CN107561019B

CN107561019B - 一种检测光学窗口上生物附着的方法

Info

Publication number: CN107561019B
Application number: CN201710719965.XA
Authority: CN
Inventors: 廖然; 马辉
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: CN107561019A

Abstract

本发明公开了一种检测光学窗口上生物附着的方法，包括如下步骤：(1)光源发出的光经过偏振发生器产生预定的入射偏振光，所述入射偏振光经过光学窗口照明所述光学窗口外部表面附着的生物膜；(2)生物膜的散射光经过所述光学窗口后被偏振检测器检测得到所述散射光的偏振态；(3)信号处理器处理入射偏振光和散射偏振光之间的关系，获得所述生物膜的偏振性质，从而判断所述生物膜的生长状态。本发明的方法适用于检测水下光学仪器上的光学窗口上的生物附着，以用此来警示光学窗口的清洁。

Description

一种检测光学窗口上生物附着的方法

技术领域

本发明涉及生物生长监测方法，特别是涉及一种检测光学窗口上生物附着的方法。

背景技术

光学仪器是水下环境监测的重要工具。光学方法由于高分辨和无损测量的优势，在水下原位测量中占有重要地位。而其自主校准、长时间工作等优势，使之比传统的化学、生物、电、磁等传感技术更加引人关注。但是水下光学仪器受到水下生物附着的威胁，在中国近海，仪器在水下放置1个月以后就必须清除。生物生长形成的生物膜会阻挡仪器中光的射出，给测量带来偏差，一些商用仪器采用诸如铜刷、毛刷等通过机械拭擦的方法来清除附着在光学窗口的生物膜，可以有效的消除它们的影响，是目前常用的方法，但机械拭擦的能耗比较高。同时，由于不同水域生物附着的生长周期不同，如何根据生物附着的情况调整拭擦的频率是一个亟待解决的问题。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种检测光学窗口上生物附着的方法。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种检测光学窗口上生物附着的方法，包括如下步骤：

(1)光源发出的光经过偏振发生器产生预定的入射偏振光，所述入射偏振光经过光学窗口照明所述光学窗口外部表面附着的生物膜；

(2)生物膜的散射光经过所述光学窗口后被偏振检测器检测得到所述散射光的偏振态；

(3)信号处理器处理入射偏振光和散射偏振光之间的关系，获得所述生物膜的偏振性质，从而判断所述生物膜的生长状态。

优选地，所述步骤(1)中预定的入射偏振光为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光中的至少一种。

优选地，所述步骤(1)中的入射偏振光和步骤(2)中的被所述偏振检测器检测的生物膜的散射光之间的夹角α为0°-180°。

优选地，当α为0°时，所述步骤(1)中的入射偏振光经过一个非偏振光分光镜透射后再经过所述光学窗口照明所述光学窗口外部表面附着的生物膜；所述步骤(2)中的生物膜的散射光经过所述光学窗口后，被所述非偏振光分光镜引导至所述偏振检测器中。

优选地，当α为180°时，所述方法适用于对两个光学窗口上附着的生物膜进行检测，两个光学窗口上的生物附着的表面相对且相互平行，所述步骤(1)中，所述入射偏振光经过其中一个光学窗口后照明生物膜，所述步骤(2)中，生物膜的散射光经过另一个光学窗口后被偏振检测器检测得到所述散射光的偏振态。

优选地，所述步骤(3)中的获得所述生物膜的偏振性质，是指处理得到生物膜的Mueller矩阵阵元或其投影的图像。

优选地，所述步骤(2)中的检测得到所述散射光的偏振态，是指测量散射光的斯托克斯向量。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明通过测量光学窗口上生物附着的偏振性质来判断生物的生长状态，从而来检测生物附着，本发明的方法尤其适用于检测水下光学仪器上的光学窗口上的生物附着，以用此来警示光学窗口的清洁。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的一种检测光学窗口上生物附着的光学系统；

图2是本发明具体实施方式中的另一种检测光学窗口上生物附着的光学系统；

图3是本发明具体实施方式中的又一种检测光学窗口上生物附着的光学系统；

图4是本发明具体实施方式中生物膜生长状态对比的穆勒矩阵直方图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

生物在生长过程中，往往是从一个区域通过多糖、多肽等大分子往其他区域定向生长，而发明人研究发现生物中的这些大分子的定向生长，会产生一定程度的光学偏振现象，基于这种偏振现象，本发明提出一种检测光学窗口上生物附着(形成生物膜)的方法，通过测量光学窗口上生物膜的偏振性质，从而判断生物膜的生长状态，据此，期望可以在生物膜生长到某个阈值的时候，发出警报，以便清除生物膜。

本发明的具体实施方式提供一种检测光学窗口上生物附着的方法，包括如下步骤：

(1)光源发出的光经过偏振发生器产生预定的入射偏振光，所述入射偏振光经过光学窗口照明(也即入射偏振光照射到光学窗口的内侧面(与生长有生物膜的外侧面相对的一面))所述光学窗口外部表面附着的生物膜；

其中，预定的入射偏振光可以为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光中的至少一种；偏振发生器可以是固定光学元器件的组合，产生固定偏振光，也可以是机械式旋转波片或者偏振片，或者电控液晶偏振器件，产生多种偏振光等。

偏振检测器可以测量散射偏振光的偏振态，可以采用多种分光方法，通过分时、分振幅、分波前等方法，得到散射光的偏振态全部信息或者部分信息，具体是指测量散射光的斯托克斯(Stokes)向量或一部分。

一般用Stokes向量来表示光的偏振态，如公式(1)所示，其中S表示Stokes向量，它是一个4*1的向量，I，Q，U，V分别是该向量的四个分量，I表示光强，即在不加检偏装置的情况下原始的光强信息；I(90°)表示光强在90°方向上的投影，叫做偏振分量；R是右旋方向，L是左旋方向，I(R)是右旋偏振分量，具体，Q表示光波的水平偏振分量与垂直偏振分量强度之差I(0°)-I(90°)；U表示光波沿45°方向的偏振分量与沿130°方向的偏振分量强度之差I(45°)-I(135°)；V表示光波的右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的强度之差I(R)-I(L)。

若Q＝U＝V＝0，则是自然光；若

则是部分偏振光；若

则是完全偏振光；若则是线偏振光；若I＝|V|，则是圆偏振光。

针对任意光而言，表征它偏振态的Stokes向量最多有4个独立变量，所以理论上来说至少4次测量，就可以测得Stokes向量。例如，可以先后测量I(0°)，I(90°)，I(45°)，I(R)，也可以是I(0°)，I(45°)，I(135°)，I(R)，也可以是I(0°)，I(45°)，I(L)，I(R)等等。

目前有很多方法来测量光的偏振态，例如分时、分振幅、分波前等方法。如公式(1)所示，对于一束光，若在时间上不变(强度、偏振、光谱都不变)，那么可以采用分时的方法，比如I(0°)，I(90°)，I(45°)，I(R)按照时间顺序先后测量。也可以把它们分成四份，分别同时测量。也可以在假设波前是均匀的情况下，在空间上同时测4个偏振分量。

以上所述是如何测全部Stokes向量，在某些情况下，只需要测部分Stokes向量，比如线性部分，也就是I，Q，U，那么只需要3次测量就可以，不用测量左旋和右旋分量。

本文用Mueller(穆勒)矩阵来表示样品(即生物膜)的偏振性质。Mueller矩阵是一个4*4的矩阵，如公式(2)所示：

其中mij的i，j各自独立地＝1,2,3,4，表示阵元。Mueller矩阵与Stokes向量之间的关系是如公式(3)所示：

S_out＝M*S_in (3)

其中S_in是入射光的偏振态，S_out是出射光的偏振态。Mueller矩阵是16个元，最多有16个独立变量，通过一定的策略，改变入射光偏振态多次，同时测量相应的出射光偏振态，就可以得到全部Mueller矩阵。同样，本申请实施方式中也可以只测量Mueller矩阵的一部分阵元。比如，若入射光只有线偏振光，并且只测量出射光的线偏振部分，则可以获得3*3的阵元，mij，i，j＝1,2,3。

有些情形下，需要测量Mueller矩阵的一部分投影，比如当给定一个入射光时，即Stokes向量已知，这时，测量得到的出射光的Stokes向量就是Mueller矩阵的一个投影。比如利用45度的线偏振光作为入射光S_in,45°，那么得到S_out,45°是Mueller矩阵阵元的一个组合，也是它的一个投影，公式(3)可以表示为：

Mueller矩阵反映的是样品的偏振性质，在实际应用过程中，发明人经过研究发现，只有某些偏振性质是特异性的，那么就只测量这些对应的Mueller矩阵阵元或者它的投影，叫做特异性参数。对应的，可以发展出相应的测量方法，比如采用什么样的入射光，测量什么偏振分量，入射-出射要多少种组合等等。在实际中，不同类型的生物生长形成的生物膜可能有不同的特异性参数(参数是Mueller矩阵或者它的部分阵元组合)，例如，若生物膜的特异性参数与Mueller矩阵的左上方3*3阵元有关时，就只需要测IQU(即线性部分)，若还与Mueller矩阵元的第4行或第4列有关，则需要测全部Stokes向量，也即，具体测Stokes向量的那些部分，取决于生物膜的特异性参数。

在实际应用中，根据不同类型的生物膜，可以在生物膜的生长过程中先测量Mueller矩阵全部的16个元，看哪些元变化比较明显，或者与其他类型生物膜的Mueller矩阵差异比较大，一般，可以在差异大的阵元或阵元组合里面挑出变化明显的，作为特异性参数，也即，生物膜的偏振性质，是指处理得到与所述生物膜相关的特异性的Mueller矩阵阵元或其投影的图像，该特异性的Mueller矩阵阵元或其投影的图像是在生物膜生长过程中变化较大(与该生物膜的其他阵元相比)或者与其他类型生物膜差异较大(差异大到足以区分出生物种类)的Mueller矩阵阵元或其投影的图像。

在具体实施方式中，步骤(1)中的入射偏振光和步骤(2)中的被偏振检测器检测的生物膜的散射光之间的夹角α可以为0°-180°，在实施过程中，可以根据需要，采用特定的α。

当α＝90°时，如图1所示为在一个水下密封舱中测量时的单舱式光路，光源1发出的光经过偏振发生器2产生预定的入射偏振光，入射偏振光经过光学窗口3照明光学窗口3外部表面附着的生物膜6；生物膜的散射光经过光学窗口后被偏振检测器4检测得到散射光的偏振态；信号处理器5处理入射偏振光和散射偏振光之间的关系，获得生物膜的偏振性质，从而判断生物膜的生长状态。

当α＝0°时，如图2所示为在一个水下密封舱中测量时的单舱式光路，与图1的区别在于，图2中借助一个非偏振分光镜7，入射偏振光经过非偏振光分光镜7透射后再经过光学窗口照明光学窗口外部表面附着的生物膜，且非偏振分光镜7把从生物膜上散射回来的光，引导至偏振检测器4中，与图1中类似，通过信号处理器5来处理入射偏振光与散射偏振光之间的关系，获得生物膜的偏振性质，从而得到偏振膜的生长状态。

当α＝180°时，如图3所示为在两个水下密封舱中测量时的两舱式光路，两个光学窗口3上的生物附着的表面相对且相互平行，入射偏振光经过其中一个光学窗口后照明生物膜，生物膜的散射光经过另一个光学窗口后被偏振检测器检测得到散射光的偏振态，与图1中类似，通过信号处理器来处理入射偏振光与散射偏振光之间的关系，获得生物膜的偏振性质，从而得到生物膜的生长状态。

利用图3所示的光路结构，做了一个在玻璃片上生长生物膜的实验，具体如下：

1)光源：633nm的LED，产生一束10mm的平行光；

2)偏振发生器：由固定偏振片+旋转的四分之一波片组成，可用电机控制波片旋转，角度已知，可以计算出来产生的入射光的偏振态。

3)样品：把铜绿假单胞菌放在培养液中，在光学窗口上生长出生物膜，作为样品。

4)偏振检测器：由旋转的四分之一波片+固定偏振片组成，利用分时测量的方式来测量出射光的偏振态(全Stokes向量)，此处用CCD接收光，并记录为图像。

5)信号处理器：根据已知的入射偏振光和出射光的Stokes向量的图像，，处理得到生物膜的Mueller矩阵阵元的图像。选择一个区域3mm*3mm，做直方图。如图4所示。图4对比了没有生物膜、在实验室生长了1天、和2天的生物膜的偏振性质。随着生物膜的生长，其穆勒矩阵的直方图出现了变化，在图4中用箭头标识出来。从图4可以看出，本申请提出的通过测量其偏振性质的方法，可以有效的表征生物膜的变化。

6)分析和阈值的确定：图4中，点线、虚线、实线分别是没有生物膜，生长了1天，生长了2天的情况。从图4中看出，相对于没有生物膜的情况，m21这个元的主峰在第1天是会往小的方向漂移，并且它的宽度变大；第2天这个主峰往大方向漂移，并且宽度变小，但是比没有生物膜的主峰要小，宽度要大，因此，可以将m21这个阵元作为本例中铜绿假单胞菌的特异性参数。从这个过程中，可以通过时间追踪，得到m21的变化曲线，从而判断出生物膜的生长过程。并且本例中可以划定m21的阈值，指示刷子去除生物膜。该阈值的选择，与具体生物膜的来源有关，由对光学窗口的要求决定，在本例子中的阈值可以设置为m21这个阵元，其主峰值与没有生物膜时的主峰值相比小-0.02，并且其半高宽大于0.08。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种检测光学窗口上生物附着的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(3)信号处理器处理入射偏振光和散射偏振光之间的关系，获得所述生物膜的偏振性质，从而判断所述生物膜的生长状态，所述生物膜的偏振性质是指处理得到与所述生物膜相关的特异性的Mueller矩阵阵元或其投影的图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中预定的入射偏振光为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光中的至少一种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的入射偏振光和步骤(2)中的被所述偏振检测器检测的生物膜的散射光之间的夹角α为0°-180°。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：当α为0°时，所述步骤(1)中的入射偏振光经过一个非偏振光分光镜透射后再经过所述光学窗口照明所述光学窗口外部表面附着的生物膜；所述步骤(2)中的生物膜的散射光经过所述光学窗口后，被所述非偏振光分光镜引导至所述偏振检测器中。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：当α为180°时，所述方法适用于对两个光学窗口上附着的生物膜进行检测，两个光学窗口上的生物附着的表面相对且相互平行，所述步骤(1)中，所述入射偏振光经过其中一个光学窗口后照明生物膜，所述步骤(2)中，生物膜的散射光经过另一个光学窗口后被偏振检测器检测得到所述散射光的偏振态。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的检测得到所述散射光的偏振态，是指测量散射光的斯托克斯向量。