体核径迹探测器CR-39沿第一方向或第二方向移动；
背景光源模块，设置在所述移动模块下方，用于为待测量的所述固体核径迹探测器CR-39提供背景光；
图像获取模块，设置在所述移动模块上方，用于获取背景图像以及待测量的所述固体核径迹探测器CR-39的图像；
高度调节模块，用于沿第三方向调节所述图像获取模块的位置；
激光光源模块，设置在所述高度调节模块上，用于为待测量的所述固体核径迹探测器CR-39提供激光光源；
图像处理模块，用于对所述图像获取模块获取的待测量的所述固体核径迹探测器CR-39的图像进行处理；
掩膜建立模块，用于根据对所述图像获取模块获取的图像建立掩膜；
图像重建模块，用于对图像处理模块处理过的所述图像进行重建；
控制模块，用于控制所述移动模块、所述背景光源模块、所述高度调节模块、所述图像获取模块、所述激光光源模块、所述图像处理模块、所述掩膜建立模块以及所述图像重建模块。
2.根据权利要求1所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于，还包括：
架体；
其中，所述移动模块具有滑轨、滑块、第一驱动电机以及可移动平台，
所述滑轨设置在所述架体的底部，沿所述第一方向和所述第二方向延伸，
所述滑块设置在所述滑轨上且能沿所述滑轨滑动，
所述第一驱动电机的输出端与所述滑块固定连接，驱动所述滑块沿所述滑轨滑动；
所述可移动平台固定在所述滑块上且能与所述滑块同步在所述滑轨上沿所述第一方向或所述第二方向滑动。
3.根据权利要求2所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于：
其中，所述高度调节模块具有设置在所述架体上的丝杆、丝杆螺母以及第二驱动电机，
所述丝杆沿第三方向延伸且垂直于所述可移动平台，
所述丝杆与所述第二电机的输出端固定连接以驱动其自身旋转，从而带动套设在所述丝杆上的所述丝杆螺母沿所述丝杆的轴向运动，
所述图像获取模块设置在所述丝杆螺母上，能随所述丝杆螺母沿第三方向运动。
4.根据权利要求3所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于：
其中，所述图像获取模块为显微镜头。
5.根据权利要求3所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于：
其中，所述激光光源模块具有基座和多个激光发生器，
所述基座呈圆环状，套设在所述图像获取模块上，
多个所述激光发生器沿所述基座的周向均匀设置在所述基座朝向所述可移动平台的一面。
6.根据权利要求1所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于：
其中，所述掩膜建立模块根据所述图像获取模块获取的所述背景图像建立掩膜，从而限定计算区域。
7.根据权利要求6所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于：
其中，所述掩膜建立模块使用OTUS阈值法建立掩膜。
8.根据权利要求1所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于：
其中，所述图像处理模块根据所述图像获取模块获取的待测量的所述固体核径迹探测器CR-39的多个图像建立元数据矩阵。
9.根据权利要求1所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于：
其中，所述图像重建模块重建所述固体核径迹探测器CR-39的立体图像的方法包括如下步骤：
步骤A1，通过最小二乘法计算得到所述固体核径迹探测器CR-39的表面单位法向量分布，将所述表面单位法向量分布转换得到梯度场分布；
步骤A2，根据所述梯度场分布，通过临近插值法对所述固体核径迹探测器CR-39的内部未受照射的点进行梯度插值；
步骤A3，根据插值后的梯度场分布建立差分方程，计算各点高度差，得到所述固体核径迹探测器CR-39的表面的核径迹形态的三维结构；
步骤A4，根据所述三维结构的外边缘值填充所述掩膜建立模块建立的掩膜外的平面区域，得到所述固体核径迹探测器CR-39的所述立体图像。
10.根据权利要求1所述的基于光度立体的固体核径迹三维测量系统，其特征在于：
其中，所述控制模块控制对固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构进行测量的过程包括如下步骤：
步骤S1，将待测量的所述固体核径迹探测器CR-39放置在所述移动模块上，控制所述移动模块沿所述第一方向或第二方向移动，达到图像读取起始点；
步骤S2，控制背景光源模块发射背景光，图像获取模块通过高度调节模块调节高度后完成对焦并获得一张背景图片；
步骤S3，关闭所述背景光，激光光源模块发出多束激光照亮所述图像获取模块获取图像的区域；
步骤S4，图像获取模块获取多张不同所述激光光束下待测量的所述固体核径迹探测器CR-39的图像，并发送至图像处理模块；
步骤S5，图像处理模块根据多张所述图像构建元数据矩阵；
步骤S6，掩膜建立模块根据步骤S2获得的所述背景图片建立掩膜；
步骤S7，图像重建模块根据所述步骤S5种获得的元数据矩阵对图像进行重建，得到固体核径迹探测器CR-39表面的核径迹形态的三维结构；
步骤S8，控制所述移动模块沿所述第一方向或第二方向移动一定距离后重复步骤S1-S7；
步骤S9，所述移动模块到达图像读取结束点，完成所述固体核径迹探测器CR-39的扫描，得到所述固体核径迹探测器CR-39上核径迹的三维结构的测量结果。
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