一种叶绿素荧光探测装置以及探测方法

摘要

本发明公开了一种叶绿素荧光探测装置，包括激发植物的激发光源，采集植物图像的摄像单元，控制单元以及用于容纳植物、激发光源和摄像单元的避光空间，所述控制单元通过调节激发光源的驱动电路控制信号的占空比使激发光源发出不同光强的测量光和作用光，所述激发光源发出作用光时的控制信号的间歇区间内插入测量光脉冲的控制信号，所述摄像单元的采集图像的控制信号与测量光脉冲的控制信号保持一致；本发明还公开了一种叶绿素荧光探测方法；本发明的装置和方法，通过同一光源实现探测和激发待测植物，实现叶绿素荧光图像的实时动态显示，提高叶绿素探测的效率和准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及荧光检测技术领域，特别涉及一种叶绿素荧光探测装置以 及探测方法。

背景技术

光合作用是地球上最重要的化学反应之一，它利用太阳光能裂解水释 放出了地球上绝大多数所需要的氧气，同时固定大气中的二氧化碳为葡萄 糖为新陈代谢提供能量。在光合作用的光反应过程，将所吸收的光能进行 传递。在将光能转换为电能的过程中，有一部分光能损耗以较长波长的荧 光方式释放。叶绿素荧光和光合作用有着十分密切的关系，很多光合作用 过程的变化都可通过叶绿素荧光反映出来，叶绿素荧光测量具有快速、可 靠、灵敏、对样品无损伤等特点，这些优点使其得以迅速发展。

以往的叶绿素荧光探测过程难以同时满足叶绿素荧光探测过程中所 必需的光照大强度、均匀性、成像探测等条件，使用范围受到限制。

授权公告号为CN201310026148的专利文献公开了一种基于光谱成像 技术的植物健康状况检测方法，包括的步骤为：先利用蓝光从顶部照射活 体植物，激发活体植物的类胡萝卜素荧光和叶绿素荧光，用多光谱相机采 集植物的荧光图像；再利用白光从顶部照射活体植物，用多光谱相机采集 植物的可见光图像；对植物的可见光图像和荧光图像进行图像处理，得到 植物叶片部位的灰度图；提取荧光图像中绿光、红光和近红外三个分量荧 光图像，计算三个分量荧光图像中植物叶片的颜色、纹理特征参数，判别 出健康与受胁迫的植物；提取可见光图像中，植物叶片的形状参数，得到 植物叶片的外部轮廓信息，判别出完整和有机械损伤的植物。该专利文献 中叶绿素荧光探测过程的光源仅使用了led，但没有进行进一步的说明， 不能对相机视野内的光照均匀性做出保证，也不能保证作用光照的大强度。

公告号为CN201410290704的专利文献公开了一种基于叶绿素荧光及 成像技术的植物病害检测方法即装置，该装置放置于光照箱内，蓝色LED 灯作为激发光源，呈等边三角形结构，能实现稳定均匀的光照，用于激发 植物叶片的叶绿素荧光，彩色高速相机和可调镜头前置红色滤光片，用于 过滤干扰光，采集叶绿素荧光图像。通过图像预处理、图像分割和特征提 取等步骤，可以将叶片与背景分离，获得以主叶脉为中心位置的像素区域 的子图像，并计算叶片的纹理特征和叶脉特征参数，最后通过分类器计算， 可以将植物分类为健康和病害两类。该专利文献中叶绿素荧光探测过程的 光源使用了三个led光源的三角排布，没有进一步说明，不能保证相机视 野内的光照均匀性全部达到，且作用光照的大强度也不能保证。

发明内容

本发明提供了一种叶绿素荧光探测装置，通过合理设置光源的光照频 率以及图像摄取频率，使植物对光照反应的同时完成叶绿素荧光探测，有 效提高探测效率，实现可调控的探测图像动态显示。

一种叶绿素荧光探测装置，包括激发植物的激发光源，采集植物图像 的摄像单元，控制单元以及用于容纳植物、激发光源和摄像单元的避光空 间，所述控制单元通过调节激发光源的驱动电路控制信号的占空比使激发 光源发出不同光强的测量光和作用光，所述激发光源发出作用光时的控制 信号的间歇区间内插入测量光脉冲的控制信号，所述摄像单元的采集图像 的控制信号覆盖测量光脉冲的控制信号。通过调节测量光的频率和脉宽实 现图像采集频率的调节和采集图像的动态显示。

在叶绿素荧光探测过程中需要提供不同强度的测量光和作用光，强度 最弱为测量光，作用光种类较多，例如强度中等的光化光和强度最强的饱 和光。利用植物对光的化学反应相对较慢的特点，调节激发光源的驱动电 路的控制信号的占空比，使单一激发光源发出不同种类的光且在平均光强 上达到光照要求。激发光源也可以单独发射测量光。

叶绿素荧光的摄像单元常见的使用CCD相机，激发光源的均匀光照 的面积与CCD相机的视场大小相适应，保证CCD相机整个视场内照明的 均匀性。

为了实现叶绿素荧光图像的实时动态显示，在LED灯控制信号的间 歇区间(空闲区间)内，插入测量光脉冲，同时，CCD采集图像的控制 信号覆盖测量光脉冲的控制信号以得到叶绿素荧光图像，实现叶绿素荧光 图像的实时动态显示，为了提高装置效能，CCD采集图像的控制信号与 叶绿素荧光的测量光脉冲的控制信号保持一致。

为保证周围环境光照对荧光探测的干扰，叶绿素荧光探测的相关的过 程应在屏蔽环境光的封闭环境中实现。

在调制式叶绿素荧光探测过程中，通常所需的作用光包括光化光和饱 和光，优选的，所述作用光照包括光强强度不同的光化光和饱和光。与叶 绿素荧光探测相关的光强可分为测量光光强约0.1μmolphotonsm^-2s^-1，饱 和光>6000μmolphotonsm^-2s^-1，光化光为几百μmolphotonsm^-2s^-1。

测量光的脉宽为5～100μs，周期为1/8～1s；光化光的脉宽为5～300μs,周 期为2～4倍测量光的周期；饱和光的脉宽55ms以上，周期60ms以上。

为了提高光强以及光照区域的光照分布均匀性，优选的，所述激发光 源包括多个围绕摄像单元布置的LED灯，所述摄像单元的视场区域内具 有所有LED灯的光照重叠的照明目标区域。为了合理布置和安装LED灯， 所述视场区域位于照射区域的中心。

为了提高均匀性和光强，进一步优选的，所述LED灯自内向外设有 至少三圈，每圈至少设有六个。

为了实现激发光源的大强度，激发光源为由多个LED灯组成的阵列。 确定LED灯的数量应首先确定单个LED灯所能实现的最大光强，通过所需 实现的最大光强进行计算来确定所需LED灯的个数的下限，优选的，所述 LED灯的总数量通过以下公式计算得到：

上式中，E_饱和光为作用光所需的最大光强，E_蓝为单个蓝光光子的能量， D_半径为照射区域的光照半径，E_灯为单个LED灯的出射光通量，T_转换为人 眼对555nm波长光通量与光功率转换，V为对460nm波长蓝光的视见函数。

同时，为了实现激发光照的均匀性，对LED灯的排布进行优化。设 定照明均匀性评价函数、通过不断地优化迭代，对LED灯的排布方式进 行确定。优选的，所有LED灯围绕摄像单元圆形排布且光照重叠的照明 目标区域具有均匀的光照强度分布。

优选的，得到均匀的光照强度分布的具体步骤如下：

(1)设定照明评价函数MF为：

MF＝WF1×(I-I₀)+WF2×SD

上式中，I为当前照明强度，I₀为目标照明强度，SD为照明目标区域 内的光照强度的标准差，WF1和WF2为评价函数中的权重；0.2≤WF1≤ 0.4，0.6≤WF2≤0.8。

(2)设定LED灯的数量、圆形排布的半径为优化变量，根据圆形排 布半径可容忍最小和最大范围设定优化范围，通过优化算法使得照明评价 函数MF最小，得到LED灯阵列的排布数据。

可以采用的优化算法种类较多，优选的，步骤(2)中的优化算法采 用退火算法。

激发光与荧光可认为是同时出现，荧光探测器需要对这两种光进行区 分。现有技术中一般利用叶绿素荧光谱段为红色谱段的特点和叶片利用红 光和蓝光进行光合作用的特点，将激发光的出射谱段定为蓝色。这样CCD 相机前加入红色滤光片即可将激发光与荧光区分开。

本发明还公开了一种叶绿素荧光探测方法，使用上述的叶绿素荧光探 测装置，包括以下步骤：

(1)开启激发光源照射待测植物，激发光源发出的光包括测量光和 作用光，所述激发光源发出作用光时的控制信号的间歇区间发射测量光脉 冲的控制信号；

(2)开启摄像单元采集测量光激发的叶绿素荧光图像。

本发明装置可以实现激发光照大强度和均匀性，激发光与叶绿素荧光 区分，单一光源出射不同强度光照，以及荧光图像实时动态显示。

本发明的有益效果：

本发明的装置和方法，通过同一光源实现探测和激发待测植物，实现 叶绿素荧光图像的实时动态显示以及更高的刷新频率，提高叶绿素探测的 效率和准确性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的激发光源的结构示意图。

图3为单个LED灯作为激发光源的光照强度分布图。

图4为本发明的激发光源的光照强度分布图。

图5为本发明的LED灯的驱动电路控制信号和CCD相机采集图像控 制信号分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的叶绿素荧光探测装置包括：作为激发光源的 LED照明光源1，作为摄像单元的CCD相机2，CCD相机2前设有红色 滤光片3，容纳植物、激发光源和摄像单元的封闭箱体4，输出控制信号 控制激发光源的占空比的FPGA模块5，计算机6以及电源7。

FPGA模块5同时输出CCD控制信号与测量光的控制信号保持同步， FPGA与计算机通过串口进行通信，最终由计算机发出控制信号。CCD相 机2采集的数据由计算机进行处理。

LED照明光源1由多个LED灯构成，以下以调制式叶绿素荧光探测 过程为例，设计LED灯的布置，调制式叶绿素荧光探测过程对所需光强 要求最大的是饱和光，光子流密度大于10000μmolphotonsm^-2s^-1，此为光 源应能满足的最低光照条件。

本实施例中选取的单个LED灯的出射光通量约45lm，出射蓝光的波 长约为460nm。考虑到光能利用率为93.4％，人眼对555nm波长光通量与 光功率转换为683lm*m^-2＝1W*m^-2，以及对460nm波长蓝光的视见函数为 0.06，若要形成半径为90mm的圆形区域(大于CCD相机2视场区域) 的光照区域，选取最大照明光子流为10000μmolphotonsm^-2s^-1，则所需 LED灯总数至少为：

由于LED灯光通量无法全部进入CCD相机2的视场区域内，且为了 占空比的调节，最终LED灯的数量应在此数值基础上留有一定余量。LED 灯阵列的排布选取围绕CCD相机2的圆形排布，图2为排布的结构示意 图。单个LED灯在CCD相机2的视场区域平面内照明分布如图3所示， 本实施例上述设定数量的LED灯在CCD相机2的视场区域平面内照明分 布进行叠加。设当前照明强度为I，目标照明强度为I₀，照明目标区域内 的光照强度的标准差为SD。评价函数中的权重为WF，则照明评价函数 MF为：

MF＝WF1×(I-I₀)+WF2×SD

设定LED灯的数量、圆形排布的半径或其它参数为优化变量，根据 实际条件设定优化范围，通过多种优化算法，如退火算法进行优化，使得 照明评价函数MF最小，可得到LED灯阵列的最终排布，最终排布下的 照明分布如图4所示，将图4与图3进行对比，可以明显看出本实施例的 LED照明光源1在光照区域内的照明既满足大强度，同时保证均匀性。

LED灯为蓝光LED灯，所有的叶绿素荧光由测量光激发，CCD相机 2仅采集由测量光激发的叶绿素荧光，CCD相机2前设置红色滤光片，即 可采集叶绿素荧光图像的同时滤去LED灯的蓝光。

与叶绿素荧光探测相关的光强可分为测量光光强约0.1μmolphotons m^-2s^-1，饱和光>6000μmolphotonsm^-2s^-1，光化光为几百μmolphotonsm^-2s^-1。 通过设定LED灯的驱动电路控制信号的占空比实现在平均光强上达到照 明目标，如图5所示。测量光脉冲窄，同时占空比小，CCD相机2采集 图像的控制信号与测量光的控制信号保持一致，由此实现测量光持续激发 的同时，叶绿素荧光图像也能不断被采集，实现叶绿素荧光图像的实时显 示。光化光的占空比居中，同时信号空闲区域加入测量光信号，由此实现 植物在光照下进行光合作用的同时，也能实时采集到叶绿素荧光图像。饱 和光的占空比最大，可实现饱和光的最大光强，同时测量光脉冲保证叶绿 素荧光图像的采集。图5中所示的三种不同脉冲组合实现了对植物施以光 合作用影响的同时，可以实时采集到叶绿素荧光的数据，提高探测效率和 准确性。