CN114062264B - 一种三维多光谱在线显微图像采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维多光谱在线显微图像采集系统，所述采集系统包括进样单元(1)、封装单元(2)、传动单元(3)和显微采集单元(4)；所述采集系统将待检测样品经进样单元(1)进样至样品槽(2‑100)，后经封装单元(2)封装固定后，通过传动单元(3)传送至显微采集单元(4)，在显微采集单元(4)中进行数据采集。本发明提供三维多光谱在线显微图像采集系统，可全自动连续采样，通过三维重构技术还原水系统内微观状态。

Description

一种三维多光谱在线显微图像采集系统及方法

技术领域

本发明涉及水污染防控技术领域，具体涉及一种三维多光谱在线显微图像采集系统及方法。

背景技术

在水处理领域，活性污泥法是目前处理污水的一种有效方法，自活性污泥法诞生一个多世纪以来，污泥膨胀问题是困扰污水处理厂正常运行的一个世界性难题。污泥膨胀会导致活性污泥流失、出水悬浮物增高、出水水质恶化等问题，不仅降低了活性污泥系统的处理能力，甚至可能会造成严重的运行事故。而且，污泥膨胀现象一旦发生则难以控制，并且需要相当长的时间才能进行修复。因此，实时了解活性污泥的质量并采取相应措施极为重要的。

在自然水体的风险防控及水环境治理中，特征性的藻类及微生物的指代作用也很明显。如我国诸多湖库水源地持续面临水华爆发的威胁，给生态环境带来巨大危害。而特定藻类(蓝绿藻)在水体中的大量快速增加或积累正是导致水华发生的主要原因。传统手段通过积累藻类的高密度色素细胞使水变色而识别出水体危害时却为时已晚，会导致自然水体中的溶解氧被大量消耗，造成鱼、虾、贝类等水生动物因缺氧窒息而亡，同时水华藻类的毒素对浮游动物、鱼类、水禽、家畜及人类都具有毒害作用，直接影响供水安全和周围人民的健康。

近年来，随着显微镜技术和计算机技术的发展，人们开始利用图像分析系统对生物相的构成进行定性分析，从而关联污水及自然水体的关键状态，解决长期困扰运行管理的技术难题。显微镜观察是抽提水体中微观信息的一种快捷有效的方法，但是这种方法比较耗时，不能及时的反应水体中的指代性微生物状态，而且容易受到操作人员的主观判断的影响，无法实时获得生物相变化的定量信息，这些因素限制了微生物镜检在即时监测方面的应用。与此同时，微生物镜检将样品压片处理后在单个光源下进行观测，破坏了微生物的三维结构，也无法全面的反应出指代性微生物的所有生物学特性。

由于上述原因，本发明人在现有显微镜观察的基础上，解决现有的耗时费力及对微生物的三维结构破坏程度较高等问题，设计出一种高效快捷且能实时检测的三维多光谱在线显微图像采集系统。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种三维多光谱在线显微图像采集系统及方法，所述采集系统包括进样单元1、封装单元2、传动单元3和显微采集单元4；

所述采集系统将待检测样品经进样单元1进样至样品槽2-100，后经封装单元2封装固定后，通过传动单元3传送至显微采集单元4，在显微采集单元4中进行数据采集。

进一步地，所述进样单元1用于向样品槽2-100中置入封装液和待检测样品。

优选地，所述样品槽2-100为截面呈梯形的槽体，样品槽2-100的底面水平设置，两个侧面倾斜设置，将样品槽2-100的底面称为基片2-101，将样品槽2-100的倾斜侧面称为侧片2-102。

优选地，多个样品槽2-100并排放置，形成样品板2-1，样品板2-1两侧具有凸出样品板的两个侧翼板，称为样品槽侧翼板2-1-3。

优选地，所述封装单元2包括上覆膜2-3和挤塑部件2-4；

所述上覆膜2-3为任意一种薄膜，所述挤塑部件2-4为压辊，其滚轮面紧贴在样品槽2-100的上表面，上覆膜2-3置于挤塑部件2-4与样品槽2-100之间，通过挤塑部件2-4将上覆膜2-3压在样品槽2-100上表面。

优选地，所述封装单元2包括刮片2-2，所述刮片2-2为片状或板状结构，用于将落入样品槽2-100中的封装液和待检测样品刮平，所述挤塑部件2-4位于刮片2-2的后端。

优选地，所述传动单元3包括至少两条传动带3-3，两条传动带3-3平行设置，样品板2-1置于两条传动带3-3之间，样品槽侧翼板2-1-3置于传动带3-3上。

优选地，所述传动带3-3由传动轮3-1驱动，传动轮3-1上具有齿轮，传动带3-3上具有对应的齿形，使得传动轮3-1与传动带3-3之间能够咬合。

优选地，所述显微采集单元4包括环形物镜组4-1和光源4-2，光源4-2设置在传动单元3的上方，环形物镜组4-1设置在传动单元3的下方，使得传动单元3传动的样品位于光源与环形物镜组4-1之间，

所述环形物镜组4-1包括三组镜头，每组镜头包含一个物镜和一个电子目镜，当样品槽2-100位于光源4-2与环形物镜组4-1之间时，光源4-2位于样品槽2-100的正上方，三组镜头分别正对样品槽2-100的基片2-101和两个侧片2-102，

优选地，所述环形物镜组4-1和光源4-2具有多组，每组中光源4-2发出光的波段不同。

所述一种三维多光谱在线显微图像采集方法包括以下步骤：

步骤1，向样品槽中滴加待测样品和封装液，将样品进行封装；

步骤2，将封装后的样品运输至显微采集单元；

步骤3，显微采集单元对样品板中的待测样品进行采样检测。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的一种三维多光谱在线显微图像采集系统，替代了传统的微生物镜检方式，采用全自动连续采样、立体式封装，并通过三维重构技术还原水系统内微观状态；

(2)根据本发明提供的一种三维多光谱在线显微图像采集系统，可以对样品进行实时的多角度多光谱图像采集，从多维度信息中合成三维结构；

(3)根据本发明提供的一种三维多光谱在线显微图像采集系统，可以实时捕捉污泥絮体及特征微生物的微观形态和动态特征，从而为水环境污染防控和生态灾害预警提供技术支持。

(4)根据本发明提供的一种三维多光谱在线显微图像大数据分析方法，操作简单，机械化程度高，无需耗费过多的劳动力，方便快捷。

附图说明

图1示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统的整体结构示意图；

图2示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统中样品槽结构示意图；

图3示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统中样品板的结构示意图；

图4示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统的样品槽连接板示意图；

图5示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统中刮片结构示意图；

图6示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统的刮片结构示意图；

图7示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统中挤塑部件的结构示意图；

图8示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统的传动单元结构示意图；

图9示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统的显微采集单元结构示意图；

图10示出本发明一种优选实施方式中一种三维多光谱在线显微图像采集系统的检测液进样部件结构示意图。

附图标号说明：

1-进样单元；1-1-封装液进样部件；1-2-检测液进样部件；1-2-1-生物反应器；1-2-2-污泥溢流管；1-2-3-负压机构；1-2-4-污泥出液管；2-封装单元；2-1-样品板；2-100-样品槽；2-101-基片；2-102-侧片；2-103-样品槽连接板；2-1-2-隔板；2-1-3-样品槽侧翼板；2-2-刮片；2-3-上覆膜；2-4-挤塑部件；2-5-样品推进器；3-传动单元；3-1-传动轮；3-3-传动带；4-显微采集单元；4-1-环形物镜组；4-1-2-自清洁喷气口；4-2-光源。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的一种三维多光谱在线显微图像采集系统，该系统包括进样单元1、封装单元2、传动单元3和显微采集单元4，如图1所示；

在一个优选的实施方式中，所述进样单元1和封装单元2位于载物台的前端，传动单元3和显微采集单元4位于载物台的中端，检测完成的样品位于载物台的后端。所述载物台为三维多光谱在线显微图像采集系统的主框架，用于将各系统进行固定连接，便于安装和拆卸，在本发明中，对载物台的结构不做特别限定，本领域技术人员可根据实际需要自由设置。

在本发明中，将载物台用于待测样品进样封装的一端称为前端，将检测完成的样品由传动单元3输出的一端称为后端。

在所述采集系统中，待检测样品通过进样单元1完成进样，后经封装单元2封装后，通过传动单元3将封装后的待检测样品传送至显微采集单元4，并在显微采集单元4中进行数据采集，优选地，数据采集后的样品由传动单元3送离显微采集单元，并进行封装保存。

所述进样单元1用于向样品槽中置入封装液和待检测样品，包括封装液进样部件1-1和检测液进样部件1-2；

所述封装液进样部件1-1为任意形状的容器，用于承装封装液，在其上设置有封装液排出口，优选地，在排出口处设置有阀门，以控制封装液排出量；

本领域技术人员可根据实际需求自由选择封装液的种类，优选地，所述封装液选自高透光度高流动性的凝胶中的一种，高透光度便于后续的显微图像采集，高流动性便于样品的充分分散，例如，所述封装液为环保液体硅凝胶，既能够起到固定污泥颗粒的作用，又不破坏污泥颗粒结构，保证测试过程样品在样品槽内不发生移动。

所述检测液进样部件1-2用于将待检测样品分成多份或从环境中连续取样，以形成连续的带有时间轴的微生物样品，其具有样品排出口。

根据本发明，对检测液进样部件的结构不做特别限定，可依据样品的形态特征选择不同种类的进样方式，进而设置不同的检测液进样部件，当检测液为污水等自然水体时，所述检测液进样部件1-2可以采用蠕动泵进样，在不影响水体质量的基础上，保证水体的进样速度，是一种实用且经济的进样方式；

当待检测样品为活性污泥等含颗粒水体时，所述检测液进样部件1-2可采用负压式调节进样，由于活性污泥易发生沉淀，采用负压式调节进样，可以有效防止污泥解体。

优选地，负压式调节的检测液进样部件1-2包括生物反应器1-2-1、污泥溢流管1-2-2、调节生物反应器内压力的负压机构1-2-3和污泥出液管1-2-4。

所述的污泥出液管1-2-4设置在生物反应器1-2-1的侧面，污泥样品通过污泥出液管滴落。

所述的负压机构1-2-3在生物反应器1-2-1的内部顶端产生负压，所述负压机构1-2-3优选为真空泵，在本发明中，利用真空泵创造负压环境，通过调节反应器内的空气压力，从而调节污泥样品滴落的速度，保证污泥颗粒不沉淀，不堵塞，实现连续的出样。

所述污泥溢流管1-2-2设置在生物反应器1-2-1内，且底端穿出生物反应器1-2-1的底部与大气联通，顶端穿过生物反应器1-2-1内的污泥平面，在本发明中，通过污泥溢流管不仅调整真空度，同时可以在生物反应器液面超过污泥溢流管高度的时候进行液面的调节，从而保证反应器内的空气体积不变。

在本发明中，通过在生物反应器1-2-1中创造负压环境，使得生物反应器1-2-1中活性污泥中水力梯度处于临界值，从而使得污泥颗粒不会出现沉淀，并有效防止污泥解体，进一步地，污泥在重力与负压的影响下的滴落速度可控。所述封装单元2用于将待测样品和封装液封装至样品槽2-100中，包括刮片2-2、上覆膜2-3和挤塑部件2-4；

优选地，所述样品槽2-100为截面呈梯形的槽体，如图2所示，样品槽2-100的底面水平设置，两个侧面倾斜设置，且底面面积小于上表面的面积。

在本发明中，将样品槽2-100的底面称为基片2-101，将样品槽2-100的倾斜侧面称为侧片2-102。

进一步地，所述样品槽2-100部分或全部采用透明材质制成，使得从基片和侧片方向能够观察到样品槽内的样品。

根据本申请优选的实施方式，所述样品槽侧片2-102的倾斜角度设置为30～60°。

所述样品槽侧片2-102的倾斜角度不宜过小或过大，发明人研究发现，当样品槽侧片2-102的倾斜角度大于60°时，梯形宽度过大，高度过低，造成待测样品在样品槽内晃动严重，影响观测效果；当样品槽侧片2-102的倾斜角度小于30°时，为了三维立体观察，物镜所需设置的角度过大，导致物镜的可调角度过小，联动效果差，且在清洗过程中不易进行镜头的擦洗工作，因此实际生产过程中，样品槽侧片2-102的倾斜角度不宜过小。

在一个优选的实施方式中，所述样品槽2-100槽体厚度为3～10mm，梯形截面中，下底面长为3～10mm，上表面长为10～20mm，高为3～6mm；

该尺寸下，样品的分散性好，并且样品槽与常规镜头的尺寸相配合，采样效果较好。

在一个更优选的实施方式中，所述样品槽的槽体厚度为4～6mm，梯形截面中，下底面长为3～5mm，上表面长为10～12mm，高为3～5mm，在该尺寸下，样品的采样效果，尤其是污泥颗粒的采样效果最佳。

在一个优选的实施方式中，多个样品槽2-100并排放置，形成样品板2-1，以便于连续采集检测，如图3所示。

更优选地，通过样品槽连接板2-103将多个样品槽2-100连接为样品板2-1，所述样品槽连接板2-103具有多个凹槽，用以放置样品槽2-100，如图4所示，在一个优选的实施方式中，在样品槽连接板2-103上还设置有凸出样品板的两个侧翼板，称为样品槽侧翼板2-1-3,所述样品槽侧翼板2-1-3设置于样品槽连接板2-103的两个对侧面，便于样品板2-1被夹持运输。

在一个更优选的实施方式中，所述样品板2-1一体成型，如图3所示，样品板2-1整体为梯形槽体，在梯形槽体中设置有多个隔板2-1-2，从而获得多个并排的样品槽2-100，样品板2-1两侧具有样品槽侧翼板2-1-3。

进一步地，所述隔板2-1-2垂直基片2-101，隔板2-1-2的高度小于样品板2-1的高度。

优选地，所述样品板2-1上设置3～10个样品槽2-100。

在本发明中，所述样品板2-1具有多个，排成一排，在封装后送入传动单元3。

根据本发明，所述封装单元2还包括样品槽推进器2-5,通过样品槽推进器2-5推动样品板2-1，使得样品板2-1依次经过进样单元1下方、刮片2-2下方和挤塑部件2-4的下方，到达传动单元3。

在本发明中，对样品槽推进器2-5不做特别限定，只要能够完成推动即可，例如可以是铝带、气缸推杆等。

根据本申请一种优选的实施方式，所述刮片2-2为片状或板状结构，用于将落入样品槽2-100中的封装液和待检测样品刮平，避免其部分凸出样品槽2-100上表面影响封装，如图5所示；

在一个优选的实施方式中，所述刮片2-2底面与样品槽推进器2-5推动方向具有夹角，如图6所示，使得样品槽中多余的液体能够从样品槽侧边刮出。

所述刮片2-2设置于样品板2-1靠近传动单元3一侧，优选设置于样品板2-1上靠近传动单元3的第一个样品槽正上方，与载物台固定连接为一体；

根据本申请，所述固定连接为焊接、粘接、锁扣和螺纹连接中的一种，优选为螺纹连接，方便拆洗及更换，可以根据实际需要更换不同材质以及不同形状的刮片2-2。

根据本发明一种优选的实施方式，所述刮片2-2为聚苯硫醚材质，聚苯硫醚是一种新型高性能热塑性树脂，具有机械强度高、耐高温、耐化学药品性、难燃、热稳定性好、电性能优良等特点，其物理特性可以保证若待测样品具备一定的温度或者腐蚀性时，仍可以保证正常使用，不会由于其自身的腐蚀或摩擦对待测样品造成污染，影响后续的观察结果。

在刮片2-2刮平样品槽2-100表面后，在样品槽2-100表面覆盖上覆膜2-3，所述上覆膜2-3可以为任意一种薄膜。

通常，上覆膜2-3卷成筒状，通过销轴架设在载物台上，以方便旋转抽出上覆膜2-3。

进一步地，通过挤塑部件2-4将上覆膜2-3压在样品槽2-100上表面，如图1所示。

进一步地，所述挤塑部件2-4位于刮片2-2的后端。

优选地，所述挤塑部件2-4为压辊，其滚轮面紧贴在样品槽2-100的上表面，上覆膜2-3置于挤塑部件2-4与样品槽2-100之间，从而实现样品槽2-100表面薄膜的覆盖。

优选地，所述挤塑部件2-4通过销轴固定在载物台上，以实现滚转，如图7所示；

优选地，所述挤塑部件2-4的长度略大于样品槽的宽度，塑部件2-4的底端略低于样品槽顶端，可以使得在外力挤压作用下，上覆膜2-3与样品槽完全接触，避免存在缝隙。

根据本申请一种优选的实施方式，所述上覆膜2-3为超疏水材料薄膜，更优选为超疏水高强度PE膜。

聚乙烯(PE)是一类通用高分子，价格低廉、环境友好、应用广泛，具有优良的力学性能、耐热性、电性能、化学稳定性和耐候性的疏水材料，其与水的接触角仅为112°左右。选择这种疏水材料可以保证待测样品在封装过程中，不会产生气水角，且不会将气泡与待测样品同时封装在样品槽内部。

进一步地，超疏水高强度PE膜由于其本身非常薄，通过拉伸具备一定的延展性及粘度，在超低速的传动过程中，可以保证上覆膜2-3完整贴附在样品槽上，不会出现断裂或贴附不完全的情况。

所述传动单元3用于将封装好的样品槽运输至显微采集单元4，并将已采集后的样品槽运走。

所述传动单元3的可以为任意一种能够传输物品的结构，例如传动皮带、丝杠导轨等。

根据本申请优选的实施方式，所述传动单元3包括至少两条传动带3-3，两条传动带3-3平行设置，样品板2-1置于两条传动带3-3之间，样品槽侧翼板2-1-3置于传动带3-3上，实现对样品板2-1的传输。

在本发明中，显微采集单元4对样品检测为流水线检测，即在样品传动的过程中检测，增加检测效率，此种检测对传动带的稳定性要求较高，传动带不能有大的振动，以使得显微镜头能够拍摄采集足够清晰的画面。

在一个优选的实施方式中，所述传动单元3包括四条传动带3-3，两条传动带3-3为一组，每组中的两条传动带3-3平行设置，两组传动带上下对应设置，将样品槽侧翼板2-1-3夹持在两组传动带之间，如图8、图9所示。

在一个优选的实施方式中，所述传动带3-3的传动速度为0.1～1mm/s，此速度下样品槽不会出现振动，便于后续供显微采集单元4进行数据采集，并且，传动速度过大也会导致对焦难度过大，影响观察效果。

更优选地，所述传动带3-3的传动速度可调，以适应不同的待测样品。

进一步地，所述传动带3-3由传动轮3-1驱动，优选地，所述传动轮3-1与传动带3-3组成棘轮机构，即传动轮3-1上具有齿轮，传动带3-3上具有对应的齿形，使得传动轮3-1与传动带3-3之间能够咬合，从而避免传动带3-3与传动轮3-1之间出现相对滑动，且棘轮机构结构简单，制造方便，动与停可控性强，能够将样品槽准确的运输到预设位置以供显微采集单元4进行数据采集。

进一步地，所述传动轮3-1具有多个，优选地，每条传动带的传动轮3-1包括至少一个主动轮和多个从动轮，更优选仅有一个主动轮，避免多个主动轮的驱动电机出现速度差导致传动带振动。

进一步优选地，相邻传动轮3-1之间的间距为0.5～1.5个齿全高，保证对传动带3-1的稳定支撑，降低传动带振动情况。

优选地，所述传动带3-3为橡胶材质，一方面提供部分减振，降低样品板的振动情况，另一方面提供足够的摩擦力，保证样品板不会与传动带出现相对滑动。

若单独使用棘轮结构，也可以达到传动样品板2-1的目的，但是故障率高，容易造成打滑平移等现象，因此本申请选择将棘轮与传动带3-3配套使用，既可以增加接触面积，亦可以增大传动带3-3与样品板2-1的相互作用力，达到误差小，避免横向移动的作用效果。

在一个优选的实施方式中，所述主动轮为传动单元3靠近挤塑部件2-4的第一组传动轮，材质选择不锈钢材质，配套高精度伺服电机，优选微米级精度伺服电机；

在一个优选的实施方式中，所述传动单元3上还设置有纠偏部，当样品板2-1在传动过程中出现横向移动时，可以对其进行校正，保证其沿传动带传动方向直线运动。

在本发明中，对纠偏部的结构不做特别限定，例如可以是导轨校正，即在传动带3-3的侧面设置导轨，以限定样品板2-1的横向移动空间。

根据本申请一种优选的实施方式，在传动带3-3远离样品板2-1的一侧安装有吸水棉，即下方传动带3-3的底侧和上方传送带的顶侧安装有吸水棉，所述洗水棉通过夹持装置与载物台相连，当有待测样品溢出样品板2-1时，及时对传动带3-3进行清洗，以免后续使用过程中由于水渍导致打滑，并且增加传动单元3的使用寿命，减少维护次数。

所述夹持装置为任意可以起到夹紧效果的任意装置，优选地，当吸水棉接近饱和时，通过夹持装置可以对吸水棉进行更换，本申请中的吸水棉可以更换为任意具备吸水特性的材料。

所述显微采集单元4包括环形物镜组4-1、光源4-2和封闭外壳，如图9所示。

进一步地，光源4-2设置在传动单元3的上方，环形物镜组4-1设置在传动单元3的下方，使得传动单元3传动的样品位于光源与环形物镜组4-1之间。

在本发明中，将光源置于样品上方，将物镜置于样品下方，形成倒置显微镜，具有以下优势：(1)倒置显微镜的稳定性好，相比于正向显微镜受外界影响较小；(2)由于待检测样品为液体，从正向观察不利于实际操作，受限于实际的检测样本，选择倒置显微镜更有利于观测；(3)相比于正向显微镜，倒置显微镜的光路结构更易于布置；(4)倒置显微镜的光路组件易于更换，为后续的维修过程带来极大的便利。

根据本发明，所述环形物镜组4-1包括三组镜头，每组镜头包含一个物镜和一个电子目镜，优选地，物镜为10～20倍物镜，电子目镜为大于2000万像素级别，FPS大于25帧的电子目镜。

在一个优选的实施方式中，当待测样品为水生藻类时，采用20倍物镜、20倍广角电子目镜，当待测样品为污泥颗粒时，选择10倍物镜、20倍广角电子目镜。

进一步地，所述镜头为具有自动对焦功能的镜头。

在一个优选的实施方式中，在物镜镜面边缘设置有自清洁喷气口4-1-2，通过定时吹出二氧化碳气体，达到清洁物镜镜面的目的，可以有效增加显微采集单元的使用寿命，减少维修频率。

根据本发明，当样品槽2-100位于光源4-2与环形物镜组4-1之间时，光源4-2位于样品槽2-100的正上方，三组镜头分别正对样品槽2-100的基片2-101和两个侧片2-102，如图2所示，采集不同光源角度下的样品显微图样，从而进行三维重构，以还原样品中的微观状态，实时捕捉污泥絮体及特征微生物的微观形态，从而实现水污染事件功能性防控，为水体灾害预警提供的技术支持。

优选地，三组镜头之间的距离为30mm～45mm，该距离与梯形样品槽的边长及角度相互匹配，发明人发现，在该距离下，污泥絮体及特征微生物的微观形态和动态特征捕获连续效果更好。

所述封闭外壳罩在光源4-2和环形物镜组4-1外侧，避免外界光源对采样产生干扰(图中未示出)。

发明人发现，在一种光源下，部分微观状态无法被有效采集检测出来。

优选的，所述环形物镜组4-1和光源4-2具有多组，每组中光源4-2发出光的波段不同，通过检测不同波段光下的显微图样，实现样品内微观状态更好的还原，如图1所示。

进一步优选地，不同组光源4-2发出的光能够覆盖400～900nm波段，以便观察不同样品在多种光源下的特征信息。

在一个优选的实施方式中，所述多组光源4-2包括白色光源、黄色光源、蓝色光源、绿色光源和红色光源中的一种或多种。

根据本发明一种优选的实施方式，在相邻的光源4-2之间设置有隔板(图中未示出)，减少光源之间的相互干扰，优选地，所述光源4-2为LED光源，光束宽度为3-10mm，可以刚好覆盖下方样品槽。

根据本发明，多光谱检测可以便于后期识别，提高识别度，且清晰度较高，适用范围广。

根据本发明提供的一种三维多光谱在线显微图像采集方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，向样品槽中滴加待测样品和封装液，将样品进行封装；

步骤2，将封装后的样品运输至显微采集单元；

步骤3，显微采集单元对样品板中的待测样品进行采样检测。

重复步骤1～步骤3，即可实现样品的连续采集。

优选地，在步骤1之前还具有步骤0，将待测样品和封装液分别装入检测液进样部件和封装液进样部件。

在步骤1中，先滴加待测样品，再滴加封装液，使得封装液始终处于待测样品的上层，样品与封装液不会发生剧烈的混合。

通过样品槽推进器将样品板推入挤塑部件下方，通过挤塑部件将上覆膜压在样品板上表面，完成封装。

优选地，在推入挤塑部件2-4下方之前，先将样品板推入刮片下方，通过刮片将样品刮平。

在步骤2中，样品槽推进器将封装后的样品板运输至传送单元，通过传送单元将样品板运送至显微采集单元。

优选地，通过传动带运送样品板，更优选地，传动带由传动轮驱动，传动轮与传动带之间组成棘轮机构。

优选地，运送速率为0.1～1mm/s。

在一个优选的是实施方式中，定期或持续通过吸水棉擦拭清洁传动带。

在步骤3中，在样品板运送的同时显微采集单元进行采样，获得显微图像。

优选地，从三个方向对样品进行检测采集，以进行三维重构。

优选地，分别检测采集多组不同波段光源下的显微图像，更优选的，分别检测采集白色光源、黄色光源、蓝色光源、绿色光源和红色光源下的显微图线。

在一个优选的实施方式中，将采集完成后的样品板存储，以供后续研究使用。

优选地，定期或持续对物镜进行清洁，优选通过向物镜喷二氧化碳气体进行清洁。

根据本发明提供的三维多光谱在线显微图像大数据分析方法，可以通过三维重构技术还原水系统内微观状态，实时捕捉污泥絮体及特征微生物的微观形态和动态特征，操作简单，机械化程度高，无需耗费过多的劳动力，方便快捷。

实施例

实施例1

一种活性污泥的三维多光谱在线显微图像采集系统，该系统包括进样单元、封装单元、传动单元和显微采集单元；

所述进样单元包括封装液进样部件和检测液进样部件；

所述封装液进样部件为长方形的容器，用于承装封装液，在其上设置有封装液排出口，在排出口处设置有阀门，以控制封装液排出量；

所述封装液为高透光度高流动性的环保硅凝胶。

所述检测液进样部件采用负压式调节进样，负压式调节的检测液进样部件包括生物反应器、污泥溢流管、调节生物反应器内压力的负压机构和污泥出液管。

所述的污泥出液管1-2-4设置在生物反应器1-2-1的侧面，污泥样品通过污泥出液管滴落。

所述的负压机构1-2-3在生物反应器1-2-1的内部顶端产生负压，所述负压机构1-2-3优选为真空泵，

所述污泥溢流管1-2-2设置在生物反应器1-2-1内，且底端穿出生物反应器1-2-1的底部与大气联通，顶端穿过生物反应器1-2-1内的污泥平面。

所述封装单元2用于将待测样品和封装液封装至样品槽2-100中，包括刮片2-2、上覆膜2-3和挤塑部件2-4；

所述样品槽2-100为截面呈梯形的槽体，样品槽2-100的底面水平设置，两个侧面倾斜设置，且底面面积小于上表面的面积。

样品槽2-100全部采用透明材质制成，样品槽侧片2-102的倾斜角度设置为45°。

所述样品槽的槽体厚度为5mm，梯形截面中，下底面长为4mm，上表面长为10mm，高为4mm。

所述样品板2-1上设置4个样品槽2-100。

封装单元2还包括样品槽推进器2-5,通过样品槽推进器2-5推动样品板2-1，使得样品板2-1依次经过进样单元1下方、刮片2-2下方和挤塑部件2-4的下方，到达传动单元3。

样品槽推进器2-5为气缸推杆。

所述刮片2-2为片状结构，刮片2-2设置于样品板2-1靠近传动单元3一侧，优选设置于样品板2-1上靠近传动单元3的第一个样品槽正上方，与载物台固定连接为一体；

刮片2-2为聚苯硫醚材质，在刮片2-2刮平样品槽2-100表面后，在样品槽2-100表面覆盖上覆膜2-3。

上覆膜2-3卷成筒状，通过销轴架设在载物台上，以方便旋转抽出上覆膜2-3。

通过挤塑部件2-4将上覆膜2-3压在样品槽2-100上表面，如图1所示。

所述挤塑部件2-4位于刮片2-2的后端。

所述挤塑部件2-4为压辊，其滚轮面紧贴在样品槽2-100的上表面，上覆膜2-3置于挤塑部件2-4与样品槽2-100之间，从而实现样品槽2-100表面薄膜的覆盖，挤塑部件2-4通过销轴固定在载物台上，挤塑部件2-4的长度略大于样品槽的宽度，塑部件2-4的底端略低于样品槽顶端。

所述上覆膜2-3为超疏水高强度PE膜。

所述传动单元3包括四条传动带3-3，两条传动带3-3为一组，每组中的两条传动带3-3平行设置，两组传动带上下对应设置，将样品槽侧翼板2-1-3夹持在两组传动带之间，如图8、图9所示。

所述传动带3-3的传动速度为0.5mm/s，所述传动带3-3由传动轮3-1驱动，所述传动轮3-1与传动带3-3组成棘轮机构，即传动轮3-1上具有齿轮，传动带3-3上具有对应的齿形。

每条传动带的传动轮3-1包括一个主动轮和10个从动轮，相邻传动轮3-1之间的间距为1个齿全高，传动带3-3为橡胶材质。

传动单元3上设置有纠偏部，纠偏部的结构是导轨校正，即在传动带3-3的侧面设置导轨，以限定样品板2-1的横向移动空间。

在传动带3-3远离样品板2-1的一侧安装有吸水棉，即下方传动带3-3的底侧和上方传送带的顶侧安装有吸水棉。

显微采集单元4包括环形物镜组4-1、光源4-2和封闭外壳，光源4-2设置在传动单元3的上方，环形物镜组4-1设置在传动单元3的下方，环形物镜组4-1包括三组镜头，每组镜头包含一个物镜和一个电子目镜，物镜为10倍物镜，电子目镜为20倍，2000万像素级别，FPS为25帧并带有自动对焦功能的电子目镜，三组镜头之间的距离为40mm。

光源4-2包括白色光源、黄色光源、蓝色光源、绿色光源和红色光源，在相邻的光源4-2之间设置有隔板。

采用该系统对某污水处理厂的污泥进行检测，检测效率为人工检测的40倍，并且成像清晰，识别度高，微生物三维结构还原度高，极大提高了检测的精准度。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种三维多光谱在线显微图像采集系统，其特征在于，

所述采集系统包括进样单元(1)、封装单元(2)、传动单元(3)和显微采集单元(4)；

所述采集系统将待检测样品经进样单元(1)进样至样品槽(2-100)，后经封装单元(2)封装固定后，通过传动单元(3)传送至显微采集单元(4)，在显微采集单元(4)中进行数据采集；

所述进样单元(1)用于向样品槽(2-100)中置入封装液和待检测样品，所述封装液为液体硅凝胶；所述硅凝胶具有高透光度高流动性，高透光度便于后续的显微图像采集，高流动性便于样品的充分分散，既能够起到固定污泥颗粒的作用，又不破坏污泥颗粒结构，保证测试过程样品在样品槽内不发生移动；

所述样品槽(2-100)为截面呈梯形的槽体，样品槽(2-100)的底面水平设置，两个侧面倾斜设置，将样品槽(2-100)的底面称为基片(2-101)，将样品槽(2-100)的倾斜侧面称为侧片(2-102)；所述样品槽侧片(2-102)的倾斜角度设置为30～60°；所述样品槽(2-100)槽体厚度为3～10mm，梯形截面中，下底面长为3～10mm，上表面长为10～20mm，高为3～6mm；

所述显微采集单元(4)包括环形物镜组(4-1)和光源(4-2)，光源(4-2)设置在传动单元(3)的上方，环形物镜组(4-1)设置在传动单元(3)的下方，使得传动单元(3)传动的样品位于光源与环形物镜组(4-1)之间，

所述环形物镜组(4-1)包括三组镜头，每组镜头包含一个物镜和一个电子目镜，当样品槽(2-100)位于光源(4-2)与环形物镜组(4-1)之间时，光源(4-2)位于样品槽(2-100)的正上方，三组镜头分别正对样品槽(2-100)的基片(2-101)和两个侧片(2-102)，三组镜头之间的距离为30mm～45mm，该距离与梯形样品槽的边长及角度相互匹配；

所述环形物镜组(4-1)和光源(4-2)具有多组，每组中光源(4-2)发出光的波段不同；

在相邻的光源(4-2)之间设置有隔板。

2.根据权利要求1所述的三维多光谱在线显微图像采集系统，其特征在于，

多个样品槽(2-100)并排放置，形成样品板(2-1)，样品板(2-1)两侧具有凸出样品板的两个侧翼板，称为样品槽侧翼板(2-1-3)。

3.根据权利要求1所述的三维多光谱在线显微图像采集系统，其特征在于，

所述封装单元(2)包括上覆膜(2-3)和挤塑部件(2-4)；

所述上覆膜(2-3)为任意一种薄膜，所述挤塑部件(2-4)为压辊，其滚轮面紧贴在样品槽(2-100)的上表面，上覆膜(2-3)置于挤塑部件(2-4)与样品槽(2-100)之间，通过挤塑部件(2-4)将上覆膜(2-3)压在样品槽(2-100)上表面。

4.根据权利要求3所述的三维多光谱在线显微图像采集系统，其特征在于，

所述封装单元(2)包括刮片(2-2)，所述刮片(2-2)为片状或板状结构，用于将落入样品槽(2-100)中的封装液和待检测样品刮平，所述挤塑部件(2-4)位于刮片(2-2)的后端。

5.根据权利要求1所述的三维多光谱在线显微图像采集系统，其特征在于，

所述传动单元(3)包括至少两条传动带(3-3)，两条传动带(3-3)平行设置，样品板(2-1)置于两条传动带(3-3)之间，样品槽侧翼板(2-1-3)置于传动带(3-3)上。

6.根据权利要求5所述的三维多光谱在线显微图像采集系统，其特征在于，

所述传动带(3-3)由传动轮(3-1)驱动，传动轮(3-1)上具有齿轮，传动带(3-3)上具有对应的齿形，使得传动轮(3-1)与传动带(3-3)之间能够咬合。