CN116026729A - 一种基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微塑料检测技术领域，具体公开了一种基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，旨在解决现有技术中检测装置携带不便、微塑料检测时效性差的问题，该装置包括壳体以及固定在壳体内的安装板，安装板上顺序固定有光源组件、光传播组件、流动比色皿、光场反射组件和图像采集器，壳体上设有触摸显示屏，流动比色皿连接有调速组件，光源组件、图像采集器、触摸显示屏和调速组件分别与控制处理器电性连接；本发明结构简单，便携性高，操作简单，基于数字同轴全息显微技术，高效的获取微塑料的三维结构、种类及数量，可实现在野外环境中直接对海洋微塑料种类及密度的进行初步分析，减轻对海洋中微塑料分析的人工及时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及微塑料检测技术领域，具体涉及一种基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置。
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，随着人类的活动微塑料通过各种途径进入海洋，据估算每年生产的塑料产品中约有10％流入海洋。微塑料在海洋环境中广泛分布并不断累积，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，已被列为与臭氧耗竭、海洋酸化、气候变化一样的全球性环境问题。微塑料会为海洋微型生物提供一种漂浮的、稳定的附着基底，能作为载体传播有害微生物(例如致病菌)，导致感染，对海洋生态产生严重影响，所以海洋中的微塑料的检测就变得极其重要。
目前，微塑料的检测常用光学显微镜需要在实验室内使用，不便携带，无法在野外进行实时性检测，且传统的光学显微镜仅可获取微塑料的二位形态尺寸信息，无法获取三维尺寸信息。样本从取样点带到实验室检测，效率低，时效性差，检测时间长，不利于在野外大范围地进行调查研究，无法快速直接地对海洋微塑料的种类及分布进行调查分析。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，包括壳体，以及固定在壳体内部的安装板，安装板上顺序固定有光源组件、光传播组件、流动比色皿、光场反射组件和图像采集器，安装板上还固定有控制处理器，壳体上设有触摸显示屏，流动比色皿连接有调速组件，调速组件用以调节样本在流动比色皿中流动速度，光源组件、图像采集器、触摸显示屏和调速组件分别与控制处理器电性连接；
光源组件发出的光束经光传播组件扩束准直反射在流动比色皿上，流动比色皿被照射后产生全息光场，全息光场经光场反射组件的放大反射后被图像采集器所采集形成数字全息图，图像采集器将数字全息图传输给控制处理器，控制处理器对数字全息图进行三维重建，得到微塑料的三维光场信息，获取微塑料的三维结构和尺寸，并对比预存的微塑料样本信息对微塑料进行分类和计数。
进一步的，光源组件包括激光二极管和激光散热器，激光散热器套设在激光二极管上，激光散热器与安装板固定连接。
进一步的，光传播组件包括沿光源组件发出光束方向依次间隔固定在安装板上的第一显微物镜、准直透镜和第一反射镜模块；光源组件发出的光束经第一显微物镜放大进行扩束，准直透镜将扩束后光束变为平行光，平行光经过第一反射镜模块反射至流动比色皿上。
进一步的，光场反射组件包括沿光传播组件扩束准直反射后的光束方向依次设置的第二显微物镜和第二反射镜模块，第二显微物镜和第二反射镜模块固定连接；流动比色皿产生的全息光场经第二显微物镜放大后由第二反射镜模块反射至图像采集器被采集。
进一步的，图像采集器包括工业相机。
进一步的，调速组件包括蠕动泵，壳体上设有样本进口和样本出口，样本进口连通流动比色皿，蠕动泵与流动比色皿下端通过入水管连通，蠕动泵与样本出口通过出水管连接。
进一步的，壳体上设有电源接口。
进一步的，壳体上还设有若干控制按键，控制按键和控制处理器电性连接。
进一步的，样本进口可拆卸连接有漏斗，漏斗内设有滤网。
有益效果：
本发明具有便携性，操作简单，可实现在野外环境中，直接对海洋微塑料种类及密度的进行初步分析，减轻对海洋中微塑料分析的人工及时间成本，有助于实现对海洋生态环境调研和保护；
本发明基于数字同轴全息显微技术，直接对采样的微塑料样本进行成像拍摄，基于微塑料数字全息图所包含的丰富的光场信息，高效的获取微塑料的三维结构、种类及数量，在现场直接对微塑料的种类及分布进行评估，减轻了实验室内对微塑料的分析压力。
附图说明
图1是本发明实施例的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置的内部结构示意图；
图2是本发明实施例的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置的外部结构示意图；
图3是本发明实施例的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置的光路图。
图中：1、壳体；2、触摸显示屏；3、样本进口；4、样本出口；5、控制处理器上电按键；6、蠕动泵上电按键；7、电源接口；8、激光散热器；9、激光二极管；10、第一显微物镜；11、准直透镜；12、第一反射镜模块；13、漏斗；14、流动比色皿；15、入水管；16、第二显微物镜；17、第二反射镜模块；18、蠕动泵；19、安装板；20、出水管；21、装配板；22、图像采集器；23、控制处理器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1至2所示，本发明实施例提供了一种基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，包括壳体1以及固定在壳体1内部的安装板19，安装板19上顺序固定有光源组件、光传播组件、流动比色皿14、光场反射组件和图像采集器22，安装板19上还固定有控制处理器23，控制处理器23优选嵌入式控制器，壳体1上设有触摸显示屏2，触摸显示屏2用以进行人机交互和显示信息，流动比色皿14连接有调速组件，调速组件用以调节样本在流动比色皿14中流动速度，光源组件、图像采集器22、触摸显示屏2和调速组件分别与控制处理器23电性连接。
光源组件发出的光束经光传播组件扩束准直反射在流动比色皿14上，流动比色皿14被照射后产生全息光场，全息光场经光场反射组件的放大反射后被图像采集器22所采集形成数字全息图，图像采集器22将数字全息图传输给控制处理器23，控制处理器23对数字全息图进行三维重建，得到微塑料的三维光场信息，获取微塑料的三维结构和尺寸，并对比预存的微塑料样本信息对微塑料进行分类和计数。
光源组件包括激光二极管9和激光散热器8，激光散热器8套设在激光二极管9上，激光散热器8与安装板19固定连接，激光二极管9和激光散热器8均与控制处理器23电性连接，控制处理器23可控制激光二极管9发出光束，同时控制激光散热器8工作散热。
光传播组件包括沿光源组件发出光束方向依次间隔固定在安装板19上的第一显微物镜10、准直透镜11和第一反射镜模块12，第一反射镜模块12为现有结构主要包括笼式直角调整架和反射镜片，反射镜片安装在笼式直角调整架中，笼式直角调整架固定连接在安装板19上，固定方式可以是通过螺栓固定。
光场反射组件包括沿光传播组件扩束准直反射后的光束方向依次设置的第二显微物镜16和第二反射镜模块17，第二反射镜模块17与第一反射镜模块12结构相同，第二显微物镜16和第二反射镜模块17固定连接，具体第二显微物镜16是固定在第二反射镜模块17的笼式直角调整架上。
作为优选，第一反射镜模块12和第二反射镜模块17反射角度为直角。
图像采集器22优选工业相机，工业相机记录的数字全息图经数据线传输并存储于控制处理器23内。图像采集器22也可以是其他能采集图像的装置，如图像传感器等。
调速组件包括蠕动泵18，壳体1上设有样本进口3和样本出口4，样本进口3用于样本进入，样本出口4用于进入装置后的样本排出。样本进口3连通流动比色皿14，蠕动泵18与流动比色皿14下端通过入水管15连通，蠕动泵18与样本出口4通过出水管20连接。控制处理器23可控制蠕动泵18转速，以控制样本在流动比色皿14中的流动速度。
壳体1上设有电源接口7，电源接口7为标准的3.5mm插座，为装置供电，壳体1上还设有若干控制按键，控制按键和控制处理器23电性连接，本实施例中电源接口7同时为控制处理器23和蠕动泵18供12v电源，控制按键数量为两个，分别为控制处理器上电按键5和蠕动泵上电按键6，分别控制控制处理器23和蠕动泵18上电或断电。在其他实施例中电源接口7可仅为控制处理器23供电，再由控制处理器23外接升压模块将输出电压提升至蠕动泵18启动电压，即可直接通过控制处理器23对蠕动泵18的上电和断电进行控制。
本实施例中激光散热器8、第一显微物镜10、准直透镜11、图像采集器22均通过装配板21与安装板19固定连接。
作为可选的，样本进口3可拆卸连接有漏斗13，漏斗13内设有滤网，漏斗13可采用卡接或是其他可拆卸链接的方式与样本进口3进行可拆卸连接，漏斗13内的滤网孔径根据实际需要定制，以此实现不同尺寸微塑料颗粒的初级筛选，且可有效避免尺寸较大的杂质进入装置内部管道造成堵塞。
本装置壳体1做常规防水处理，如在壳体1上与各部件连接处的缝隙涂上密封胶，以保证仪器在野外或甲板上使用过程中不会因为水进入装置导致损坏。
本装置因为第一反射镜模块12和第二反射镜模块17的存在，将光束的方向改变，使得光学元件无需在同一直线上，就如图2所示，装置的光学元件分布在安装板19的三边上，控制处理器23以及触摸显示屏2设置在其余空位处，所有的部件集成在较小的空间中，也就是说，可以将装置可以控制在一个较小的体积，便于携带。为了直观的体会装置的大小，在此提供一些参数以供参考：激光二极管9至第一显微物镜10的距离一般为0-10mm，第一显微物镜10到准直透镜11的距离一般为40-50mm，准直透镜11到第一反射镜模块12的距离一般为5-10mm，第一反射透镜模块12到流动比色皿14的距离一般为5-10mm，流动比色皿14到第二显微物镜16的距离一般为5-30mm，第二反射镜模块17到图像采集器22的距离约120mm，光学元件的选型不同即会存在不同的间距，故实际距离根据各个光学元件参数做出调整，此处的距离参数仅作为参考，并非对本发明的限制；整个装置的尺寸约270mm*240mm*110mm，尺寸参数仅作为参考，并非对本发明的限制。
数字同轴全息显微的原理是同轴的光路中物光与参考光相干涉产生的全息图被CCD传感器采集经过电脑特定算法重建微观物体三维图像。
基于数字同轴全息显微，本发明的光路原理如图3所示(图中箭头方向为光的前进方向)：光源组件发出的光束，具体说是激光二极管9发出的光束，经第一显微物镜10扩束，将光束扩大后照在准直透镜11上，而后准直透镜11将扩束后光束变为平行光，平行光经过第一反射镜模块12反射至流动比色皿14上，样本中物体反射或散射出的光记为物光，透过流动比色皿14的光为参考光，物光与参考光相干涉即可产生全息光场，流动比色皿14产生的全息光场经第二显微物镜16显微放大后由第二反射镜模块17反射至图像采集器22被采集，形成数字全息图。
图像采集器22采集的数字全息图传输并存储于控制处理器23中，工作人员可通过触摸显示屏2操控控制处理器23，完成对数字全息图的处理工作，即对数字全息图进行三维重建，重建出物体的三维光场信息，获取物体的三维结构及尺寸，同时基于已收集的微塑料样本信息，对物体的种类进行分析分类和计数。数字全息图的三维重建算法为角谱算法，通过角谱算法再现光场上的光场频谱，对其做傅里叶逆变换，得到再现像光场的复振幅分布，离散化后得到全息重建广场复振幅，再据此得到再现象面上的光强分布和相位分布，根据相位和光程的关系可获取物体表面的高度信息，再结合重建时的二维振幅信息即可得到物体三维结构，再根据装置的定标信息即可得到微塑料的尺寸，定标即装置组装完毕后的定标，确定视场、分辨率，而后与预存的已收集的微塑料样本信息作对比，对物体的种类进行分析分类与计数，分类与计数采用通用算法，如通过控制蠕动泵18的开关及转速来控制样本的流动和流速，然后每拍一次照片通过对全息重建后图像进行预处理，抑制其背景噪声，然后依次进行腐蚀膨胀、二值化等操作、并图像分割算法进行物体检测，分类同时计数，或者也可利用opencv中的多目标跟踪类(MultiTracker)实现多目标跟踪计数。
本发明可直接在野外或甲板等现场原位环境中使用，无需提前对样本进行预处理，可以直接利用野外或甲板上采集到的水样进行处理，或使用浮游生物捕捞网等设备进行采样，以提高分析效率。先给控制处理器23和蠕动泵18上电，将样本倒入带滤网的漏斗13中，过滤后得到拟分析的尺寸样本，开启蠕动泵18，样本流动经过流动比色皿14成像区域，而后进入水管15，再进入出水管20，并从样本出口4流出，还可以在样本出口4放置烧杯等容器对流出的样本进行二次收集利用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，包括壳体，以及固定在壳体内部的安装板，其特征在于，所述安装板上顺序固定有光源组件、光传播组件、流动比色皿、光场反射组件和图像采集器，安装板上还固定有控制处理器，所述壳体上设有触摸显示屏，所述流动比色皿连接有调速组件，调速组件用以调节样本在流动比色皿中流动速度，所述光源组件、图像采集器、触摸显示屏和调速组件分别与控制处理器电性连接；
光源组件发出的光束经光传播组件扩束准直反射在流动比色皿上，流动比色皿被照射后产生全息光场，全息光场经光场反射组件的放大反射后被图像采集器所采集形成数字全息图，图像采集器将数字全息图传输给控制处理器，控制处理器对数字全息图进行三维重建，得到微塑料的三维光场信息，获取微塑料的三维结构和尺寸，并对比预存的微塑料样本信息对微塑料进行分类和计数。
2.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，其特征在于，所述光源组件包括激光二极管和激光散热器，所述激光散热器套设在激光二极管上，所述激光散热器与安装板固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，其特征在于，所述光传播组件包括沿光源组件发出光束方向依次间隔固定在安装板上的第一显微物镜、准直透镜和第一反射镜模块；光源组件发出的光束经第一显微物镜放大进行扩束，准直透镜将扩束后光束变为平行光，平行光经过第一反射镜模块反射至流动比色皿上。
4.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，其特征在于，所述光场反射组件包括沿光传播组件扩束准直反射后的光束方向依次设置的第二显微物镜和第二反射镜模块，所述第二显微物镜和第二反射镜模块固定连接；流动比色皿产生的全息光场经第二显微物镜放大后由第二反射镜模块反射至图像采集器被采集。
5.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，其特征在于，所述图像采集器包括工业相机。
6.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，其特征在于，所述调速组件包括蠕动泵，所述壳体上设有样本进口和样本出口，所述样本进口连通流动比色皿，蠕动泵与流动比色皿下端通过入水管连通，蠕动泵与样本出口通过出水管连接。
7.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，其特征在于，所述壳体上设有电源接口。
8.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，其特征在于，所述壳体上还设有若干控制按键，所述控制按键和控制处理器电性连接。
9.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置，其特征在于，所述样本进口可拆卸连接有漏斗，所述漏斗内设有滤网。
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