CN110274899A - 一种海洋浮游生物荧光成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋光学技术领域，特别涉及一种海洋浮游生物荧光成像仪。包括耐压密封壳体、水文参数测量舱、系统控制及数据采集单元、电池舱、成像光路控制单元、发射光控制单元、海水进样室及荧光显微成像子系统，其中水文参数测量舱内设有多种水密接头；发射光控制单元与荧光显微成像子系统的主光轴呈垂直分布、并在海水进样室处交叉，海水进样室内壁采用石英玻璃方管；成像光路控制单元用以实现显微放大倍数的调整；系统控制及数据采集单元同时采集并存储显微成像获得的图像和水文参数值。本发明利用蓝紫激光诱导浮游生物荧光，通过对成像数据进行形状、色度、纹理及荧光强度等多种信息分析，实现不同种类浮游生物的成像探测。
Description
技术领域
本发明属于海洋光学技术领域，特别涉及一种海洋浮游生物荧光成像仪。
背景技术
作为海洋食物网的关键组成，浮游生物在海洋生产过程中起到至关重要的作用。由于浮游生物种类及分布的复杂性，如何快速测量浮游生物在海洋中的时空分布，一直是国际上海洋科学观测技术中的难题。
海洋原位浮游生物探测技术中，中型浮游生物能够通过光学成像的方式来进行统计和研究，如VPR(Video Plankton Recorder)，UVP(Underwater Video Profiler)。而对于小型或浮游生物，由于显微成像在原位探测工程应用中存在局限性，无法获得清晰的光学成像。另外，目前海洋浮游生物成像技术(如VPR、UVP)采用白光或单色光作为光源，形成灰度图像进行识别分析。这种方式并未考虑浮游生物自身成分可诱导荧光的差异，存在微、小型浮游生物原位成像探测信息不清晰，造成鉴别困难的问题。因此，亟待解决现有海洋原位浮游生物探测技术中成像信息的局限性问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种海洋浮游生物荧光成像仪，以解决现有海洋原位浮游生物探测技术中成像信息的局限性问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种海洋浮游生物荧光成像仪，包括耐压密封壳体，以及设置于所述耐压密封壳体内部的水文参数测量舱、系统控制及数据采集单元、电池舱、成像光路控制单元、发射光控制单元、海水进样室及荧光显微成像子系统，其中水文参数测量舱内设有多种水密接头，用以集成水文参数测量设备；发射光控制单元与荧光显微成像子系统的主光轴呈垂直分布、并在海水进样室处交叉，海水进样室内壁采用石英玻璃方管；成像光路控制单元用以实现显微放大倍数的调整；系统控制及数据采集单元同时采集并存储显微成像获得的图像和水文参数值。
所述海水进样室的海水进出方向与发射光控制单元和荧光显微成像子系统的主光轴方向垂直。
所述电池舱为系统控制及数据采集单元、成像光路控制单元、发射光控制单元及荧光显微成像子系统供电。
所述发射光控制单元包括滤光片、限孔光阑、准直透镜及多个激光二极管，其中滤光片、限孔光阑及准直透镜沿着X轴光路依次设置，多个激光二极管分别设置于所述滤光片的前端和侧部。
所述发射光控制单元的激光强度由系统控制及数据采集单元和限孔光阑进行调节，所述系统控制及数据采集单元调整激光二极管的供电电压，所述限孔光阑通过的孔径变化调整激光通光量。
多个所述激光二极管发射的激光经过所述滤光片后光轴重合。
所述荧光显微成像子系统包括沿Y轴光路依次设置的显微物镜、显微目镜及面阵CCD，其中显微物镜设置于靠近所述海水进样室的一端。
所述显微目镜和面阵CCD之间设有用于降低发射激光强度的激光波长陷波片。
所述系统控制及数据采集单元同时采集并存储所述水文参数测量舱和荧光显微成像子系统的测量数据，并且设有与外部工控机通信的接口，具有直读和自容式数据获取功能。
所述成像光路控制单元由控制电路和步进电机组成，所述控制电路在初始化工作时读取系统控制及数据采集单元中工作模式数据，从而控制步进电机调整荧光显微成像子系统，实现不同的成像放大倍率和对焦区域。
本发明具有以下有益效果及优点：
1、本发明所述海洋浮游生物荧光成像仪，利用激光诱导荧光原理，获取海洋浮游生物有机体的荧光成像，基于成像色度、纹理及荧光强度等信息，从生理活性成分结构的角度，分析海洋浮游生物的空间分布特征。
2、本发明所述海洋浮游生物荧光成像仪，具有浮游生物体成像信息全面、快速、有效的特点，尤其适用于海洋浮游生物原位测量应用。
附图说明
图1为本发明的结构示图；
图2为本发明中的光路示意图。
图中：1为耐压密封壳体，2为水文参数测量舱，3为系统控制及数据采集单元，4为电池舱，5为成像光路控制单元，6为发射光控制单元，7为海水进样室，8为荧光显微成像子系统，9为激光二极管，10为长波通滤光片，11为限孔光阑，12为准直透镜，13为石英玻璃方管，14为显微物镜，15为显微目镜，16为激光波长陷波片，17为面阵CCD。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种海洋浮游生物荧光成像仪，包括耐压密封壳体1、水文参数测量舱2、系统控制及数据采集单元3、电池舱4、成像光路控制单元5、发射光控制单元6、海水进样室7及荧光显微成像子系统8，其中水文参数测量舱2内设有多种水密接头，用以集成水文参数测量设备，包括但不限于温度、电导率、深度及PH值传感器；发射光控制单元6与荧光显微成像子系统8的主光轴呈垂直分布并在海水进样室7处交叉，海水进样室7内壁采用石英玻璃方管13；成像光路控制单元5用以实现显微放大倍数的调整；系统控制及数据采集单元3同时采集并存储显微成像获得的图像和水文参数值。
海水进样室7的海水进出方向与发射光控制单元6和荧光显微成像子系统8的主光轴方向垂直。水文参数测量舱2提供的多种水密接头仅用于数据通信使用，所集成的水文参数测量设备需要另外供电。电池舱4仅为系统控制及数据采集单元3、成像光路控制单元5、发射光控制单元6和荧光显微成像子系统8供电。海洋浮游生物荧光成像仪的整体密封效果，由耐压密封壳体1、水文参数测量舱2的水密接插头和海水进样室7的石英玻璃窗口处密封完成。系统控制及数据采集单元3同时采集并存储水文参数测量舱2和荧光显微成像子系统8的测量数据，并且设有与外部工控机通信的接口，具有直读和自容式数据获取功能。
如图2所示，发射光控制单元6包括滤光片、限孔光阑11、准直透镜12及多个激光二极管9，其中滤光片、限孔光阑11及准直透镜12沿着X轴光路依次设置，多个激光二极管9分别设置于滤光片的前端和侧部。
滤光片可采用长波通滤光片10，发射光控制单元6的发射波长由激光二极管9和长波通滤光片10进行调整，沿光信号传递方向，激光二极管9的波长依次减小，长波通滤光片10的截止波长要小于所处45度入射的激光波长。长波通滤光片10在实际使用中，也可替换为短波通滤光片，同时沿光信号传递方向，激光二极管9的波长依次增大，所替换的短波通滤光片的截止波长要大于所处45度入射的激光波长。用于浮游生物荧光成像的光源，既可是单波长激光、也可是混合波长激光。发射光控制单元6的不同发射激光光轴重合。
如图2所示，荧光显微成像子系统8包括沿Y轴光路依次设置的显微物镜14、显微目镜15、激光波长陷波片16及面阵CCD17，其中显微物镜14设置于靠近海水进样室7的一端。为了防止样本散射的激光强度过高，造成面阵CCD17的动态范围降低，在显微目镜15和面阵CCD17之间设有用于降低发射激光强度的激光波长陷波片16。采用对应于发射波长的激光波长陷波片16，大幅降低发射激光强度。发射光控制单元6的激光强度由系统控制及数据采集单元3和限孔光阑11进行调节，系统控制及数据采集单元3调整激光二极管9的供电电压，限孔光阑11通过的孔径变化调整激光通光量。
激光束照射海水进样室7中水体及浮游生物后，浮游生物体分子通过吸收一定能量的蓝紫激光光子，内部分子能级被激发到能级较高的能态，但这种处于激发态的分子并不稳定的，会很快通过辐射或非辐射方式释放能量，而返回基态，这种自发辐射返回基态过程中所发射的光，即为荧光。经系统结构和光电元件定标后，浮游生物体成像时其分子荧光的探测强度应满足：
PF＝CsηFNFPLaser，式中，Cs为定标常数，PLaser为激光强度，NF为分子数，荧光量子效率ηF＝kF/(kF+kIC+kISC+kOC)，kF表示荧光发射速率；kIC内转换速率；kISC系间交叉速率；kOC光化学反应发射速率。
由于激光诱导荧光特征是由浮游生物体分子的内部能级结构所决定，不同波长处发射的荧光强度不同，这就体现在浮游生物荧光成像的色度和荧光亮度上。从色度学的角度考虑，式中，PF(λ)为被测浮游生物被诱导的荧光光谱功率颜色分布，λmax和λmin是诱导荧光发射的最大和最小波长，对应成像光谱范围380nm～780nm。
浮游生物体成像色度计算满足CIE1931标准色度系统，R、G和B为系统荧光成像后色度的三刺激值：
其中，s为调整系数，λ为探测波长，PF(λ)为被测浮游生物被诱导的荧光辐射功率颜色分布，r(λ)、g(λ)、b(λ)为CIE标准色度观察者光谱三刺激值，可查询CIE1931标准得到。
显微物镜14和显微目镜15均为透镜组结构，均须进行球差、像差、色差和场曲等校正。显微物镜14和显微目镜15组成的成像放大倍率由成像光路控制单元5进行调整。成像光路控制单元5由控制电路和步进电机组成，控制电路在初始化工作时读取系统控制及数据采集单元3中工作模式数据，从而控制步进电机调整荧光显微成像子系统8，实现不同的成像放大倍率和对焦区域。
本发明利用多束蓝紫光(不同波长)诱导浮游生物有机成分发射荧光，通过原位成像的方式获取海洋浮游生物在不同诱导光源下的图像，无论对于中型或微、小型浮游生物成像探测，利用成像色度、纹理及荧光强度等信息，分析生命体生理活性结构，来弥补常规浮游生物成像在海洋探测方面的局限性，从而快速、高效地分析海洋浮游生物的空间分布特征。
本发明提供了一种海洋浮游生物荧光成像仪，利用多束蓝紫激光诱导浮游生物体发射荧光，分析其图像色度及荧光强度，并结合图像大小、图像色度、成像纹理及荧光强度分析模型，解决微、小型浮游生物原位成像探测信息不清晰造成鉴别困难的问题，实现海洋浮游生物的原位成像探测，丰富了原位观测浮游生物的信息，有利于海洋中微、小型浮游生物空间分布的统计，有助于对海洋浮游生物时空分布及其生态环境变化的研究。
以上所述的实施例仅用以说明本发明技术方案，而非对其进行方法限制；尽管上述实施例对本发明进行了详述，对于本领域的技术人员来说，依然可以对该实施例所述的技术方案进行修改，或对其中的部分技术特征进行等同性地替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，包括耐压密封壳体(1)，以及设置于所述耐压密封壳体(1)内部的水文参数测量舱(2)、系统控制及数据采集单元(3)、电池舱(4)、成像光路控制单元(5)、发射光控制单元(6)、海水进样室(7)及荧光显微成像子系统(8)，其中水文参数测量舱(2)内设有多种水密接头，用以集成水文参数测量设备；发射光控制单元(6)与荧光显微成像子系统(8)的主光轴呈垂直分布、并在海水进样室(7)处交叉，海水进样室(7)内壁采用石英玻璃方管(13)；成像光路控制单元(5)用以实现显微放大倍数的调整；系统控制及数据采集单元(3)同时采集并存储显微成像获得的图像和水文参数值。
2.根据权利要求1所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，所述海水进样室(7)的海水进出方向与发射光控制单元(6)和荧光显微成像子系统(8)的主光轴方向垂直。
3.根据权利要求1所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，所述电池舱(4)为系统控制及数据采集单元(3)、成像光路控制单元(5)、发射光控制单元(6)及荧光显微成像子系统(8)供电。
4.根据权利要求1所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，所述发射光控制单元(6)包括滤光片、限孔光阑(11)、准直透镜(12)及多个激光二极管(9)，其中滤光片、限孔光阑(11)及准直透镜(12)沿着X轴光路依次设置，多个激光二极管(9)分别设置于所述滤光片的前端和侧部。
5.根据权利要求4所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，所述发射光控制单元(6)的激光强度由系统控制及数据采集单元(3)和限孔光阑(11)进行调节，所述系统控制及数据采集单元(3)调整激光二极管(9)的供电电压，所述限孔光阑(11)通过的孔径变化调整激光通光量。
6.根据权利要求4所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，多个所述激光二极管(9)发射的激光经过所述滤光片后光轴重合。
7.根据权利要求1所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，所述荧光显微成像子系统(8)包括沿Y轴光路依次设置的显微物镜(14)、显微目镜(15)及面阵CCD(17)，其中显微物镜(14)设置于靠近所述海水进样室(7)的一端。
8.根据权利要求7所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，所述显微目镜(15)和面阵CCD(17)之间设有用于降低发射激光强度的激光波长陷波片(16)。
9.根据权利要求1所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，所述系统控制及数据采集单元(3)同时采集并存储所述水文参数测量舱(2)和荧光显微成像子系统(8)的测量数据，并且设有与外部工控机通信的接口，具有直读和自容式数据获取功能。
10.根据权利要求1所述的海洋浮游生物荧光成像仪，其特征在于，所述成像光路控制单元(5)由控制电路和步进电机组成，所述控制电路在初始化工作时读取系统控制及数据采集单元(3)中工作模式数据，从而控制步进电机调整荧光显微成像子系统(8)，实现不同的成像放大倍率和对焦区域。
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