CN110631501B - 一种定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置及方法，装置，包括：平行激光束源，用于提供平行激光束；第一分束镜，位于平行激光束的光路上，用于将平行激光分为第一束平行激光和第二束平行激光；第一反射镜，位于第一束平行激光光路上，用于改变第一束平行激光的光路；第二反射镜，位于第二束平行激光光路上，用于改变第二束平行激光的光路；第一凸透镜和第二凸透镜，依次于所述第二束平行激光与待测外壳之间的光路上，两凸透镜的焦点重合；第二分束镜，设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间，且位于两凸透镜重合的焦点处；第一反射镜的反射光路经过所述第二分光镜；以及图像接收装置，位于第二分束镜的分束光路上。

Description

一种定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋观测领域，具体为利用反射式数字全息技术，跟踪观测海洋钙化生物外壳在生长过程中的微形变的一种装置及方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着全球碳排放的增加，导致的海洋酸化问题也越来越严重。所谓海洋酸化，是指由于海洋吸收大气中的CO₂，造成海水酸度增加(即pH值降低)和碳酸盐平衡体系变化的现象。许多海洋中的动植物(如贝类、珊瑚类、珊瑚藻类、颗石藻类、有孔虫类等)骨骼或外壳都由CaCO₃构成，其钙化作用依赖于海水碳酸盐系统的稳定性。pH值和CaCO₃饱和度下降，将影响它们的钙化“骨骼”或结构。

目前，用于研究海洋钙化生物外壳的方法主要有以下几种：

1.碱度异常法

碱度异常技术(Alkalinity anomaly technique)广泛应用在国内外对海洋生物钙化率的测定研究中，这种技术通过检测封闭水环境中总碱度(TA)的变化来估算钙化速率。原理如下：海洋钙化生物的钙化反应式为：Ca²⁺+2HCO₃ ^-＝CaCO₃+H₂O+CO₂。每生成1mol的CaCO₃，会消耗2mol的HCO₃ ^-，TA就会降低2mol。但是，钙化生物呼吸释放的CO₂在水体中还要发生反应：CO₂+CO₃ ^2-+H₂0＝2HCO₃ ^-。消耗1mol的CO₃ ^2-，生成2mol的HCO₃ ^-，因而不会改变水体的TA。因此，钙化生物的钙化速率G(μmol/(FWg.h))可以用公式(1)表示：

其中，G代表钙化率(μmol/(FWg.h))；TA_i和TA_f分别表示测定前后海水的TA(μmol/L)；V、W和t分别表示封闭体积的大小(L)、试验用钙化生物的鲜重(FWg)和测定的时间(h)。

可见，碱度异常法只能在实验室的封闭水体中实现，而且测量过程复杂，无法应用于开阔海域。

2.平均值计算法

CaCO₃外壳的厚度还能够通过公式(2)计算出来：

这种方法计算法误差大，只能得到平均厚度，无法反映局部的外壳形貌变化，而且忽略了孔隙度的变化。

3.矿物晶体学方法

X射线衍射法、核磁共振波谱法等方法可以从矿物晶体学的角度分析不同种类、不同地区的钙化生物碳酸钙外壳的晶体结构及矿物成分。这类方法预处理过程较复杂，而且对生物体具有破坏性，无法长时序跟踪观测。

4.同位素分析法

同位素分析法也可应用于贝类壳体的分析，将壳体清洗切片后磨成粉末，进行氧、碳等同位素分析，来反演自身生理趋势和海洋环境变化。但这种方法同样无法体现局部差异且具有破坏性。

发明人发现，迄今为止还没有一种方法能够从贝壳微尺度形貌学上描述钙化生物的成壳和溶解特性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置及方法。该方法是能够对贝壳表面的微形变进行长时序非入侵观测的高精度、高灵敏度方法，进而可以通过贝壳表面的形变反演出壳体生长或溶解的速率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，包括：

平行激光束源，用于提供相干光源；

第一分束镜，位于平行激光束的光路上，用于将平行激光束分为第一束平行激光和第二束平行激光；

第一反射镜，位于第一束平行激光的光路上，用于改变第一束平行激光的光路；

第二反射镜，位于第二束平行激光的光路上，用于改变第二束平行激光的光路；

第一凸透镜和第二凸透镜，依次于所述第二束平行激光物光与待测外壳之间的光路上，两凸透镜的焦点重合；

第二分束镜，设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间，且位于两凸透镜重合的焦点处；第一反射镜的反射光路经过所述第二分束镜；

图像接收装置，位于第一束平行激光经过第二分束镜后的光路上；

图像存储装置，用于存储接收到的全息图像；

供电装置，位于水密舱体内，用于为激光器和图像存储装置供电；

触发控制模块，用于控制激光器和图像存储装置的工作；

平行激光束可以用于全息成像。

第二束平行激光经反射后照射在待测海洋钙化生物外壳上，钙化生物外壳放置于凸透镜的单倍焦距范围内，钙化生物外壳的散射光经过凸透镜聚焦到第二分束镜上，该部分光为物光；第一束平行激光束经反射照射在第二分光束镜上，该部分光为参考光，参考光与物光在第二分光束镜上相遇并发生干涉，干涉条纹即为全息图像。该干涉条纹被第二分束镜投射到图像接收装置上，进行拍摄，并存储在图像存储装置中，最后通过计算机模拟进行数字再现。

全息图像上包含了待测钙化生物外壳的振幅和相位信息，样品的表面高度是由相位变化表征的，如公式(3)所示。

其中，

为相位差的弧度值，λ为激光波长，Δh为样品表面高度变化量。

虽然CCD或CMOS相机获得的仍然是和普通照片一样的二维图像，但是却能够通过衍射计算获得目标物的三维物光波前。在钙化生物外壳变化过程中分别记录下两幅全息图，利用它们重建出变化前后的物光波场，计算出它们之间的相位差

便可获得物体的形变信息Δh。对目标物成像的过程也就是进行平面采样的过程，钙化生物外壳的生长或溶解有局部差异，相应的，不同采样点所计算出的Δh也不尽相同，因此该方法对于钙化生物外壳的微尺度形貌变化及局部差异更加敏感。

在一些实施例中，所述第一分束镜与第一反射镜之间的光路上设置有衰减片。

由于经钙化生物外壳散射的物光相比于入射光会损失大量能量，因此第一束平行激光经反射的参考光的光强远高于物光，影响干涉条纹的观察和记录。所以，在第一束平行激光的光路上设置衰减片，降低参考光的光强，以平衡参考光与物光，以得到较好的干涉条纹。

进一步的，所述衰减片的透过率为10％-95％，根据样品反射特性进行调节。

在一些实施例中，所述平行激光束源包括依次设置的激光器、第三凸透镜、针孔和平凸透镜，针孔位于第三凸透镜和平凸透镜的重合的焦点上。

第三凸透镜和针孔组成空间滤波器，可以去除激光中的频谱噪声和杂散光，生成接近理想的标准球面波，然后经过平凸透镜，就可以得到均匀的平行光。可以避免在后续干涉中噪音和杂散光对干涉条纹产生干扰。

进一步的，所述激光器的中心波长包括但不限于520nm。

进一步的，所述针孔的孔径为5-100μm，进一步为15μm。

进一步的，所述图像接收装置为CCD相机或CMOS相机。

进一步的，所述图像存储装置位于第二束平行激光的反射光路上。

在一些实施例中，所述定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置还包括水密舱体，激光器、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一凸透镜、第二分束镜、图像接收装置、图像存储装置、供电装置和触发控制模块均安装在水密舱体内部，第二凸透镜安装在水密舱体的体壁上。

进一步的，所述水密舱体的体壁上还安装有第一接口和第二接口，第一接口通过电线与供电装置连接，第二接口通过电线与触发控制模块和图像存储装置连接。其中，触发控制模块由单片机和触发线组成，单片机和激光器、数字相机之间由触发线连接，通过第二接口预先加载编写好的程序到单片机，使单片机输出TTL高低电平来控制激光器和数字相机的工作，TTL高电平为工作，低电平为不工作。另外，图像存储模块同样与第二接口连接，实现数据的传输。

水密舱体为圆柱形、棱柱形或长方体结构。

一种定量测量海洋钙化生物外壳微形变的方法，包括如下步骤：

由于两束光发生干涉必须具有相同的频率、振动方向和恒定的相位差，因此，为保证物光和参考光的相干性，必须由同一束平行激光束通过第一分束镜分成第一束平行激光和第二束平行激光；

第二束平行激光经反射后照射在待测生物外壳上，生物外壳的散射光经过凸透镜聚焦到第二分束镜上；

第一束平行激光束经反射后照射在第二分光束镜上；

两束光在第二分光束镜上相遇并发生干涉，产生的干涉条纹被第二分光束镜透射到图像接收装置上，生成全息图像，并被储存于图像存储装置。

在一些实施例中，通过触发控制模块可以设定激光器和图像接收装置的工作状态，每隔设定时间拍摄全息图，或连续拍摄全息图。

待测生物包括但不限于贝类、珊瑚类、珊瑚藻类、颗石藻类或有孔虫类。

本发明的有益效果为：

(1)操作简单，可实现快速原位跟踪观测，获得样品的动态变化。

(2)非接触式测量，无需额外添加化学试剂，不会对目标物产生破坏，填补了通过光学手段测量钙化速率的技术空白。

(3)全息图像同时包含了物体的振幅和相位信息，根据相位差计算出来的三微形貌变化更加准确，分辨率更高，因此对于生物外壳的微尺度形貌变化更加敏感。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的定量测量海洋钙化生物外壳微形变装置的内部结构示意图。

其中，1.激光器，2.第三凸透镜，3.针孔，4.平凸透镜，5.第一分束镜，6.衰减片，7.第一反射镜，8.第二分束镜，9.碳酸钙外壳，10.第一凸透镜，11.数字相机，12.第二凸透镜，13.第二反光镜，14.锂电池，15.触发控制模块，16.图像存储模块。

图2为本发明的外部水密舱体结构示意图。

其中，17.第一接口，18.第二接口，19.水密舱体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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。

如图1所示，定量测量海洋钙化生物碳酸钙外壳微形变装置的内部结构包括：一台中心波长520nm的激光器1、三个凸透镜、一个孔径15μm的针孔3、一个平凸透镜4、两个分束镜、两个反射镜、一个衰减片6、一台CCD或CMOS相机11以及锂电池、触发控制模块和数据存储模块。激光器1、第三凸透镜2、针孔3和平凸透镜4按照一字型设置，针孔3位于第三凸透镜2和平凸透镜4的重合的焦点上，用于产生平行激光束。

第一分束镜7，位于平行激光束的光路上，用于将平行激光束分为第一束平行激光和第二束平行激光；

第一反射镜7，位于第一束平行激光光路上，用于改变第一束平行激光的光路，第一分束镜5与第一反射镜7之间的光路上设置有衰减片6，衰减片6的透过率为10％-95％，根据样品反射特性进行调节；

第二反射镜13，位于第二束平行激光光路上，用于改变第二束平行激光的光路；

第一凸透镜10和第二凸透镜12，依次于所述第二束平行激光与待测外壳之间的光路上，两凸透镜的焦点重合，第一凸透镜10靠近待测生物外壳设置，且生物外壳位于第一凸透镜10的单倍焦距范围内，可根据样品位置调节观测范围；

第二分束镜8，设置于第一凸透镜10和第二凸透镜12之间，且位于两凸透镜重合的焦点处；第一反射镜7的反射光路经过所述第二分束镜；

图像接收装置11位于第二分束镜的分束光路上；

图像存储装置16，用于存储接收到的全息图像；

供电装置14，用于为激光器和图像存储装置供电；

触发控制模块15，用于控制激光器和图像存储装置的工作；

如图2所示，定量测量海洋钙化生物碳酸钙外壳微形变装置的外部结构包括：

上述器件除凸透镜10外，都密封在水密舱体19中，凸透镜10镶嵌于舱体壁上，作为窗口片实现内部激光的出射和物光的反射，舱体另一端还分别有1个第一接口17以及1个第二接口18。第一接口17与锂电池相连，用于充电；第二接口18与触发控制模块和图像存储装置相连，其中，触发控制模块由单片机和触发线组成，单片机和激光器、数字相机之间由触发线连接，通过第二接口预先加载编写好的程序到单片机，使单片机输出TTL高低电平来控制激光器和数字相机的工作，TTL高电平为工作，低电平为不工作。另外，图像存储模块同样与第二接口连接，实现数据的传输。

待测样品可以是双壳类、珊瑚、翼足类、颗石藻、有孔虫等钙化生物的碳酸钙外壳。测量时，将光路系统调整至待测样品位于凸透镜单倍焦距范围内，打开激光光源，根据相机的成像质量调整激光功率及滤光片的规格，使之得到干涉条纹明显的全息图。由于钙化生物生长速率差异，可根据需要每隔一段时间拍摄或者连续拍摄全息图，既保证记录完整性，又避免数据冗余。将这些全息图存储在计算机中进行波前再现、相位畸变校正后可获得被测样品的三维形貌特征，通过长时序跟踪观测，可以获得被测样品的微尺度形貌变化。

全息图像上包含了待测样品的振幅和相位信息，根据以下公式可以计算出样品的三维形貌变化，分辨率更高，因此对于钙化生物外壳的微尺度形貌变化及局部差异更加敏感。

其中，

为相位差的弧度值，λ为激光波长，Δh为样品表面高度变化量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，其特征在于：包括：

平行激光束源，用于提供平行激光束；

第一分束镜，位于平行激光束的光路上，用于将平行激光束分为第一束平行激光和第二束平行激光；

第一反射镜，位于第一束平行激光光路上，用于改变第一束平行激光的光路；

第二反射镜，位于第二束平行激光光路上，用于改变第二束平行激光的光路；

第一凸透镜和第二凸透镜，依次位于所述第二束平行激光与待测外壳之间的光路上，两凸透镜的焦点重合；

第二分束镜，设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间，且位于两凸透镜重合的焦点处；第一反射镜的反射光路经过所述第二分束镜；

图像接收装置位于第二分束镜的分束光路上；

图像存储装置，用于存储接收到的全息图像；

供电装置，用于为激光器和图像存储装置供电；

触发控制模块，用于控制激光器和图像存储装置的工作；

所述第一分束镜与第一反射镜之间的光路上设置有衰减片；

所述平行激光束源包括依次设置的激光器、第三凸透镜、针孔和平凸透镜，针孔位于第三凸透镜和平凸透镜的重合的焦点上。

2.根据权利要求1所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，其特征在于：所述衰减片的透过率为10％-95％。

3.根据权利要求1所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，其特征在于：所述激光器的中心波长包括但不限于520nm。

4.根据权利要求1所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，其特征在于：所述针孔的孔径为包括但不限于5-100μm。

5.根据权利要求1所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，其特征在于：所述图像存储装置为CCD相机或CMOS相机。

6.根据权利要求1所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，其特征在于：所述图像存储装置位于第二束平行激光的反射光路上。

7.根据权利要求1所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，其特征在于：所述定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置还包括水密舱体，激光器、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一凸透镜、第二分束镜、图像接收装置、图像存储装置、供电装置和触发控制模块均安装在水密舱体内部，第二凸透镜安装在水密舱体的体壁上。

8.根据权利要求7所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，其特征在于：所述水密舱体的体壁上还安装有第一接口和第二接口，第一接口通过电线与供电装置连接，第二接口通过电线与触发控制模块和图像存储装置连接。

9.一种定量测量海洋钙化生物外壳微形变的方法，其特征在于：提供权利要求1-8任一所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的装置，包括如下步骤：

平行激光束通过第一分束镜分成第一束平行激光和第二束平行激光；

第二束平行激光经反射后照射在待测生物外壳上，生物外壳的散射光经过凸透镜聚焦到第二分束镜上；

第一束平行激光束经反射后照射在第二分光束镜上；

两束光在第二分光束镜上相遇并发生干涉，产生的干涉条纹被第二分光束镜透射到图像存储装置上，拍摄、记录。

10.根据权利要求9所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的方法，其特征在于：根据钙化生物生长速率调节拍摄全息图的时间间隔。

11.根据权利要求9所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的方法，其特征在于：待测生物为海洋钙化生物，包括但不限于贝类、珊瑚类、珊瑚藻类、颗石藻类或有孔虫类。

12.根据权利要求9所述的定量测量海洋钙化生物外壳微形变的方法，其特征在于：海洋钙化生物外壳微形变的计算公式为：

其中，

为相位差的弧度值，λ为激光波长，Δh为样品表面高度变化量。

Images