CN107764771B - 一种水体微生物可视化成像检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水体微生物可视化成像检测装置，包括激光光源、第一扩束模组以及第二扩束模组，还包括用于容置待检测水体的容置装置；所述激光光源用于发射激光束并射向至所述第一扩束模组；所述第一扩束模组用于将所述激光光源发射的激光束的横截面积进行扩大并转换成平行光束，该平行光束经过所述容置装置的入光面射入至其充有待检测水体的内部；所述第二扩束模组用于将待检测水体中传播的平行光束进行发散、放大并投影显示。本成像检测装置结构简单，无须特殊精密加工，组件间连接方便，制作成本低，微生物肉眼可辨，方便用户直观查看，适用场景范围更加广泛。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体地说，是涉及一种水体微生物可视化成像检测装置。
背景技术
现有净水设备虽然能够滤除进水中的泥沙、铁锈、成垢离子及微生物等有害物质，但由于出水管与外界大气接通，出水管湿润，适宜微生物生长，外界大气环境中的微生物可从净水设备的出水管逆向进入净水设备内部，并在器壁表面附着生长、繁殖，导致净水设备的出水仍然存在严重的微生物超标现象。虽然国家有相应的标准规范，但净水设备本身并不具备出水微生物检测功能，作为普通消费者的用户更无法通过肉眼直观可视地判断净水设备输出的水是否符合国家标准要求。
现有的微生物检验检测方法主要有培养皿法、酶法、免疫法、基因法等，为间歇、随机的样品采集和耗时的实验室分析，检测方法步骤多、检测过程长、检测灵敏度低，标准检测程序需要进行一段时间的细菌培养（数小时或数天时间）才能得到检测结果，无法实现对水中微生物的连续、实时检测，更无法让用户通过肉眼直观地观察到水质状况。
专利201310103487.1公开了一种水体细菌微生物快速在线检测装置及检测方法，基于细菌微生物的光学散射和吸收特性，以双波长激光二极管为光源，分布在球形空间的光纤阵列为光信号接收器件，CCD为光信号检测器，实现对水体中的细菌微生物的快速识别和在线检测。但是该技术不具备微生物成像功能，无法让用户肉眼直观可见地判断水质情况；其光信号采集、传输、接收和检测器件由分布在球形测量室外部通孔的多套光纤阵列、光束整形透镜组和CCD探测器组成，且各角度采集的光信号需要进行整形处理，存在成本高、系统复杂、误差大、球形测量室加工难度大的问题；球形测量室的侧壁上设置有处于同一直径两端的进、出光孔，将导致测量室内只有在以该直径为长度、进光孔大小为横截面积的圆柱体内的水样为有效监测水样，占整个测量室内的水样比重小，监测系统误差大；此外，该监测系统只收集了检测水样的散射光信号，对于水质较好的水样，由于散射光强度相对于光源输入的激光强度很小，因此，该系统的细菌等微生物监测灵敏度、检测限和精度也将大大受限。
发明内容
基于现有水体细菌等微生物检测装备结构复杂、成本高不适于家庭使用、检测精度差等技术问题，本发明提出了一种水体微生物可视化成像检测装置，可以解决上述技术问题的一种或几种。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种水体微生物可视化成像检测装置，包括激光光源、第一扩束模组以及第二扩束模组，还包括用于容置待检测水体的容置装置，所述容置装置设置在激光光源发射的激光束的光路上；
所述激光光源用于发射激光束并射向至所述第一扩束模组；
所述第一扩束模组用于将所述激光光源发射的激光束的横截面积进行扩大并转换成平行光束，该平行光束经过所述容置装置的入光面射入至其充有待检测水体的内部；
所述第二扩束模组用于将待检测水体中传播的激光束进行发散、放大并投影显示。
进一步的，还包括微生物浓度检测装置和显示装置，所述微生物浓度检测装置用于检测水体中的微生物浓度并发送至所述显示模块显示。
进一步的，所述微生物浓度检测装置包括控制模块、分别与所述控制模块连接的散射采集模块和透射采集模块，所述散射采集模块用于检测平行光束在待检测水体中传播过程中的散射光，并转换为电信号发送至所述控制模块；所述透射采集模块用于检测平行光束在待检测水体中传播过程中的透射光，并转换为电信号发送至所述控制模块，所述控制模块根据散射光信号与透射光信号计算散透比，并根据散透比计算水体中的微生物浓度。
进一步的，还包括光源壳体，所述光源壳体的一侧具有出光口，所述激光光源固定设置在所述光源壳体内且所发射的激光束从所述出光口射出，所述第一扩束模组固定设置在所述出光口处。
进一步的，所述光源壳体上开设有散热口，所述散热口处装配有散热风扇。
进一步的，所述光源壳体上有散热槽。
进一步的，所述第一扩束模组包括沿着激光束传播方向顺次设置的凹透镜和凸透镜，所述凹透镜位于所述凸透镜的一倍焦距处。
进一步的，所述透射采集模块包括半透片和透射光采集传感器，所述半透片与平行光束成45°夹角，平行光束一部分经过所述半透片透射并保持原传播方向，另外一部分被所述半透片反射且传播方向与原传播方向垂直，所述透射光采集传感器设置在所述半透片的反射光路上。
进一步的，所述容置装置具有与其内部腔体连通的进水管和出水管。
进一步的，所述容置装置与其入光面相对的一侧为出光面，经过所述第二扩束模组扩束后的激光经过所述出光面透射出，进行投影显示。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的一种水体微生物可视化成像检测装置，通过向待检测水体射入激光束，并经过光学模组的一系列光学变换，能够放大水样中的微生物等杂质，呈现肉眼可辨识的光学图像，同时能够实时反馈检测水样中的微生物浓度，装置结构简单，无须特殊精密加工，组件间连接方便，制作成本低，微生物肉眼可辨，方便用户直观查看，适用场景范围更加广泛。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提出的水体微生物可视化成像检测装置的一种实施例结构示意图；
图2是图1的侧面结构示意图；
图3是图1中水体微生物可视化成像检测装置的光路原理图；
图4是图1中水体微生物可视化成像检测装置的成像效果图；
图5是微生物浓度与其光学信号之间的数学模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，本实施例提出了一种水体微生物可视化成像检测装置，如图1、图2所示， 包括激光光源11、第一扩束模组12以及第二扩束模组13，还包括用于容置待检测水体的容置装置14，容置装置14设置在激光光源11发射的激光束的光路上；
激光光源11用于发射激光束并射向至第一扩束模组12；
如图3所示，第一扩束模组12用于将激光光源11发射的激光束进行扩束并准直、转换成平行光束，该平行光束经过容置装置的入光面射入至其充有待检测水体的内部；由于激光光源初始射出的圆柱状激光直径较小，因此，经过第一扩束模组扩束后，穿过待检测水体时的激光束直径增大，进而增大了检测水样的体积，降低了系统检测误差。
为了进一步提高人眼观察时的辨识度，第二扩束模组用于将待检测水体中传播的激光束进行发散、放大并投影显示，人眼可观察到激光透射过待检测水体后投影所形成的图像。
本实施例提出的一种水体微生物可视化成像检测装置还包括微生物浓度检测装置和显示装置，微生物浓度检测装置用于实时检测水体中的微生物浓度并发送至所述显示模块显示，使用户对微生物浓度具有定量的了解。
图4为经过本装置检测的含大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的水样投影形成的效果图片，凭肉眼可清晰地从图中看到长条状的大肠杆菌影像以及囊泡状的金黄色葡萄球菌影像。
本实施例的水体微生物可视化成像检测装置，首先，本装置基于光学原理，水体中存在的细菌等微生物对入射光有吸收和散射作用，且吸收与散射效应和微生物的浓度成正比例关系，根据本装置采集到的光学信号可以换算出水体中的微生物浓度，实现定量化检测。其次，本装置可以实时地投射出细菌等微生物的光学影像，水体中的细菌等微生物在水中自由游动，对应的影像也随之变化，实现了水质状况的肉眼识别，用户可以直观看到水样中的细菌等微生物，临场感强，检测结果可靠。再次，通过扩束技术，实现将激光光柱直径增大（可根据需要更换透镜进行自由调整），可覆盖更大体积的检测水样，减少了因水样有效体积小带来的系统误差，检测结果更准确。此外，本实施例中的水体微生物可视化成像检测装置，各功能区为模块化组件，结构简单，无须特殊精密加工，组件间连接方便。光学采集传感器模组数量少，与光源控制电路功能集成，系统成本低。
作为一个优选的实施例，如图1所示，微生物浓度检测装置包括控制模块（与激光光源11控制电路整合，图中未示出）、分别与控制模块电连接的散射采集模块15和透射采集模块16，散射采集模块15用于检测平行光束在待检测水体中传播过程中的散射光，并转换为电信号发送至控制模块；透射采集模块16用于检测平行光束在待检测水体中传播过程中的透射光，并转换为电信号发送至控制模块，控制模块根据散射光信号与透射光信号计算散透比，并根据散透比计算水体中的微生物浓度。本微生物浓度检测装置的技术理论依据是：水体中的微生物对入射光具有散射、吸收作用，入射光的散射、吸收强度与水体中的微生物浓度具有正比例关系。通过测定已知微生物浓度的一系列水样的光学信号可以建立微生物浓度与其光学信号之间的数学模型，如图5所示。通过该数学模型，在测定水样的光学信号后可以反馈出水样中的微生物浓度，从而实现对水样的微生物浓度检测及预警等功能。对于水质较好、微生物含量较低的水样，微生物对入射光的散射、吸收作用弱，单纯依靠散射光信号进行微生物浓度检测的方法存在误差增大、检测限不足或失真等问题。通过将入射光分解为散射光和透射光，采用散透比（散射光与透射光的比值或者透射光与散射光的比值）可以显著提高检测灵敏度，扩大检测范围。
如图2所示，还包括光源壳体17，光源壳体17的一侧具有出光口，激光光源11固定设置在光源壳体17内且所发射的激光束从出光口射出，第一扩束模组12固设在出光口处，用于将激光光源11发射的激光束进行扩大后转换成平行光束。
本实施例中，如图3所示，第一扩束模组12包括沿着激光束传播方向顺次设置的凹透镜121和凸透镜122，凹透镜121位于凸透镜122的一倍焦距处，凹透镜121用于将激光光源发射的激光进行扩大直径，由于凹透镜121位于凸透镜122的一倍焦距处，凸透镜122用于将透过凹透镜的光线折射成为平行光射出，便于将水体内的微生物、杂质等成像。激光光源11发出的激光束依次经凹透镜121和凸透镜122，实现激光束直径的扩大和准直校准。
如图2所示，光源壳体17上开设有散热口171，散热口171处装配有散热风扇18，散热风扇18在控制电路的驱动下适时工作，当控制电路检测到激光光源工作温度偏离正常范围时适时为激光光源风冷降温，保证了激光光源在良好的工况下稳定工作，提高其使用寿命和检测信号的可靠性。
为了进一步为光源壳体17内进行降温，光源壳体17上有散热槽172，散热槽172优选由高导热系数材质制成，如无氧铜、铝合金等。
激光光源11为可见光激光器，为了保证良好的监测效果和成像效果，优选的，该激光光源11为绿色激光发生器，封装结构将光源各部件组装在一起。
如图1、图3所示，透射采集模块16包括半透片161和透射光采集传感器162，半透片161与平行光束成45°夹角，平行光束一部分经过半透片161透射，另外一部分被半透片161反射，透射光采集传感器162设置在半透片161的反射光路上，用于接收反射光。
第二扩束模组13用于将经过半透片161透射的平行光束进行发散、放大，将水体图像进一步放大，其中，第二扩束模组13可以采用凹透镜、凸透镜或者两者的组合实现。如图1所示，本实施例中的第二扩束模组13包括一透明成像球，成像球固定在容置装置14内，入射光经由成像球由另一侧的成像透射孔穿出，本实施例的成像球为双面凸透镜原理，在大于2倍焦距位置之处形成放大的实像，放大水样中的微生物等杂质，呈现如图2所示的肉眼可辨识的光学图像。
容置装置14与其入光面相对的一侧为出光面143，经过第二扩束模组13发散、放大后的激光经过容置装置14的出光面透射出而成像（可在容置装置14的出光面外侧设置一投影板或者投影幕布，或者也可以直接投影在墙面，进行投影显示）。操作方便，结构成本低。
作为一个优选的实施例，如图2所示，容置装置14具有与其内部腔体连通的进水管141和出水管142。水样经由进水管141进入容置装置14内部，由出水管142流出，经过第一扩束模组12透出的激光在水体中传播，依次经过透射采集模块16透射采样、和第二扩束模组13的发散后透出，实现实时、动态水样检测。进水管、出水管可以为2分、3分等常规水管的快插结构，保证与各种水管便捷连接。
散射采集模块15和透射光采集传感器162分别与控制电路电连接，所采集的光信号经由控制电路进行光电信号切换后输出。控制电路内的计算程序根据输出的微生物菌落总数数值大小发出对应的报警信号（如不同颜色的灯，蜂鸣器，文字或图像显示灯），提示用户水质安全情况。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种水体微生物可视化成像检测装置，其特征在于：包括激光光源、第一扩束模组以及第二扩束模组，还包括用于容置待检测水体的容置装置，所述容置装置设置在激光光源发射的激光束的光路上；
所述激光光源用于发射激光束并射向至所述第一扩束模组；
所述第一扩束模组用于将所述激光光源发射的激光束的横截面积进行扩大并转换成平行光束，该平行光束经过所述容置装置的入光面射入至其充有待检测水体的内部；所述第一扩束模组包括沿着激光束传播方向顺次设置的凹透镜和凸透镜，所述凹透镜位于所述凸透镜的一倍焦距处；
所述第二扩束模组用于将待检测水体中传播的激光束进行发散、放大并投影显示；
第二扩束模组包括一透明成像球，成像球固定在容置装置内，从成像球透射的光经成像透射孔穿出，成像球为双面凸透镜原理，在大于2倍焦距位置之处形成放大的实像；
所述容置装置具有与其内部腔体连通的进水管和出水管，水样经由进水管进入容置装置内部，由出水管流出，经过第一扩束模组透出的激光在水体中传播，依次经过透射采集模块透射采样、和第二扩束模组的发散后透出，实现实时、动态水样检测，进水管、出水管为2分或者3分的快插结构，与相应的水管便捷连接；
所述水体微生物可视化成像检测装置还包括微生物浓度检测装置和显示装置，所述微生物浓度检测装置用于检测水体中的微生物浓度并发送至所述显示装置显示；
其中，所述微生物浓度检测装置包括控制模块、分别与所述控制模块连接的散射采集模块和透射采集模块，所述散射采集模块用于检测平行光束在待检测水体中传播过程中的散射光，并转换为电信号发送至所述控制模块；所述透射采集模块用于检测平行光束在待检测水体中传播过程中的透射光，并转换为电信号发送至所述控制模块，所述控制模块根据散射光信号与透射光信号计算散透比，并根据散透比计算水体中的微生物浓度。
2.根据权利要求1所述的水体微生物可视化成像检测装置，其特征在于：还包括光源壳体，所述光源壳体的一侧具有出光口，所述激光光源固定设置在所述光源壳体内且所发射的激光束从所述出光口射出，所述第一扩束模组固定设置在所述出光口处。
3.根据权利要求2所述的水体微生物可视化成像检测装置，其特征在于：所述光源壳体上开设有散热口，所述散热口处装配有散热风扇。
4.根据权利要求2所述水体微生物可视化成像检测装置，其特征在于：所述光源壳体上有散热槽。
5.根据权利要求1所述的水体微生物可视化成像检测装置，其特征在于：所述透射采集模块包括半透片和透射光采集传感器，所述半透片与平行光束成45°夹角，平行光束一部分经过所述半透片透射并保持原传播方向，另外一部分被所述半透片反射且传播方向与原传播方向垂直，所述透射光采集传感器设置在所述半透片的反射光路上。
6.根据权利要求1所述的水体微生物可视化成像检测装置，其特征在于：所述容置装置与其入光面相对的一侧为出光面，经过所述第二扩束模组扩束后的激光经过所述出光面透射出，进行投影显示。
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