浮游生物偏振成像仪的制作方法

本实用新型属于光学成像技术领域，具体地说是一种浮游生物体成像设备。

背景技术：

浮游生物是水体生物系统生产过程的核心之一，是生态系统中重要的类群，是水体食物网的基础和关键组成部分。由于浮游生物的复杂特点，当前浮游生物观测研究面临的技术难题，是难以在大范围的时空尺度上快速测量其种类组成和数量的变化。

目前，利用图像处理和模式识别技术进行浮游生物的自动分类与计数已成为长时间序列海洋浮游生物研究的热点。水中原位成像系统迅速发展，应用较为广泛的有水下视频剖面仪(Underwater Video Profiler，UVP)和浮游生物视频记录器(Video Plankton Recorder，VPR)。这两种系统均采用光学成像手段，对浮游生物体的大小、形状和纹理进行分析，可实现形态不同的类群鉴别。由于某些浮游生物门类在个体发育过程中会出现显著的形态变化，并且存在几种不同的浮游生物叠加在一张图像的现象，尤其对于共生生物的图像处理技术尚未得到有效解决，浮游生物体的鉴别精度有待于提高。相对于普通光源的成像技术，偏振光成像可以获得生物体的细胞生理方面信息。鉴别浮游生物的类群，不仅需要判别其大小、形状以及其他形态，其生物体的内部结构因素也应考虑。因此，对浮游生物开展偏振成像探测，分析其光散射和吸收特性，解决浮游生物图像信息不清晰造成门类鉴别错误的问题，有助于对海洋浮游生物甚至海洋生态环境的研究。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于偏振光散射和吸收机理的浮游生物体成像设备，用于水体中浮游生物体偏振成像信息的采集，解决浮游生物图像信息不清晰造成门类鉴别错误的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种浮游生物偏振成像仪，包括设备外壳及设置于所述设备外壳内的偏振检测光路系统、供电控制器、进样室、传感器集成舱及图像采集器，其中设备外壳内设有光路通道，所述偏振检测光路系统设置于所述光路通道内，所述供电控制器、传感器集成舱及图像采集器设置于所述光路通道的外侧，所述进样室设置于所述传感器集成舱内、并且底部嵌设于所述光路通道内，所述偏振检测光路系统用于对所述进样室内的浮游生物体偏振成像，所述图像采集器用于将偏振检测光路系统捕获的图像进行采集和存储，所述供电控制器用于为偏振检测光路系统和传感器集成舱提供电源。

所述偏振检测光路系统包括沿光路依次设置的单模激光二极管、针孔滤波器、透镜、起偏器、水体测样窗、显微成像透镜组、检偏器及数码摄像机，其中水体测样窗设置于所述进样室内，所述单模激光二极管和数码摄像机与供电控制器连接。

所述水体测样窗采用晶体材料制作。

所述单模激光二极管的发射光方向与水体测样窗的进水方向垂直。

所述单模激光二极管提供偏振光源，其发射波长应在数码摄像机的感光范围内。

所述单模激光二极管的光束中心、针孔滤波器的中心及透镜的中心光轴位于同一直线上。

所述数码摄像机的感光面位于显微成像透镜组的焦面处。

所述设备外壳采用防腐蚀材料制作。

所述进样室和传感器集成舱采用开放式结构，所述传感器集成舱内设有可供电的水密接插头，用于安装水体环境参数传感器。

所述偏振检测光路系统、供电控制器和图像采集器均采用耐压和水密结构，电路连接采用水密接头。

本实用新型的优点和有益效果是：

1.本实用新型通过采用偏振成像技术，利用浮游生物体对偏振光的散射和吸收特性，提取其大小、形状、纹理、以及细胞生理方面信息，有效保证所捕获图像中生物个体信息的区分。

2.本实用新型的偏振光源，是由单模激光二极管发出，经针孔滤波器和透镜准直，并采用起偏器将发射光的偏振状态进行限定，获取具有高质量的偏振平行光束。

3.本实用新型通过设置显微成像透镜组和高分辨率的数码摄像机，将浮游生物体的成像进行放大采集，获得清晰的生物体结构和纹理信息。

4.本实用新型的传感器集成舱位于进样室两侧，并采用开放式结构，有利于传感器的集成和水体环境参数的采集，方便辅助浮游生物生长环境的研究。

5.本实用新型中起偏器和检偏器配合单模激光二极管的偏振特性使用，防止环境背景光偏振信号的影响。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中偏振检测光路系统的结构示意图。

其中：1为偏振检测光路系统，2为设备外壳，3为供电控制器，4为进样室，5为传感器集成舱，6为图像采集器，7为单模激光二极管，8为针孔滤波器，9为透镜，10为起偏器，11为水体测样窗，12为显微成像透镜组，13为检偏器，14为数码摄像机。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

如图1所示，本实用新型提供的一种浮游生物偏振成像仪，包括设备外壳2及设置于设备外壳2内的偏振检测光路系统1、供电控制器3、进样室4、传感器集成舱5及图像采集器6，其中设备外壳2内设有光路通道，偏振检测光路系统1设置于光路通道内，供电控制器3、传感器集成舱5及图像采集器6设置于光路通道的外侧，进样室4设置于传感器集成舱5内、并且底部嵌设于光路通道内，偏振检测光路系统1用于对进样室4内的浮游生物体偏振成像，图像采集器6用于将偏振检测光路系统1捕获的图像进行采集和存储，供电控制器3用于为偏振检测光路系统1和传感器集成舱5提供电源。

如图2所示，偏振检测光路系统1包括沿光路依次设置的单模激光二极管7、针孔滤波器8、透镜9、起偏器10、水体测样窗11、显微成像透镜组12、检偏器13及数码摄像机14，其中水体测样窗11设置于进样室4内，单模激光二极管7和数码摄像机14与供电控制器3连接。

水体测样窗11采用晶体材料制作，如采用K9玻璃、石英或蓝宝石等透光率和耐压强度较高的晶体材料。进样室4中装水体测样窗11，进样室4的内壁需采用与水体测样窗11相同的晶体材料，或在水体测样窗11处采用重叠结构，即水体测样窗11的透光部分与该处的进样室4内壁是同一部件。经由水体测样窗11的透光部分的偏振平行光不发生折射。

单模激光二极管7的发射光方向与水体测样窗11的进水方向垂直。单模激光二极管7提供偏振光源，其发射波长应在数码摄像机14的感光范围内。单模激光二极管7的光束中心、针孔滤波器8的中心及透镜9的中心光轴位于同一直线上。

数码摄像机14采用高分辨率的数码摄像机，数码摄像机14的感光面位于显微成像透镜组12的焦面处。

设备外壳2采用海洋应用型防腐蚀材料制作，如碳钢衬聚乙烯复合材料、低合金海水用钢、或钛基纤维复合材料等。

供电控制器3为传感器集成舱5、单模激光二极管7和数码摄像机14提供不同的电源输出，并同步控制传感器集成舱5、单模激光二极管7和高分辨率的数码摄像机14的工作时间。

偏振检测光路系统1、供电控制器3和图像采集器6均采用耐压和水密结构，电路连接采用水密接头。传感器集成舱5和进样室4采用开放式结构，并在传感器集成舱5内设有可供电的水密接插头，用于安装水体环境参数传感器，包括溶解氧、温盐深(CTD)、浊度计等。

偏振检测光路系统1的工作原理是：

单模激光二极管7发射激光束，经由针孔滤波器8和透镜9，将激光束扩数为单波长的平行光束。单模激光二极管7的光束中心、针孔滤波器8的中心、以及透镜9的中心光轴在同一直线上。起偏器10将单波长平行光束的偏振态进行限制，使偏振光平行入射到水体测样窗11上，进入水体照射浮游生物体。显微成像透镜组12将水中浮游生物体的散射和透射光进行放大成像，有利于获得结构分明的浮游生物体形态。显微成像透镜组12和高分辨率的数码摄像机14构成浮游生物成像光路，高分辨率的数码摄像机14的感光面位于显微成像透镜组12的焦面处。水体测样窗11在垂直于水流通方向上的界面间距离，要小于浮游生物成像光路的景深，保证清晰地浮游生物体成像。浮游生物成像光路的具体景深应满足：

式中，ΔL₁为前景深，ΔL₂为后景深，f为成像光路焦距，F为成像光路的有效光圈值，δ为容许弥散圆直径，L为对焦距离。

检偏器13采用水平方向偏振和垂直方向偏振转换的方式，高分辨率的数码摄像机14获得不同偏振度的浮游生物体图像。具体偏振度应满足：

总偏振度:

线偏振度:

圆偏振度:

式中，I为水平偏振态分量和竖直偏振态分量之和，即总光强；q为水平偏振态分量和竖直偏振态分量的差；u为45°偏振态分量与-45°偏振态分量的差；v为右旋偏振态分量与左旋偏振态分量的差。

综上所述，供电控制器3控制浮游生物偏振成像仪的启动和关闭。在浮游生物偏振成像仪的启动后，单模激光二极管7发射激光束，经由针孔滤波器8、透镜9和起偏器10，将激光束扩数为单波长的偏振平行光束，照射到水体中浮游生物体上的散射和透射光，经由显微成像透镜组12和检偏器13后，被高分辨率的数码摄像机14接收，其成像由图像采集器6进行采集和存储。传感器集成舱5内安装的设备同步采集浮游生物偏振成像仪工作期间的水体环境参数。

本实用新型为海洋浮游生物研究中浮游生物的自动分类提供了一种偏振成像探测方式，其一方面获取浮游生物体的大小、形状和纹理信息，另一方面获得浮游生物体内部的偏振光散射和透光特性，以提取生物体的细胞生理方面信息。本实用新型可应用于各类水体中的移动或固定测量平台，也可以单独使用，实现了水中浮游生物图像偏振信息的测量，能够对水体中浮游生物的分布、丰度、形态以及内部结构等特征进行测量，有效解决浮游生物图像采集过程中存在不同浮游生物间、浮游生物与悬浮颗粒间的图像重叠现象，为浮游生物分类提供了生物体内部结构的散射信息。

本实用新型通过偏振成像方式获得浮游生物体的内部结构因素，结合其大小、形状以及其他形态，解决浮游生物图像信息不清晰造成门类鉴别错误的问题，有助于对水体生态环境和浮游生物的研究。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本实用新型的保护范围内。