CN113208562A - 一种基于光检测技术的皮肤含水量检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光检测技术的皮肤含水量检测系统及方法，所述装置包括照明模块、照明端偏振调制模块、检测端偏振调制模块、检测模块；所述照明模块包括光源和准直透镜；所述照明端偏振调制模块包括固定的偏振片；所述检测端偏振调制模块包括固定的偏振片；所述检测模块包括成像透镜和相机；所述照明端偏振调制模块与检测端偏振调制模块成一定的夹角，以避免检测端接受到皮肤表面的镜面反射光。本发明可以更准确的提取出样品的含水量信息，并可以兼容到近红外皮肤含水量检测系统中。

Description

一种基于光检测技术的皮肤含水量检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光检测技术领域，特别涉及一种基于光检测技术的皮肤含水量检测系统及方法。

背景技术

皮肤在许多生理过程中起着至关重要的作用，因为它的持水能力和脂质含量在控制经皮失水水平方面起着重要的作用。含水量是影响皮肤生理功能的重要因素之一，监测皮肤含水量有助于了解皮肤的生理状态，评价皮肤的健康状态，对于保护皮肤有着重要意义。

目前最流行的测量皮肤含水量的技术是基于皮肤电生理特性而开发的，通过测量皮肤的电阻抗、电导或电容等参数来间接的反应含水量，这类方法不能测量皮肤的绝对含水量。公开号为CN103251406A的发明专利，公开了一种检测皮肤含水量的方法、装置及移动终端，该方法是基于电容测量技术对皮肤含水量进行测定，电容测量可对皮肤角质层的水分含量进行定量化，且重现性好，这类方法最主要的优点就是价格不高，目前大多数民用皮肤含水量测试仪器常使用这类方法。但基于皮肤电生理特性的皮肤含水量测定技术也存在一些问题，皮肤含水量检测系统必须接触皮肤，由于与皮肤接触的电极通常是刚性的，它们与皮肤接触的区域取决于施加的压力，且电导测量也会受到皮肤表面微地形变化的影响，因此，这类方法的测量结果不稳定，测量结果可能会受到个人使用习惯的显著影响。

目前，与本申请技术方案相近的已有技术有公开号为CN109222913A的发明专利，公开了一种利用红外光谱测量皮肤含水量的装置及方法，该方法属于红外光谱测量技术领域，是一种快速、非接触式和非侵入性技术，该方法基于角质层水分能吸收红外线的原理，通过红外线的吸收光谱进行皮肤含水量的测定，该方法可以解决电学法测量皮肤含水量易受外界干扰的问题，但缺点在于其价格昂贵。

发明内容

本发明提供了一种基于偏振光检测技术的皮肤含水量检测系统及方法，能够准确的测量皮肤含水量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于偏振光检测技术的皮肤含水量检测系统，系统包括照明模块，照明端偏振调制模块，检测端偏振调制模块，检测模块。偏振光检测技术是一种快速、非接触式和非侵入技术，可用于测量皮肤的含水量。所述照明模块包括光源和准直透镜，用于产生近红外波段的照射光；所述照明端偏振调制模块包括固定的偏振片和可旋转的四分之一波片，用于调制准直照射光的偏振态；所述检测端偏振调制模块包括固定的偏振片和可旋转的四分之一波片，用于调制皮肤表面散射光的偏振态；所述检测模块包括成像透镜和相机，用于收集皮肤表面散射信号并形成图像数据。

本发明还涉及一种基于偏振光检测技术的皮肤含水量检测系统及方法，可以准确测量皮肤的含水量。

进一步地：

所述照明模块包括光源和准直透镜，用于产生特定波长的照射光，所述光源可以选择不同波段光源，如可见光，近红外及远红外等，由于皮肤中的水分在近红外波段具有强烈的吸收作用，因此光源使用近红外光源；

所述照明端偏振调制模块，包括固定的偏振片和可旋转的四分之一波片，用于调制准直照射光的偏振态，其中可旋转四分之一波片可由精密旋转电机控制，也可选择电控液晶波片；

所述检测端偏振调制模块，包括固定的偏振片和可旋转的四分之一波片，用于调制皮肤表面散射光的偏振态，其中可旋转四分之一波片可由精密旋转电机控制，也可选择电控液晶波片；

所述检测模块，包括成像透镜和相机，用于收集皮肤表面散射信号并形成图像数据，并通过数据分析模块计算出皮肤表面的含水量；

所述照明模块和照明端偏振调制模块沿着照射光的传播方向光轴重合，所述检测端偏振调制模块及检测模块光轴重合；

所述照明端偏振调制模块偏振片的透振方向与其光轴所构成的平面与所述检测端偏振调制模块偏振片的透振方向与其光轴所构成的平面共面；

为保证检测模块收集到的信号为样品散射信号而非样品镜面反射信号，所述照明端偏振调制模块与检测端偏振调制模块成一定的夹角，避免接受到皮肤表面的镜面反射光，通过实验发现，该角度超过20°后，检测模块所探测到的信号将会显著减弱，因此，夹角角度应设置在20°以内；

在探测过程中，本发明提供两种方案，具体介绍如下；

所述方案一具体如下，调节照明端偏振调制模块和检测端偏振调制模块，由于穆勒矩阵包含16个元素，因此需要至少测量16次偏振光强信号，对偏振光强信号进行计算，获得穆勒矩阵，其包含了样品的全部偏振信息。

所述方案二具体如下，所述方案二在测量过程中需要将照明端偏振调制模块的四分之一波片与检测端偏振调制模块的四分之一波片拆卸下来，仅保留两个模块的偏振片。方案二一共采集了两次信号，具体操作如下，假设照明端偏振调制模块的偏振片透振角度固定为α_p1，则两次测量过程中，需要分别将检测端偏振调制模块的偏振片透振角度调节为α_p1及α_p1+90°，两次测量过程中，检测端偏振调制模块的偏振片角度分别与照明端偏振调制模块的偏振片角度相差0°和90°，因此分别将两次测得的光强信号记作I₀和I₉₀，通过计算可以获得偏振度参数，该参数可用于表示皮肤含水量。

在方案二中，照明端偏振调制模块和检测端偏振调制模块的偏振态均可由方案一实现，通过调节方案一中照明端偏振调制模块的四分之一波片角度，使四分之一波片的快轴或慢轴方向和偏振片的透振方向重合即可固定照明端偏振调制模块的偏振态，并通过调节方案一中检测端偏振调制模块的四分之一波片和偏振片的角度即可调节检测端偏振调制模块的偏振态，因此，方案二实际上隶属于方案一，方案二仅测量了部分的偏振信息，但提高了测量的速度，去掉了两个四分之一波片，降低了成本。

对焦样品时需满足高斯成像公式1/f＝(1/u)+(1/v)，其中f为焦距，u为物距，v为像距，为保证图像数据和样品大小相等，每次测量时接受到的信号传输距离相等，样品应置于二倍焦距处；

测量过程中，当皮肤含水量发生变化时，将会导致皮肤组织微观结构的折射率发生变化，通过一种基于偏振光检测技术的皮肤含水量检测系统可以检测到折射率的变化过程；

按照本发明的另一方面，提供了一种基于偏振光检测技术的皮肤含水量检测方法，包括以下步骤：

光源发出的光首先经由准直透镜准直，然后通过照明端偏振调制模块调制成不同的偏振态，不同偏振态的光照射到样品表面并发生散射，样品会改变入射光的偏振态，散射的光经由检测端偏振调制模块后由成像透镜成像到相机的感光芯片上，原始偏振光强信号被相机记录下来并记作I，根据方案一，对偏振原始图像数据进行计算得到被测样品的穆勒矩阵，从穆勒矩阵中可以提取出散射退偏矩阵和偏振度参数，二者都可以表示皮肤含水量，另外偏振度参数也可通过方案二所述方法测量，其中，要获取散射退偏矩阵M_Δ需要进行至少16次测量，而获取偏振度参数进行2次测量即可。

在现有技术中获得穆勒矩阵的方法有诸多选择，本发明将提供一种基础的但非限制性的方法。

偏振测量是基于光强测量的，不管是测量斯托克斯矢量还是测量穆勒矩阵，都需要若干次光强测量，而穆勒矩阵测量是一种基于斯托克斯矢量测量的更为复杂的偏振测量，下面我们将分别简单介绍斯托克斯矢量测量和穆勒矩阵测量的过程。

首先介绍斯托克斯矢量的测量，斯托克斯矢量可以描述任意的偏振态，能够测量斯托克斯矢量就意味着能够测量任意的偏振态，测量斯托克斯矢量的仪器也可称为检偏器，即本发明中所述的检测端偏振调制模块，由于斯托克斯矢量包含4个元素，因此，检偏器至少需要测量4次独立的完全偏振态，才能计算出其他任意的偏振态。对于某种未知的偏振态S，至少需要测量4次光强，才能计算求解S，I为探测到的光强信号，A为检测端偏振调制模块的调制矩阵，4次测量构成一个线性方程组I＝A·S，通过计算即可求解S。

所述穆勒矩阵的测量过程如下，要测量一个样品的穆勒矩阵，不仅需要检测端偏振调制模块，还需要照明端偏振调制模块，检测端偏振调制模块至少需要检测4次独立的完全偏振态，照明端偏振调制模块至少需要调制4种独立的完全偏振态，因此至少需要测量16次光强信号，才能得到穆勒矩阵的16个元素。由于穆勒矩阵包含16个元素，为了测量得到样品的穆勒矩阵，探测器至少需要进行16次光强测量。样品的穆勒矩阵计算方式如下：G为照明端偏振调制模块的调制矩阵，A为检测端偏振调制模块的调制矩阵，待测样品的穆勒矩阵记为M，I为检测模块采集到的原始光强信号，M可以由下式计算得出：

I＝A·M·G.

M＝(inv(A)·A)·M·(G·inv(G))＝inv(A)·(A·M·G)·inv(G)

＝inv(A)·I·inv(G).

进一步的，为获取样品的穆勒矩阵，对偏振光强图I进行计算得到样品的穆勒矩阵；

联立上式即可求得样品的穆勒矩阵，穆勒矩阵中包含了16个阵元，其中m₀₀为普通光强成像的结果，其余15个阵元包含了样品的全部偏振信息，通过计算可从穆勒矩阵中提取出反映皮肤含水量的信息；

进一步的，对穆勒矩阵的信息进行提取，通过与现有穆勒矩阵导出参数，建立穆勒矩阵与皮肤含水量的数据模型。

所述穆勒矩阵可以按照样品的物理性质分解为二向色性M_D、相位延迟M_R和退偏M_Δ三个参数，具体分解方式如下：

首先我们用穆勒矩阵阵元m₀₀进行归一化；

定义二向色性、相位延迟和散射退偏的矩阵形式如下所示：

然后依次求解二向色性M_D、相位延迟M_R以及退偏M_Δ；

原始的归一化穆勒矩阵的第一行表示二向色性，根据m₀₀、m₀₁、m₀₂和m₀₃可以计算得到二向色性矢量

和标量D，并根据二向色性矢量和二向色性标量计算出二向色性矩阵M_D；

然后，将M_D代入原始穆勒矩阵进行反解，得到：

通过运算可以得到散射退偏矩阵M_Δ：

上式中，λ₁、λ₂和λ₃是矩阵m'(m')^T的本征值，而正负号取决于行列式|m'|的符号；

退偏矩阵M_Δ的迹Δ与退偏性质相关，值为0的时候为退偏，值为1的时候为完全退偏，定义为：

然后将M_D和M_Δ代入到原始穆勒矩阵中进行反解，得到相位延迟矩阵M_R，从而获得总相位延迟R和快轴方向α，定义式分别为：

其中，所述退偏矩阵M_Δ的迹Δ可以用于表示皮肤含水量；

另外，根据穆勒矩阵的对角线元素m₀₀、m₁₁、m₂₂和m₃₃可定义偏振度参数Pd，与退偏矩阵M_Δ的迹Δ相比，偏振度参数Pd的定义更为简单，但也可用于表示皮肤含水量，定义式如下：

所述偏振度参数Pd也可按照方案二方法获得，所述方案二在测量过程中需要将照明端偏振调制模块的四分之一波片与检测端偏振调制模块的四分之一波片拆卸下来，仅保留两个模块的偏振片。方案二一共采集了两次信号，具体操作如下，假设照明端偏振调制模块的偏振片透振角度固定为α_p1，则两次测量过程中，需要分别将检测端偏振调制模块的偏振片透振角度调节为α_p1及α_p1+90°，两次测量过程中，检测端偏振调制模块的偏振片角度分别与照明端偏振调制模块的偏振片角度相差0°和90°，因此分别将两次测得的光强信号记作I₀和I₉₀，通过计算可以获得偏振度参数，该参数可用于表示皮肤含水量，方案一和方案二均可获得偏振度参数Pd，计算公式如下：

进一步的，所述建立穆勒矩阵与皮肤含水量的数据模型包括以下步骤：

检测皮肤的穆勒矩阵并计算导出参数，所述皮肤含水量需是已知的，所述皮肤样品可选择人体皮肤样品仿体或动物皮肤样品。

所述皮肤含水量通过精密天平称重的方式计算得到，皮肤含水量计算方式如下：

将若干块皮肤样品固定在标准载玻片上，称量样品初始重量，并测量样品的穆勒矩阵；

随后间隔相等时间，称量样品重量并测量样品的穆勒矩阵，直至样品风干，含水量为0，记录样品干重为M_dry，每个时间段样品的湿重为M_wet，样品含水量计算方式如下；

进一步的，计算皮肤的穆勒矩阵导出参数，得到量化数据；

记录所述皮肤的含水量，记录皮肤含水量对应的穆勒矩阵量化数据；

统计皮肤含水量与其对应穆勒矩阵数据组成的样本数据；

根据所述样本数据，建立皮肤含水量与穆勒矩阵数据的数据模型，数据模型表示穆勒矩阵与皮肤含水量的对应关系。

本发明的有益效果：

本发明具有以下优点：(1)可获得丰富的皮肤样品信息，穆勒矩阵包含16个阵元，实现对样品偏振性质的全面表征，其中不仅包含了普通光强图，也包含了样品所有的偏振信息，因此可以更准确的提取出样品的含水量信息。(2)硬件兼容性高，使用的偏振元件较少，在现有的近红外系统中增设照明端偏振调制模块和检测端偏振调制模块，即分别在近红外皮肤含水量检测系统中的照明端和检测端增加偏振片和四分之一波片，就可以将偏振检测技术兼容到近红外皮肤含水量检测系统中，从而提高获取的信息。

附图说明

图1是本发明具体实施例的基于偏振光检测技术的皮肤含水量检测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的皮肤含水量检测系统的光路原理图；

图3A是本发明实施例的皮肤含水量检测方法初始校准过程的流程图；

图3B是本发明实施例的皮肤含水量检测方法的流程图；

图4是本发明实施例二的皮肤含水量检测系统的光路原理图；

图5是发明实施例和真实的皮肤含水量进行对比结果图；

图6是发明实施例和市售“Real Bubee”皮肤水分测试仪的测量结果对比图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

偏振光检测技术是一种新型的成像技术，它可以兼容大多数检测技术，且成本较低。偏振光检测技术中的穆勒矩阵成像方法可获取16维的信息，16维信息中包含了传统的光强成像信息，此外，相比于普通的光强成像，穆勒矩阵成像可以多获得15维的信息，可以获得更多的微观结构信息；并且偏振光检测技术具有良好的硬件兼容性和较低的成本，近年来已经得到了快速的发展。

皮肤中的水分含量对皮肤组织的折射率有着较大的影响，而偏振光检测技术对亚波长微观结构非常敏感，因此，本发明人推测，在皮肤的含水量发生变化时，偏振光检测技术可以用于探测含水量的变化规律，进而可用于探测皮肤含水量。

本发明下述实施例基于偏振光检测技术，开发了一种皮肤含水量检测系统及方法，可以获取皮肤微观结构的多维度信息，并用于测量皮肤含水量，该系统可兼容现有的基于光学方法测量皮肤含水量的系统，如上述中红外光谱测量皮肤含水量的装置及方法，利于更准确的测得皮肤含水量。

人体皮肤由表皮、真皮和皮下脂肪组成。由多层不同结构构成的人体皮肤组织，其光学性质相当于具有高散射性的混沌介质。入射到皮肤表面的一小部分光束，首先直接被皮肤角质层与外表空气形成的界面反射，为镜面反射光，而绝大部分入射光被皮肤表面折射后依次进入皮肤组织的表皮和真皮，并被皮肤组织散射与吸收，其中一部分光被多次散射后会重新返回皮肤表面而进入空气中，这一部分散射光为漫反射光，它携带了皮肤内部组织结构的信息，本发明探测的信息即为这部分信息，所获取的信息主要为表皮层和真皮层的信息，反应的是皮肤表皮层和真皮层综合的含水量。

图1是本发明具体实施例一的皮肤含水量检测系统的结构示意图，该系统包括：

照明模块100，所述照明模块包括光源101和准直透镜102，用于产生特定波长的照射光；

照明端偏振调制模块200，所述照明端偏振调制模块包括固定的偏振片201和可旋转的四分之一波片202，用于调制准直照射光的偏振态；

检测窗口300，用于放置待测样品，所述检测窗口固定于二倍物距处，保证每次测量时检测模块接受到的信号传输距离相等，成像结果和样品大小等大，避免不同使用者测量时产生误差；

检测端偏振调制模块400，所述检测端偏振调制模块包括固定的偏振片401和可旋转的四分之一波片402，用于调制接受信号的偏振态；

可旋转的四分之一波片202和402可选择真零级四分之一波片，并由精密电机控制，也可使用电控液晶波片；

检测模块500，所述检测模块包括成像透镜502和相机501，用于收集皮肤表面散射信号并形成图像数据，并通过数据分析模块计算出皮肤表面的含水量；

所述照明模块100和照明端偏振调制模块200沿着照射光的传播方向光轴重合，所述检测端偏振调制模块400及检测模块500光轴重合；

所述照明端偏振调制模块200的光轴与其偏振片201的透振方向所构成的平面应当与所述检测端偏振调制模块400的光轴与其偏振片401的透振方向所构成的平面共面。

在图2所示的皮肤含水量检测系统的光路原理图中，为保证检测模块400收集到的信号为样品散射信号而非样品镜面反射信号，所述照明模块100和照明端偏振调制模块200与检测端偏振调制模块300和检测模块400成一定的夹角，且该角度不宜过大，通过实验发现，角度超过20°后，检测模块400所探测到的散射信号将会显著减弱，因此夹角角度θ应设置在20°以内，θ≦20°。

光源101发出的光首先经由准直透镜102准直，然后通过照明端偏振调制模块200调制成不同的偏振态，不同偏振态的光照射到样品表面并发生散射，样品会改变入射光的偏振态，散射的光经由检测端偏振调制模块300后由成像透镜402成像到相机401的感光芯片上，原始光强信号被相机记录下来并记作I，通过数据分析模块计算样品的穆勒矩阵。

图3A是本发明具体实施例的皮肤含水量检测方法初始校准的示意图，所述方法包括以下步骤：

光源101发出的光经过准直透镜102准直，所述光源可以选择不同波段的光；准直光束经由照明端偏振调制模块200调制成不同偏振态的准直光束，其中，所述可旋转的四分之一波片202由精密旋转电机控制，并通过上位机程序控制精密旋转电机；

进一步的，不同偏振态的准直光束照射到样品表面上并发生散射，样品会改变入射光的偏振态，经样品散射后的信号由检测端偏振调制模块400收集并检偏，所述可旋转的四分之一波片402由精密旋转电机控制，并通过上位机程序控制精密旋转电机，由相机501采集样品散射信号；

由于穆勒矩阵包含16个元素，因此需要至少测量16次偏振光强信号，对偏振光强信号进行计算，获得穆勒矩阵，其包含了样品的全部偏振信息，提取穆勒矩阵中的二向色性M_D、相位延迟M_R、退偏M_Δ和偏振度参数Pd，其中退偏M_Δ和偏振度Pd可以表示皮肤含水量；

进一步的，样品的穆勒矩阵计算方式如下：G为照明端偏振调制模块的调制矩阵，A为检测端偏振调制模块的调制矩阵，待测样品的穆勒矩阵记为M，I为检测模块采集到的原始光强信号，M可以由下式计算得出：

I＝A·M·G.

M＝(inv(A)·A)·M·(G·inv(G))＝inv(A)·(A·M·G)·inv(G)

＝inv(A)·I·inv(G).

进一步的，为获取样品的穆勒矩阵，对偏振原始光强图I进行计算得到样品的穆勒矩阵；

进一步的，对穆勒矩阵的信息进行提取，通过与现有穆勒矩阵导出参数，建立穆勒矩阵与皮肤含水量的数据模型。

其中，可反应皮肤含水量的穆勒矩阵导出参数计算方式如下：

M＝M_ΔM_RM_D

其中，Pd表示偏振度，m₀₀、m₁₁、m₂₂和m₃₃分别表示穆勒矩阵的对角线元素，M_Δ表示穆勒矩阵中样品散射退偏的效应，可用于表示皮肤含水量；

所述偏振度参数Pd也可按照方案二方法获得，所述方案二在测量过程中需要将照明端偏振调制模块200的四分之一波片与检测端偏振调制模块400的四分之一波片拆卸下来，仅保留两个模块的偏振片。方案二一共采集了两次信号，具体操作如下，假设照明端偏振调制模块200的偏振片透振角度固定为α_p1，则两次测量过程中，需要分别将检测端偏振调制模块400的偏振片透振角度调节为α_p1及α_p1+90°，两次测量过程中，检测端偏振调制模块400的偏振片角度分别与照明端偏振调制模块200的偏振片角度相差0°和90°，因此分别将两次测得的光强信号记作I₀和I₉₀，通过计算可以获得偏振度参数，该参数可用于表示皮肤含水量，方案一和方案二均可获得偏振度参数Pd，计算公式如下：

进一步的，所述建立穆勒矩阵与皮肤含水量的数据模型包括以下步骤：

检测皮肤的穆勒矩阵并计算导出参数，所述皮肤含水量需是已知的，所述皮肤样品可选择人体皮肤样品仿体或动物皮肤样品。

所述皮肤含水量通过精密天平称重的方式计算得到，皮肤含水量计算方式如下：

将若干块皮肤样品固定在标准载玻片上，称量样品初始重量，并测量样品的穆勒矩阵；

随后间隔相等时间，称量样品重量并测量样品的穆勒矩阵，直至样品风干，含水量为0，记录样品干重为M_dry，每个时间段样品的湿重为M_wet，样品含水量计算方式如下；

进一步的，计算皮肤的穆勒矩阵导出参数，得到量化数据；

记录所述皮肤的含水量，记录皮肤含水量对应的穆勒矩阵量化数据；

统计皮肤含水量与其对应穆勒矩阵数据组成的样本数据；

根据所述样本数据，建立皮肤含水量与穆勒矩阵数据的数据模型，数据模型表示穆勒矩阵与皮肤含水量的对应关系；

穆勒矩阵数据中含水量信息与称重计算得到含水量符合线性回归，上述建立皮肤含水量与穆勒矩阵数据模型使用多元线性回归方法来进行。

上述初始校准过程中，用称重计算得到含水量的过程也可以改用现有的含水量测量工具代替，比如市售的皮肤含水量测量工具。

图3B是本实施例实际检测过程流程图。

为保证不同次测量之间的结果具有可比性，应对仪器进行校准，由于空气的穆勒矩阵具有固定的形式(对角阵元均为1)，因此仪器应以空气作为标准进行校准，即测量一组空气的穆勒矩阵，确保误差在1％以内。在确保仪器的误差在1％以内后，测量结果的差异就只反应为样品之间的差异，即不同样品皮肤含水量的差异。

因此，本实施例测量前，先测量一组空气的穆勒矩阵，确保误差在1％以内。此步骤可称为动态校准(相对于初始校准而言)。

然后，将样品放置于检测窗口待检。注意，此步也可以是把检测窗口放于样品旁，比如：当检测窗口是手机摄像头或手环摄像头时就是如此。

随后测量样品皮肤的穆勒矩阵。

最后根据穆勒矩阵与皮肤含水量的对应关系计算皮肤含水量。

图4是本发明具体实施例二的皮肤含水量检测系统的结构示意图，该系统包括：

照明模块100，所述照明模块包括光源101和准直透镜102，用于产生特定波长的照射光；

照明端偏振调制模块200，所述照明端偏振调制模块由透振方向固定的偏振片构成，用于调制准直照射光的偏振态，偏振片200的透振方向固定为α_p1；

检测窗口300，用于放置待测样品，所述检测窗口固定于二倍物距处，保证每次测量时检测模块接受到的信号传输距离相等，成像结果和样品大小等大，避免不同使用者测量时产生误差；

检测端偏振调制模块400，所述照明端偏振调制模块由透振方向可调的偏振片构成，用于调制接受信号的偏振态，在测量过程中分别将偏振片400调节至α_p1和α_p1+90°，两次测量过程中，检测端偏振调制模块400的偏振片角度分别与照明端偏振调制模块200的偏振片角度相差0°和90°，并分别使用相机501采集信号，将两次测得的光强信号记作I₀和I₉₀，通过计算可以获得偏振度参数，该参数可用于表示皮肤含水量。

检测模块500，所述检测模块包括成像透镜502和相机501，用于收集皮肤表面散射信号并形成图像数据，并通过数据分析模块计算出皮肤表面的含水量；

与本发明具体实施例一相比，实施例二去除了照明端偏振调制模块的四分之一波片与检测端偏振调制模块的四分之一波片，仅保留两个模块的偏振片。

所述照明模块100和照明端偏振调制模块200沿着照射光的传播方向光轴重合，所述检测端偏振调制模块400及检测模块500光轴重合；

所述照明端偏振调制模块200的光轴与其偏振片201的透振方向所构成的平面应当与所述检测端偏振调制模块400的光轴与其偏振片401的透振方向所构成的平面共面。

所述具体实施例二一共采集了两次信号，第一次采集得到的信号为偏振片400调节至0°所得到的，记作I₀，第二次采集得到的信号为偏振片400调节至90°所得到的，记作I₉₀，含水量信息可由下式计算得到：

所述具体实施例二照明端偏振调制模块200和检测端偏振调制模块400调制获得的偏振态均可由具体实施例一实现，属于具体实施例一的一部分；

所述具体实施例二采集的信号包含于具体实施例一所采集的信号，实施例二为实施例一的快速测量版本，可以快速获得和皮肤含水量相关的偏振信息，但相比于具体实施例一获取的信息更少，表征皮肤含水量的信息更少。

为了和真实的皮肤含水量进行对比(通过称重法测含水量所获得的结果最准确)，我们分别使用称重法和本发明中的装置测量了猪腹部取下的10块猪腹部皮肤样品，对比了穆勒矩阵散射退偏参数和称重法测含水量的结果，图5中表示猪腹部皮肤样品在6小时内含水量的变化规律，图中虚线为称重法测含水量的结果(10个样品的均值)，实线为穆勒矩阵退偏参数结果(10个样品的均值)，横轴为时间(h)，纵轴为皮肤含水量。在6小时后，猪腹部皮肤样品已经风干，因此含水量为0，计算了二者的相关系数，结果为0.9937，说明二者具有很强的相关性。

为了和传统的方法进行对比，我们购买了市面上的“Real Bubee”皮肤水分测试仪，该仪器采用传统的生物电阻抗分析技术，测试样品仍为猪腹部皮肤样品，下图显示了猪腹部皮肤样品在15个小时内的皮肤含水量评分结果(10次测量的平均值)，由于穆勒矩阵的散射退偏参数和该仪器的评分结果量纲不同，因此我们使用了zscore标准化方法消除了二者之间的量纲，进行了数据无量纲化。图6中实线部分为穆勒矩阵散射退偏参数，虚线部分为“Real Bubee”皮肤水分测试仪的评分结果，横轴为时间(h)，纵轴为皮肤含水量测量结果无量纲化结果。计算了二者的相关系数，结果为0.9031，说明二者具有很强的相关性。

Claims (10)

1.一种基于光检测技术的皮肤含水量检测系统，其特征在于，包括照明模块、照明端偏振调制模块、检测端偏振调制模块、检测模块；所述照明模块包括光源和准直透镜，用于产生近红外波段的照射光；所述照明端偏振调制模块包括固定的偏振片，用于调制准直照射光的偏振态；所述检测端偏振调制模块包括固定的偏振片，用于调制皮肤表面散射光的偏振态；所述检测模块包括成像透镜和相机，用于收集皮肤表面散射信号并形成图像数据；所述照明端偏振调制模块与检测端偏振调制模块成一定的夹角，以避免检测端接受到皮肤表面的镜面反射光。

2.如权利要求1所述的基于光检测技术的皮肤含水量检测系统，其特征在于，所述光源可以选择不同波段光源，包括可见光、近红外及远红外；所述照明端偏振调制模块中还包括可旋转四分之一波片，所述可旋转四分之一波片由精密旋转电机控制，或可旋转四分之一波片为电控液晶波片；所述检测端偏振调制模块中还包括可旋转的四分之一波片，所述可旋转四分之一波片由精密旋转电机控制，或可旋转的四分之一波片为电控液晶波片；所述检测模块还包括数据分析模块，通过数据分析模块计算出皮肤表面的含水量。

3.如权利要求1所述的基于光检测技术的皮肤含水量检测系统，其特征在于，所述照明模块和照明端偏振调制模块沿着照射光的传播方向光轴重合，所述检测端偏振调制模块及检测模块光轴重合，所述照明端偏振调制模块与检测端偏振调制模块的夹角≦20°。

4.如权利要求1所述的基于光检测技术的皮肤含水量检测系统，其特征在于，所述照明端偏振调制模块偏振片的透振方向与其光轴所构成的平面与所述检测端偏振调制模块偏振片的透振方向与其光轴所构成的平面共面。

5.一种基于光检测技术的皮肤含水量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、测量一组空气的穆勒矩阵，确保误差在规定范围以内；

S2、当样品皮肤放置于检测窗口时，测量样品皮肤的穆勒矩阵或偏振度参数或斯托克斯矢量；

S3、根据穆勒矩阵或偏振度参数或斯托克斯矢量与皮肤含水量的对应关系计算皮肤含水量。

6.如权利要求5所述的基于光检测技术的皮肤含水量检测方法，其特征在于，步骤S2中，至少测量16次偏振光强信号，对偏振光强信号进行计算，获得穆勒矩阵，其包含了样品的全部偏振信息。

7.如权利要求5所述的基于光检测技术的皮肤含水量检测方法，其特征在于，步骤S2中，包含两次测量，分别将检测端偏振调制模块的偏振片透振角度调节为α_p1及α_p1+90°，两次测量过程中，检测端偏振调制模块的偏振片角度分别与照明端偏振调制模块的偏振片角度相差0°和90°，通过计算获得偏振度参数。

8.如权利要求5所述的基于光检测技术的皮肤含水量检测方法，其特征在于，样品应置于二倍焦距处，对焦样品时满足高斯成像公式1/f＝(1/u)+(1/v)，其中f为焦距，u为物距，v为像距。

9.如权利要求5所述的基于光检测技术的皮肤含水量检测方法，其特征在于，所述穆勒矩阵或偏振度参数或斯托克斯矢量与皮肤含水量的对应关系通过如下步骤得到：用称重法测量样品含水量；建立皮肤含水量与偏振参数的数据模型。

10.一种计算机介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序可被执行以实现如权利要求5-7任一所述的方法。

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