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CN110487221B - 全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置及方法 - Google Patents

全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置及方法，该装置依次连接的光源驱动组件、光源、微孔组件、光传播组件、样品台组件、图像采集组件、图像处理组件。光源驱动组件控制发光二极管的亮灭，顺序点亮红光和绿光，光透过微孔组件将部分相干光发散成球面波，经过光传播组件照射微流控芯片，传播一段距离后到达样品台组件，不需要单独引入参考光波，物体的透射光为参考光波，散射光为物光波，参考光波和物光波相互干涉由图像采集组件成像，得到全息图样，通过双波长迭代算法恢复样品的三维形貌。本发明方法分别利用全息条纹的中央亮斑面积与三维图像的长度宽度和厚度总和的比值以及乘积的比值来进行微塑料的检测。

Description

全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种对海洋中微塑料检测的技术领域，具体而言，尤其涉及全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置及方法。
背景技术
据有关统计，1960年全球塑料产品生产量为50万吨，而2013年则接近3亿吨。塑料产品质地轻，回收率低，不易分解，在海洋沿岸环境的评估中60％-80％的海洋废弃物是塑料碎片。这些塑料碎片在紫外线、风力、波浪摩擦、微生物作用下逐渐变成细小颗粒，通过河流、海滩、海上人类活动和非法倾倒进入海水里，对海洋的生态环境影响巨大。
美国国家海洋和大气管理局(NOAA)现在对“微塑料”的定义是直径小于5mm的碎片。目前已知的海洋中微塑料的来源包括陆源输入、滨海旅游、船舶运输和海上养殖捕捞等。陆源塑料垃圾的输入是海洋中塑料污染的主要来源，包括人类生活中有意或无意丢弃的塑料废弃物、被暴风雨冲刷到海洋的陆地上掩埋的塑料垃圾、常用的一些洗涤剂、生活护肤品以及工业原料等，这些微塑料在污水处理过程中由于颗粒小而难以去除，从而会随陆源垃圾输入进入海洋。这些塑料垃圾进入到海洋后逐渐发生光降解或破碎，形成不同形貌的微塑料。
微塑料广泛分布于海洋渔业环境水域中，由于其粒径小，极易被渔业生物摄入，进而产生一系列毒性效应，主要包括抑制生长发育、影响摄食及行为能力、生殖毒性、免疫毒性、遗传损伤等。微塑料与其他污染物结合还可能产生更为严重的联合毒性效应，进而影响水体中食物链的稳定性，并对生态系统的健康带来潜在的风险。大量的微塑料漂浮在海洋表面、悬浮在各层海水中，严重破坏了海岸海滩的观赏性，影响旅游业的发展，同时船舶的航行带来安全隐患。微塑料内部的有毒添加剂不断向海水中释放，同时又从海水中不断吸收多种疏水性的有毒污染物质，造成一种恶性循环。微塑料难以降解，在海底形成沉积物，进而影响发生在海底沉积物界面上的如氧气与水的扩散交换等的生物化学过程，严重影响生物地化循环。海洋微塑料漂浮在海洋表面，阻碍了光线在海水中的传递，阻碍海洋植物对太阳光的吸收，进而影响其光合作用，无法为海洋生态系统提供氧气和食物。海洋微塑料的存在严重破坏了海洋生态平衡。微塑料自身的化学毒性以及从环境中吸附的化学毒物，可能会对摄食的生物产生直接伤害，并且可能沿着食物链方向在各个营养级生物体内富集，进而威胁人类健康。研究表明，在海洋生物链的各个营养级水平的动物体内都发现有微塑料。海洋微塑料对人类的直观伤害也近在咫尺。
目前，微塑料鉴定方法包括目视鉴定法、傅里叶变换-红外光谱分析法、拉曼光谱法、扫描电镜及能谱仪法(如扫描电镜-能量色散X射线联用、环境扫描电子显微镜-能量色散X射线联用、热解吸-气相色谱-质谱联用技术、碳氢氮分析法等)。微塑料的成分检测是一项较为复杂的工作，由于现有检测装置复杂、设备昂贵、体积大。所以便携准确的检测出海洋中的微塑料是目前研究的重点。
发明内容
根据上述提出现有检测海洋微塑料的装置复杂、设备昂贵、体积大等缺点，而提供一种便携准确的检测出海洋中的微塑料的全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置及方法。
本发明采用的技术手段如下：
全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置，包括：依次连接的光源驱动组件、光源、微孔组件、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微流控芯片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尺寸比值。
进一步地，所述光源驱动组件为单片机、所述光源为发光二极管，所述单片机自动控制发光二极管的亮灭，顺序点亮红光和绿光，光透过所述微孔组件将部分相干光发散成球面波，经过所述光传播组件照射所述微流控芯片，传播一段距离后到达样品台组件，不需要单独引入参考光波，物体的透射光为参考光波，散射光为物光波，参考光波和物光波相互干涉由所述图像采集组件采集成像，得到全息图像。
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样品槽(10)。
进一步地，所述图像采集组件为COMS图像传感器；所述图像处理组件还对微塑料样品进行三维形貌恢复。
本发明还提供了一种全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测方法，通过双波长迭代算法恢复样品的三维形貌，包括如下步骤：
步骤S1：红光波长设置为λ1，绿光波长设置为λ2，将记录面的复振幅在λ1下进行数值模拟传播到样品平面；
步骤S2：将相位用原始相位乘λ1/λ2，振幅不变；
步骤S3：在λ2处，将更新后的样品平面波的波前向CMOS图像传感器平面回传播；
步骤S4：将振幅用绿光下的全息图样的振幅代替；
步骤S5：将更新后的波前在λ2传播到样品平面；
步骤S6：振幅不变，相位用原始相位乘λ2/λ1；
步骤S7：在λ1处，将更新后的样品平面波的波前向探测器平面回传播；
步骤S8：振幅用红光下的全息图样的振幅替代，重复步骤S1-S5直到达到收敛状态。
进一步地，所述方法还包括利用CMOS图像传感器得到样品的全息图样，通过三维形貌获得样品长度、宽度和厚度信息的步骤。
进一步地，所述方法还包括利用全息条纹的中央亮斑面积与三维图像的长度、宽度以及厚度总和的比值对微塑料进行检测的步骤。
进一步地，所述方法还包括利用全息条纹的中央亮斑面积与三维图像的长度、宽度以及厚度乘积的比值对微塑料进行检测的步骤。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的微塑料检测装置，可获得样品的二维、三维形貌。相比光学显微镜，本装置适合现场的快速检测，具有价格低、质量轻、体积小的优点。
2、本发明方法利用双波长无透镜全息技术对海洋中的微塑料进行检测，相比于其他的全息三维形貌技术，在恢复三维形貌时算法不需要解包裹步骤，大大简化了数据处理步骤，节省了时间。
基于上述理由本发明可在对海洋中微塑料检测等领域广泛推广。
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做以简单地介绍，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为本发明双波长迭代算法步骤流程图。
图中：1、光源驱动组件；2、光源；3、微孔组件；4、光传播组件；5、微流控芯片；6、图像采集组件；7、图像处理组件；8、聚二甲基硅氧烷片；9、载玻片；10、样品槽；11、检测区域。
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。
由于海洋中的微塑料与其他样品形成的全息图像不同，其形成的全息图样特征就不同，根据上述原理本发明涉及了基于全息条纹中央亮斑面积与三维图像尺寸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，本发明提供了全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置，包括：依次连接的光源驱动组件1、光源2、微孔组件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。光源驱动组件1为单片机、光源2为发光二极管，单片机自动控制发光二极管的亮灭，顺序点亮红光和绿光，光透过微孔组件3将部分相干光发散成球面波，经过所述光传播组件4照射微流控芯片5，传播一段距离后到达样品台组件，不需要单独引入参考光波，物体的透射光为参考光波，散射光为物光波，参考光波和物光波相互干涉由图像采集组件6(COMS图像传感器)采集成像，得到全息图像。全息图像被送至与微流控芯片5相连接的图像处理组件7进行图像分析，得到微塑料形成的全息图像尺寸比值。通过双波长迭代算法恢复样品的三维形貌，通过三维形貌获得样品长度、宽度和厚度信息。
如图2所示，微流控芯片5包括聚二甲基硅氧烷片8和载玻片9，聚二甲基硅氧烷片8依次凹刻有检测区域11，所述检测区域11两端对称连接样品槽10。
如图3所示，本发明还提供了全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测方法，通过双波长迭代算法恢复样品的三维形貌，包括如下步骤：
步骤S1：红光波长设置为λ1，绿光波长设置为λ2，将记录面的复振幅在λ1下进行数值模拟传播到样品平面；
步骤S2：将相位用原始相位乘λ1/λ2，振幅不变；
步骤S3：在λ2处，将更新后的样品平面波的波前向CMOS图像传感器平面回传播；
步骤S4：将振幅用绿光下的全息图样的振幅代替；
步骤S5：将更新后的波前在λ2传播到样品平面；
步骤S6：振幅不变，相位用原始相位乘λ2/λ1；
步骤S7：在λ1处，将更新后的样品平面波的波前向探测器平面回传播；
步骤S8：振幅用红光下的全息图样的振幅替代，重复步骤S1-S5直到达到收敛状态。
实施例1
利用全息条纹的中央亮斑面积与三维图像的长度、宽度以及厚度总和的比值对微塑料进行检测；微塑料的尺寸不同中央亮斑面积与三维图像的长度、宽度以及厚度总和的比值不同。
实施例2
利用全息条纹的中央亮斑面积与三维图像的长度、宽度以及厚度乘积的比值对微塑料进行检测；微塑料的尺寸不同中央亮斑面积与三维图像的长度、宽度以及厚度乘积的比值不同。
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 (3)

1.一种全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置，其特征在于，所述装置包括：依次连接的光源驱动组件(1)、光源(2)、微孔组件(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)；
所述图像采集组件(6)采集微流控芯片(5)检测区域(11)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微流控芯片(5)相连接的图像处理组件(7)进行图像分析，得到微塑料形成的全息图像尺寸比值；所述图像处理组件(7)还对微塑料样品进行三维形貌恢复；所述图像采集组件(6)为COMS图像传感器；
具体的，所述图像处理组件(7)通过双波长迭代算法恢复微塑料样品的三维形貌，包括如下步骤：
步骤S1：红光波长设置为λ1，绿光波长设置为λ2，将记录面的复振幅在λ1下进行数值模拟传播到样品平面；
步骤S2：将相位用原始相位乘λ1/λ2，振幅不变；
步骤S3：在λ2处，将更新后的样品平面波的波前向CMOS图像传感器平面回传播；
步骤S4：将振幅用绿光下的全息图样的振幅代替；
步骤S5：将更新后的波前在λ2传播到样品平面；
步骤S6：振幅不变，相位用原始相位乘λ2/λ1；
步骤S7：在λ1处，将更新后的样品平面波的波前向探测器平面回传播；
步骤S8：振幅用红光下的全息图样的振幅替代，重复步骤S1-S5直到达到收敛状态；
步骤S9：利用CMOS图像传感器得到样品的全息图样，通过三维形貌获得样品长度、宽度和厚度信息；
步骤S10：利用全息条纹的中央亮斑面积与三维图像的长度、宽度以及厚度总和的比值对微塑料进行检测；
步骤S11：利用全息条纹的中央亮斑面积与三维图像的长度、宽度以及厚度乘积的比值对微塑料进行检测。
2.根据权利要求1所述的全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置，其特征在于，所述光源驱动组件(1)为单片机、所述光源(2)为发光二极管，所述单片机自动控制发光二极管的亮灭，顺序点亮红光和绿光，光透过所述微孔组件(3)将部分相干光发散成球面波，经过所述光传播组件(4)照射所述微流控芯片(5)，传播一段距离后到达样品台组件，不需要单独引入参考光波，物体的透射光为参考光波，散射光为物光波，参考光波和物光波相互干涉由所述图像采集组件(6)采集成像，得到全息图像。
3.根据权利要求1或2所述的全息条纹中央亮斑面积与尺寸比值微塑料检测装置，其特征在于，所述微流控芯片(5)包括聚二甲基硅氧烷片(8)和载玻片(9)，所述聚二甲基硅氧烷片(8)依次凹刻有检测区域(11)，所述检测区域(11)两端对称连接样品槽(10)。
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