CN110487207A - 基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置及方法 - Google Patents

基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置及方法，该装置包括依次连接的光源组件、通光孔组件、光传播组件、微流控芯片、图像采集组件、图像处理组件；本发明方法利用同轴无透镜数字全息显微系统记录微塑料的全息图像，对全息图像进行数值重建以恢复微塑料样品中的三维真实形貌；利用三维真实形貌获得微塑料最大直径所对应的三维轮廓，计算相邻像元间在轮廓处的斜率，并将斜率转换为8‑链码，通过计算斜率链码串总和与全息图中心亮斑周长的比值对微塑料进行检测与区分。本发明具有结构简单、便携、操作简单的特点。本发明的技术方案解决了现有技术中微塑料检测困难、装置结构复杂及使用不便的问题。

Description

基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置及方法
技术领域
本发明涉及对海洋中微塑料进行检测与区分的技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于全息图的三维轮廓链码与中心亮斑周长比值的微塑料检测装置及方法
背景技术
微塑料(Microplastic)一般指的是直径小于5毫米的塑料颗粒或碎片。来自日常生活微塑料的数量和种类繁多，带有磨砂颗粒的牙膏、洗面奶、洗衣粉，按摩性沐浴露等都含有微塑料。随着洗衣机废水流出的超细纤维也是微塑料，而合成纤维材质的衣服，产生的微塑料就更多了。微塑料通过各种途径进入海洋，例如工业使用的米粒大小的塑料颗粒原料、大块塑料垃圾在海洋中经物理作用形成的塑料碎屑、各种添加物和抛光料等。科学调查显示，海洋中常见的微塑料有聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、透明塑料、有色塑料、玻璃纤维等。据估算每年生产的塑料产品中约有10％流入海洋。这些难以降解的物质冒然地侵袭海洋，给海洋带来严重的生态污染和危船舶压载水指为控制船舶横倾、纵倾、吃水、稳性或应力而加载到船上的水及悬浮物质。
我国拥有漫长的海岸线和丰富的海洋资源，但目前我国对海洋微塑料污染的研究较少，近几年的调查研究表明我国很多海域已经出现了不同程度的微塑料污染的情况，微塑料由于具有更大的比表面积、能吸附更多的污染物以及更容易进入生物体等特殊的性质,对海洋环境造成的影响远大于大型塑料垃圾，所以海洋中的微塑料的检测就变得极其重要。
在针对微塑料的研究中,共同面临的一个难点在于:从环境介质中分离得到的样品是一个包含了多种物质的混合物,难以从中将微塑料分辨出来。目前微塑料的检测方法有光学显微镜、电子显微镜、红外光谱、拉曼光谱、热分析法等。光学显微镜只能识别尺寸在百微米以上的微塑料，并且容易高估或低估样品的丰度。电子显微镜要求样品必须是固体且不能区分添加剂和吸附物质，此外仪器造价昂贵并且分析耗时较长。红外光谱法需要人工将粒子分类，且可能遗漏粒径小、数量少的微塑料。拉曼光谱可以弥补这一缺陷但会低估样品中微塑料的丰度。
综合以上分析，现有海洋微塑料的检测方法不适合现场快速检测，具有难以识别低粒径的微塑料、耗时长、价格昂贵、不易操作等缺点，所以海洋微塑料的检测方法与装置仍然是急需解决的问题。
发明内容
根据上述提出现有检测装置及方法不适合现场快速检测，具有难以识别低粒径的微塑料、耗时长、价格昂贵、不易操作等缺点，本发明提供了一种基于全息图的三维轮廓链码与中心亮斑周长比值的微塑料检测装置可以实现微塑料的现场快速检测、操作过程简单、成本低廉且可以有效识别低粒径的微塑料。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置，包括依次连接的光源组件、通光孔组件、光传播组件、微流控芯片、图像采集组件、图像处理组件；
所述图像采集组件采集微流控芯片检测区域在光束作用下生成的全息图像，所述全息图像被送至与所述图像采集组件相连接的图像处理组件进行图像分析，得到微塑料形成的全息图像中心亮斑周长的比值。
进一步地，所述光源组件包括电源供电器件、光源固定结构以及与所述通光孔组件紧密贴合的发光二极管，所述发光二极管发出的光束经所述通光孔组件变成球面波，并经过所述光传播组件照射所述微流控芯片，由图像采集组件采集成像，得到微塑料的全息图。
进一步地，所述微流控芯片包括聚二甲基硅氧烷片和载玻片，所述聚二甲基硅氧烷片依次凹刻有检测区域，所述检测区域两端对称连接第一聚焦通道和第二聚焦通道，所述第一聚焦通道的另一端宽度渐增直至等宽连接于第一通道，所述第一通道另一端设有进液孔，所述第二聚焦通道以相同方式连接第二通道且第二通道末端设有废液孔。
进一步地，所述图像处理组件还对微塑料样品进行三维恢复。
进一步地，所述通光孔组件为不锈钢片中心微米小孔器件，将部分相干光发散成球面波。
本发明还提供了一种基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测方法，包括如下步骤：
步骤S1：将图像采集组件采集微流控芯片检测区域在光束作用下生成的全息图样，送至图像处理组件中对其进行角谱数值重建并利用单波长迭代算法消除共轭双像得到微塑料的复振幅；
步骤S2：利用反正切函数和相位解包裹算法获取微塑料的真实相位分布；
步骤S3：根据相位和光程的关系获取物体表面的高度信息，将每点的高度信息整合得到微塑料的三维真实形貌。
步骤S4：获取微塑料最大直径所对应的三维轮廓，计算相邻像元间在该三维轮廓处连接线段的斜率；
步骤S5：每段线段有八种可能的方向0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，按次序对应数码0、1、2、3、4、5、6、7，将链码定义为ci,ci∈{0，d，2d，3d，4d，5d，6d，7d}，其中d为像元尺寸大小；
步骤S6：将所述三维轮廓中心的斜率线段转换为8-链码串，通过计算斜率链码串的总和与所采集微塑料全息图中心亮斑周长的比值对微塑料进行检测与区分。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明微塑料检测装置结构示意图；
图2为本发明微流控芯片结构示意图；
图3为本装置进行微塑料的检测与区分方法步骤流程图；
图4为不同粒径大小的微颗粒的示意图；
图中：1、光源组件；2、通光孔组件；3、光传播组件；4、微流控芯片；5、图像采集组件；6、图像处理组件；7、聚二甲基硅氧烷片；8、载玻片；9、第一通道；10、第一聚焦通道；11、检测通道；12、第二聚焦通道，13、第二通道，14、进液孔，15、废液孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
由于粒径不同的微塑料形成的全息图像不同，其数值重建后微塑料的三维特征也不同，根据上述原理本发明涉及了一种基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置及方法，下面结合附图对本发明作进一步地说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置，包括依次连接的光源组件1、通光孔组件2、光传播组件3、微流控芯片4、图像采集组件5、图像处理组件6。光源组件1包括电源供电器件、光源固定结构以及与所述通光孔组件2紧密贴合的发光二极管，发光二极管发出的光束经所述通光孔组件2变成球面波，并经过所述光传播组件3照射所述微流控芯片4并由图像采集组件5采集成像，得到微塑料的全息图。
如图2所示，微流控芯片4包括聚二甲基硅氧烷片7和载玻片8，所述聚二甲基硅氧烷片7依次凹刻有检测通道11，检测通道11两端对称连接第一聚焦通道10和第二聚焦通道12，第一聚焦通道10的另一端宽度渐增直至等宽连接于第一通道9，第一通道另一端设有进液孔14，第二聚焦通道以相同方式连接第二通道13且第二通道13末端设有废液孔15。微流控芯片4是样品的载体能够控制微塑料样品的流动。
图像采集组件5采集微流控芯片4检测通道11在光束作用下生成的全息图像，全息图像被送至与图像采集组件5相连接的图像处理组件6进行图像分析，得到微塑料形成的全息图像中心亮斑周长的比值。图像处理组件6还对微塑料样品进行三维恢复，图像处理组件6用于处理微塑料的全息图像，利用角谱数值重建并利用单波长迭代算法消除共轭双像得到微塑料的复振幅，利用反正切函数和相位解包裹算法获取微塑料的真实相位分布，根据相位和光程的关系获取物体表面的高度信息，将每点的高度信息整合得到微塑料的三维真实形貌。
如图3所示，本发明还提供了一种基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测方法，包括如下步骤：
步骤S1：将图像采集组件5采集微流控芯片4检测区域在光束作用下生成的全息图样，送至图像处理组件6中对其进行角谱数值重建并利用单波长迭代算法消除共轭双像得到微塑料的复振幅；
步骤S2：利用反正切函数和相位解包裹算法获取微塑料的真实相位分布；
步骤S3：根据相位和光程的关系获取物体表面的高度信息，将每点的高度信息整合得到微塑料的三维真实形貌。
步骤S4：获取微塑料最大直径所对应的三维轮廓，计算相邻像元间在该三维轮廓处连接线段的斜率；
步骤S5：每段线段有八种可能的方向0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，按次序对应数码0、1、2、3、4、5、6、7，将链码定义为ci,ci∈{0，d，2d，3d，4d，5d，6d，7d}，其中d为像元尺寸大小；
步骤S6：将所述三维轮廓中心的斜率线段转换为8-链码串，通过计算斜率链码串的总和与所采集微塑料全息图中心亮斑周长的比值对微塑料进行检测与区分。
实施例
本发明装置在使用时，首先将微塑料样品放在微流控芯片4上，将微流控芯片4置于载物台，发光二极管发出的部分相干光经过通光孔组件2和光传播组件3照射在放置于载物台上的样品上形成的衍射图像并由图像采集组件5采集。该装置选用发光二极管作为光源组件1，光源组件1中发光二极管发出的光为部分相干光，可以有效的抑制相干散斑噪声和干扰。光源组件1中的LED光源发出的部分相干光通过通光孔组件2中的通光孔后发散成一束球面波，发散形成的球面波经过合适传播距离传播到样品面。该装置利用穿过样品的支透光作为参考光，无需另外引入参考光。样品与图像采集组件中电荷耦合元件(cmos)的距离非常近，距离在几毫米左右，部分相干光照射在样品上形成的的全息图样由图像采集组件5采集，最后将采集到的全息图像由图像处理组件6进行处理。
粒径不同的微塑料形成的全息图像不同，通过数值重建后的三维真实形貌也具有较大差异，因而可通过对全息图的三维轮廓链码与中心亮斑周长比值对微塑料进行检测与区分。
具体的，如图4所示，分别为直径为8um微塑料、10um微塑料与15um的微塑料的全息图，其三维轮廓链码总长与中央亮斑周长的比值依次为2.176、5.245、11.842。不同直径的微塑料的比值所在区间不同，因而可通过全息图的三维轮廓链码与中心亮斑周长比值对微塑料进行检测与区分。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的光源组件(1)、通光孔组件(2)、光传播组件(3)、微流控芯片(4)、图像采集组件(5)、图像处理组件(6)；
所述图像采集组件(5)采集微流控芯片(4)检测通道在光束作用下生成的全息图像，所述全息图像被送至与所述图像采集组件(5)相连接的图像处理组件(6)进行图像分析，得到微塑料形成的全息图像中心亮斑周长的比值。
2.根据权利要求1所述的基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置，其特征在于，所述光源组件(1)包括电源供电器件、光源固定结构以及与所述通光孔组件(2)紧密贴合的发光二极管，所述发光二极管发出的光束经所述通光孔组件(2)变成球面波，并经过所述光传播组件(3)照射所述微流控芯片(4)，由图像采集组件(5)采集成像，得到微塑料的全息图像。
3.根据权利要求1或2所述的基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置，其特征在于，所述微流控芯片(4)包括聚二甲基硅氧烷片(7)和载玻片(8)，所述聚二甲基硅氧烷片(7)依次凹刻有检测区域(11)，所述检测区域两端对称连接第一聚焦通道(10)和第二聚焦通道(12)，所述第一聚焦通道(10)的另一端宽度渐增直至等宽连接于第一通道(9)，所述第一通道另一端设有进液孔(14)，所述第二聚焦通道以相同方式连接第二通道(13)且第二通道(13)末端设有废液孔(15)。
4.根据权利要求1或2所述的基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置，其特征在于，所述图像处理组件(6)还对微塑料样品进行三维恢复。
5.根据权利要求1所述的基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测装置，其特征在于，所述通光孔组件为不锈钢片中心微米小孔器件，将部分相干光发散成球面波。
6.基于三维轮廓链码与亮斑周长比值的微塑料检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将图像采集组件(5)采集微流控芯片(4)检测区域在光束作用下生成的全息图样，送至图像处理组件(6)中对其进行角谱数值重建并利用单波长迭代算法消除共轭双像得到微塑料的复振幅；
步骤S2：利用反正切函数和相位解包裹算法获取微塑料的真实相位分布；
步骤S3：根据相位和光程的关系获取物体表面的高度信息，将每点的高度信息整合得到微塑料的三维真实形貌。
步骤S4：利用三维真实形貌获取微塑料最大直径所对应的三维轮廓，计算相邻像元间在该三维轮廓处连接线段的斜率；
步骤S5：每段线段有八种可能的方向0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，按次序对应数码0、1、2、3、4、5、6、7，将链码定义为ci,ci∈{0，d，2d，3d，4d，5d，6d，7d}，其中d为像元尺寸大小；
步骤S6：将所述三维轮廓中心的斜率线段转换为8-链码串，通过计算斜率链码串的总和与所采集微塑料全息图中心亮斑周长的比值对微塑料进行检测与区分。
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