本發(fā)明涉及偏振數(shù)字全息術(shù)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及使用偏振數(shù)字全息術(shù)進(jìn)行微塑料識(shí)別的方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、微塑料是近年來(lái)成為主要環(huán)境關(guān)注焦點(diǎn)的小型塑料顆粒。它們可以通過(guò)各種來(lái)源進(jìn)入環(huán)境。識(shí)別和量化微塑料對(duì)于解問(wèn)題的規(guī)模和范圍，并制定有效的解決策略至關(guān)重要。然而，小尺寸和多樣范圍的微塑料使得識(shí)別和量化微塑料具有挑戰(zhàn)性。

2、為解決海洋污染問(wèn)題，水陸兩用數(shù)字全息裝置是一種緊湊且便攜的內(nèi)置設(shè)備，能夠在不同環(huán)境中檢測(cè)各種尺寸的微塑料樣本。從硬件和軟件方面，所述裝置預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)高分辨率成像和高準(zhǔn)確度識(shí)別/分類(lèi)的進(jìn)步。

3、然而，不穩(wěn)定的背景環(huán)境可能使得所述裝置提供的識(shí)別變得困難。例如，在水相中進(jìn)行微塑料檢測(cè)的圖像質(zhì)量相對(duì)較低，這是由于成像中的光散射造成的。此外，實(shí)現(xiàn)在空氣和水域環(huán)境中對(duì)微塑料進(jìn)行高通量分類(lèi)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)也很困難。

4、目前，傳統(tǒng)的全息裝置可能不適合所需的檢測(cè)條件。一些現(xiàn)有的全息裝置需要大量額外的光學(xué)組件，如鏡子或顯微鏡目鏡，這可能會(huì)使其配置復(fù)雜化。整合不同的功能組件，如電源、處理器單元和防水外殼，也可能具有挑戰(zhàn)性，但這是必要的，以支持在實(shí)地使用的便攜式、實(shí)時(shí)裝置的功能。此外，還必須考慮水下性能，因?yàn)樵O(shè)計(jì)用于水下情景中目標(biāo)微塑料的全息裝置需要封閉的外殼組件來(lái)支持其潛水能力。

5、因此，有必要通過(guò)一種快速簡(jiǎn)單的方法改進(jìn)數(shù)字全息裝置在微塑料識(shí)別方面的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、在本公開(kāi)中，提供一種基于偏振數(shù)字全息成像特征利用深度學(xué)習(xí)模型評(píng)估微塑料(microplastic，mp)形態(tài)參數(shù)和材料類(lèi)型的新方法。分析表明，這種方法能夠有效地識(shí)別和分類(lèi)不同類(lèi)型的微塑料材料。提供的方法引入一種實(shí)時(shí)、高通量的微塑料分析器，利用多維信息增強(qiáng)微塑料的定量化，并為處理策略提供參考。此外，所述方法具有高分類(lèi)準(zhǔn)確度、魯棒性和普適性，使其成為未來(lái)評(píng)估和管理微塑料污染的有前景的工具。

2、微塑料污染物已經(jīng)成為全球環(huán)境關(guān)注的焦點(diǎn)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)和應(yīng)用各種檢測(cè)方法，包括基于成像、熱和化學(xué)分析技術(shù)。實(shí)際的微塑料檢測(cè)通常需要使用多種方法來(lái)獲得可靠的結(jié)果。將熱和化學(xué)技術(shù)與基于成像的方法相結(jié)合，可以提供更全面的微塑料檢測(cè)方法。識(shí)別和量化微塑料顆粒及其化學(xué)成分和形態(tài)分布是非?？扇〉摹＝陙?lái)，一些新興的成像技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到微塑料檢測(cè)領(lǐng)域。這些成像技術(shù)可以為微塑料的識(shí)別和分析提供有價(jià)值的信息，并可能帶來(lái)對(duì)環(huán)境中微塑料分布和影響的新見(jiàn)解。例如，已經(jīng)測(cè)試中子和x射線層析成像相結(jié)合來(lái)檢測(cè)沙質(zhì)沉積物中的微塑料顆粒。此外，流式細(xì)胞術(shù)(flowcam)可用于檢測(cè)和分析水樣中的微塑料，將高分辨率成像與流式細(xì)胞術(shù)相結(jié)合，以捕獲顆粒的圖像。隨著更多技術(shù)的發(fā)展，可以獲得更多的微塑料特征。我們可以進(jìn)一步探索增強(qiáng)新先進(jìn)技術(shù)與當(dāng)前微塑料檢測(cè)方法集成的可能性。

3、然而，微塑料分析仍存在復(fù)雜的情況。例如，真實(shí)海水樣本中存在多重散射和吸收，通常與大量雜質(zhì)混合，影響成像效果。已經(jīng)初步證明，本公開(kāi)的成像系統(tǒng)能夠透過(guò)散射介質(zhì)并獲取關(guān)于物體的多模態(tài)信息。結(jié)果表明，偏振特征可以大幅提高圖像對(duì)比度，即使在高渾濁水域中也是如此。

4、本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于水域微塑料識(shí)別的裝置和方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。

5、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種基于偏振數(shù)字全息水域微塑料識(shí)別的裝置。所述裝置包括激光源、偏振攝像機(jī)、取樣通道、記錄儀和形態(tài)分析模塊。激光源配置為提供激光束。偏振攝像機(jī)位于激光源下方，使所述激光源與所述偏振攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)，以與所述偏振攝像機(jī)光學(xué)耦合，并將所述激光束發(fā)射到所述偏振攝像機(jī)。所述偏振攝像機(jī)包括安裝在所述偏振攝像機(jī)前方的偏振器，以與所述偏振攝像機(jī)的攝像機(jī)鏡頭光學(xué)耦合，并致能所述攝像機(jī)鏡頭同時(shí)獲取不同偏振態(tài)的圖像。所述取樣通道位于所述激光源和所述偏振攝像機(jī)之間。所述記錄儀與所述偏振攝像機(jī)電耦合，且所述偏振攝像機(jī)還用于在取樣通道中拍攝微塑料樣本的取樣圖像并將其傳輸?shù)剿鲇涗泝x。所述形態(tài)分析模塊與所述記錄儀電耦合，用于訪問(wèn)所述記錄儀進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和分析，以對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行分類(lèi)。所述形態(tài)分析模塊根據(jù)所述取樣圖像顯示的目標(biāo)波和參考波疊加產(chǎn)生的干涉圖案對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行分類(lèi)。

6、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種水域微塑料識(shí)別裝置。所述裝置包括外殼、激光源、偏振攝像機(jī)和微處理器。所述殼體具有第一空間和第二空間，所述第一空間和所述第二空間相互隔開(kāi)，以在中間產(chǎn)生樣本通道。所述激光源設(shè)置在所述第一空間內(nèi)，用于向所述樣本通道發(fā)射至少一道光束。所述偏振攝像機(jī)設(shè)置在所述第二空間內(nèi)，其中所述激光源與所述偏振攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)，以與所述偏振攝像機(jī)光學(xué)耦合，并將激光束發(fā)射到所述偏振攝像機(jī)。所述偏振攝像機(jī)包括安裝在所述偏振攝像機(jī)前方的偏振器，以與所述偏振攝像機(jī)的攝像機(jī)鏡頭光學(xué)耦合，并致能所述攝像機(jī)鏡頭同時(shí)獲取不同偏振態(tài)的圖像。所述微處理器與所述偏振攝像機(jī)電耦合，其應(yīng)用形態(tài)分析模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和分析，以便對(duì)取樣通道內(nèi)的微塑料(microplastic，mp)樣本進(jìn)行分類(lèi)。所述形態(tài)分析模塊根據(jù)所述偏振攝像機(jī)拍攝的取樣圖像顯示的目標(biāo)波和參考波疊加產(chǎn)生的干涉圖案對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行分類(lèi)。

7、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種水域微塑料識(shí)別方法。所述方法包括以下步驟：從激光源發(fā)射激光束，使激光束穿過(guò)取樣通道中含有微塑料樣本的液體樣本，再穿過(guò)偏振器，并被偏振攝像機(jī)接收；用所述偏振攝像機(jī)捕捉所述微塑料樣本的取樣圖像，其中取樣圖像包括目標(biāo)波和參考波疊加產(chǎn)生的干涉圖案；以及將所述干涉圖案輸入形態(tài)分析模塊，利用輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional?neural?network，cnn)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和分析，從而對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行分類(lèi)。

技術(shù)特征：

1.一種基于偏振數(shù)字全息技術(shù)進(jìn)行水域微塑料識(shí)別的裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述形態(tài)分析模塊對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行的分類(lèi)包括對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行分割、測(cè)量和計(jì)數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述偏振器具有四個(gè)方向，其代表不同的偏振態(tài)區(qū)域，分別為0°、45°、90°、135°四種不同的偏振態(tài)。

4.權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述偏振器采用斯托克斯(stokes)掩膜偏振器。

5.權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，包括：

6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括兩個(gè)管子，其連接到所述取樣通道的相對(duì)兩側(cè)表面，用于促進(jìn)所述取樣通道中液體的流入和流出。

8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括：

9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述取樣通道是由透明石英玻璃制成的透光流體通道。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述形態(tài)分析模塊包括一個(gè)輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional?neural?network，cnn)模型。

11.一種用于識(shí)別水域微塑料的設(shè)備，其特征在于，包括：

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，還包括透鏡，設(shè)置在所述第一空間內(nèi)，并在所述激光源和所述偏振攝像機(jī)之間光學(xué)耦合，其中所述透鏡用于在所述光束通過(guò)所述取樣通道之前準(zhǔn)直所述光束。

13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述微處理器的所述形態(tài)分析模塊對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行的分類(lèi)包括對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行分割、測(cè)量和計(jì)數(shù)。

14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述偏振器具有四個(gè)方向，其代表不同的偏振態(tài)區(qū)域，分別為0°、45°、90°、135°四種不同的偏振態(tài)。

15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其特征在于，所述偏振器采用斯托克斯(stokes)掩膜偏振器。

16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述微處理器的所述形態(tài)分析模塊包括輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional?neural?network，cnn)模型。

17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微處理器還用于響應(yīng)所述偏振攝像機(jī)拍攝的圖像，生成至少一偏振角(angle?of?polarization；aop)圖像和至少一線性偏振度(degree?of?linear?polarization；dolp)圖像。

18.一種水域微塑料識(shí)別方法，其特征在于，包括：

19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，微處理器的所述形態(tài)分析模塊對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行的分類(lèi)包括對(duì)所述微塑料樣本進(jìn)行分割、測(cè)量和計(jì)數(shù)。

20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述偏振器具有四個(gè)方向，其代表不同的偏振態(tài)區(qū)域，分別為0°、45°、90°、135°四種不同的偏振態(tài)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種水域微塑料識(shí)別的方法。該方法包括以下步驟：從激光源發(fā)射激光束，使激光束穿過(guò)樣品通道中含有微塑料樣品的液體樣品，然后通過(guò)偏振器，再被偏振攝像機(jī)接收；通過(guò)偏振攝像機(jī)捕獲微塑料樣品的樣品圖像，其中樣品圖像包括由目標(biāo)波和參考波疊加而成的干涉圖案；將干涉圖案輸入形態(tài)分析模塊，通過(guò)使用輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和分析，以對(duì)微塑料樣品進(jìn)行分類(lèi)。

技術(shù)研發(fā)人員：朱琰珉,李鈺星,林彥民
受保護(hù)的技術(shù)使用者：香港大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10