CN103018221A

CN103018221A - 一种均匀光照的植物叶绿素荧光检测装置

Info

Publication number: CN103018221A
Application number: CN2012105367056A
Authority: CN
Inventors: 李海峰; 王恒; 刘旭; 徐良
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种均匀光照的植物叶绿素荧光检测装置，包括用于向待测样品发射检测光的光源、用于采集来自待测样品光线的摄像机、布置在所述摄像机和待测样品之间的滤光片，还设有将来自光源的检测光反射至待测样品的反光镜。本发明可提供测量光、饱和脉冲光及光化光三种光照，光源发出的光被反光镜反射，在装置内部形成均匀照明的空间，从而可对植株不同高度的叶片进行照明成像。

Description

一种均匀光照的植物叶绿素荧光检测装置

技术领域

本发明涉及荧光检测装置，尤其涉及一种均匀光照的植物叶绿素荧光检测装置。

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。

常用的测量方法为调制式测量荧光方法，该方法是利用光子密度较小的调制测量光照射植物的叶片，探测其激发的荧光。然后再照射强的非调制光和饱和脉冲光，测量其荧光的变化情况，来确定叶绿素的荧光参数。随着CCD摄像技术的发展，使荧光成像测量成为可能。但荧光成像测量需要均匀分布的激发光照明，且对激发光强度有明确要求。目前成像的叶绿素荧光探测仪器一般采用LED阵列光源，每个LED照明局部区域，多个LED拼接成大面积均匀激发光照明。但由于该均匀照明区域只局限于一个特定的照明距离，离开该距离后激发光的均匀性变差，而且由于光源的发散特性，使得距离增加后激发光强变弱，无法满足测量需求。并且对于整株植物，由于不同叶片的高低不同，无法同时对这些叶片进行测量。

授权公告号为CN101865846B的专利文献公开了一种植物叶绿素荧光在线检测装置。他包括第一矩形光源、第二矩形光源、线光源、CCD摄像机、滤光片和传送带，其中第一矩形光源和第二矩形光源投射出矩形照明光斑，分别作为调制测量光和非调制的光化光，线光源投射出的长条形照明光斑作为饱和脉冲光。饱和脉冲光在矩形光斑中进行扫描。CCD摄像机通过滤光片记录矩形光斑内的荧光变化图像。通过整个测量装置在植物上方的移动测量大面积的植物叶绿素荧光分布情况。该检测装置的光源不能均匀到达植物的所有部位，只能对植物表面的荧光进行检测，不能对植株不同高度的叶片进行照明成像。

发明内容

本发明公开了一种均匀光照的植物叶绿素荧光检测装置，该植物叶绿素荧光检测装置实现了较大深度的均匀激发照明，可对植株不同高度叶片进行同时成像测量。

一种均匀光照的植物叶绿素荧光检测装置，包括用于向待测样品发射检测光的光源、用于采集来自待测样品光线的摄像机、布置在所述摄像机和待测样品之间的滤光片，还设有将来自所述光源的检测光反射至待测样品的反光镜。

本发明通过反光镜对光源发出的检测光的反射，可在反射区域内形成均匀照明的空间，从而可对植株不同高度的叶片进行照明成像。

为了增强反射效果，形成均匀光照，所述反光镜呈环形的布置在待测样品的周围。

为了减少检测光的损失，提高样品荧光成像效果，避免外界环境对待测样品荧光成像效果的干扰，检测装置还设有密闭的检测室，所述光源、摄像机、滤光片和反光镜均位于该检测室内，所述检测室的侧壁为反光面，即形成所述反光镜。

作为另一种实施方式，所述检测室的侧壁也可以是非反光面，而是在检测室中另外设置有反光镜，反光镜的高度一般优选为不低于待测样品的高度，这样可以在待测样品的各个高度层面上均投射发射光。

作为优选，所述检测室为立方体结构。立方体结构的四个侧壁为平面结构，平面结构的侧壁作为反光面时便于加工和安装，四个侧壁也便于单独的调整或更换。

为了便于将待测样品放入检测室中，所述检测室的侧壁设有活动门，所述活动门为侧拉门或翻转门，在实际测量时，待测样品从活动门送入检测室内，然后关闭活动门进行荧光成像。

为了提高光反射效果及摄像机成像效果，所述检测室具有逐渐收拢的顶部。

例如，检测室的底部为立方体结构，顶部为梯台形。当然立方体结构的顶缘与梯台形的底部要相互对接，在此方式中，不仅立方体结构的四个侧壁为反光面，所述梯台形的四个侧壁也是反光面。作为进一步的优选所述光源、摄像机和滤光片均位于检测室的顶部。即处在梯台形的区域内，梯台形的四个侧壁均为倾斜设置，可以将来自光源检测光尽可能的反射至下方的立方体区域中，在提高光反射效果的同时还具有一定的聚光效果。

所述光源为具有相同的发光特性的多个LED光源，且还设有用于使各LED光源选择性提供测量光、饱和脉冲光和光化光的驱动电路。

LED驱动电路实现对LED的调光可选择模拟调光和脉宽调制调光两种模式，本发明中优选脉宽调制调光。脉宽调制调光是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

脉宽调制调光方法，实际上是在一小段时间内启动和重新启动LED电流。这个启动和重新启动循环的频率必须快于人眼可以感知的速度，以免出现闪烁效果，通常情况下可以被接受的频率为大约200Hz或更快。

通过驱动电路对电流波形的调制，各LED光源轮流提供测量光、饱和脉冲光和光化光三种水平的光照。测量光光子流密度较小，光子流密度约0.1μmolphotonsm^-2s^-1；饱和光脉冲持续时间小于1秒，光子流密度大于6000μmolphotonsm^-2s^-1；光化光为持续照射至检测结束，光子流密度在几百μmolphotonsm^-2s^-1。

为了尽可能的使检测室内检测光强度能够均匀分布，作为优选所述多个LED光源环绕摄像机均匀布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过设置反光镜，可对光源发出的光进行反射，在装置内形成均匀照明的空间，可对植株不同高度叶片同时进行成像测量。

附图说明

图1是实施例1中叶绿素荧光检测装置的结构示意图；

图2是实施例2中叶绿素荧光检测装置的结构示意图；

图3是图1中活动门开放时的结构示意图(省略其他部件)；

图4是图2中活动门开放时的结构示意图(省略其他部件)。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种立方体结构的均匀光照的叶绿素荧光检测装置。

本实施例中均匀光照的叶绿素荧光检测装置由光源1、摄像机2、滤光片3及反光镜4组成，光源1、摄像机2和滤光片3位于检测装置的顶部。

光源1由至少两个以上的相同的LED光源构成，且光源1均匀围绕在摄像机2的四周设置，以便为荧光成像提供均匀光照，光源1还设有调整其发光特性的驱动电路，可根据检测要求对光源1的发光特性进行调整，在实际测量时，光源1可发射蓝光或者红光，通过驱动电路对驱动电流的波形进行调制，光源1可提供三种水平的光照，分别为测量光、饱和脉冲光及光化光。

本实施例中采用的摄像机2为CCD摄像机，在实际应用中可根据实际情况选择其他荧光成像摄像机；摄像机2的下方设有滤光片3，滤光片3可对干扰光进行过滤，进一步保证样品的荧光成像效果。

如图3所示，反光镜4由四块矩形反光镜41组成，四块矩形反光镜41环绕待测样品布置，并构成检测室的侧壁，检测室的侧壁为反光面，在本实施例中反光镜4与检测室的侧壁为一体设定，在应用中，也可以将检测室和反光镜4分体设计，但反光镜4的高度不能低于检测室的高度，以便对待测样品的不同高度层面进行光反射，提高光反射效果。

如图3所示，四块矩形反光镜41中的任一块可以设为活动门，本实施例中将反光镜411设为活动门，活动门的开合形式为翻转，可方便的将待测样品送入检测室中，活动门的设定地点可以根据实际检测需要及待测样品大小在检测室侧壁的任意地方开设，其开合方式也可以根据检测需要选择翻转门或推拉门两种。

实际测量时，先将待测样品从活动门反光镜411送入检测室内，为了提高荧光检测效果，将待测样品调整位置，使其位于检测室的中心部位，且位于摄像机2的正下方，关闭活动门反光镜411；

然后打开光源1，对待测样品进行光照，通过光源1的驱动电路对光源1发出的光进行调整，使待测样品依次被测量光、饱和脉冲光及光化光照射，其中测量光的光子流密度较小，光子流密度约为0.1μmolphotonsm^-2s^-1，饱和脉冲光的光脉冲持续时间小于1秒，光子流密度大于6000μmolphotons m^-2s^-1，光化光进行持续照射直到检测结束，光子流密度约为几百μmolphotons m^-2s^-1；

光源1发出的光照被反光镜4反射，在发射区域内形成均匀照明的空间，使整个植株都被光源1发出的光照射，植株被光照射后，会激发出荧光，荧光可通过滤光片3到达摄像机2，而非荧光的干扰光则被摄像机2下方设置的滤光片3过滤，摄像机2接收到从植株不同部位发出的荧光后，即可拍摄形成植株的荧光图像。

实施例2

如图2所示，本实施例公开了一种底部为立方体结构、顶部为梯台形的均匀光照的叶绿素荧光检测装置。

本实施例中均匀光照的叶绿素荧光检测装置由光源1、摄像机2、滤光片3及反光镜4组成，光源1、摄像机2和滤光片3均位于检测装置的梯台形顶部。

本实施例中光源1、摄像机2和滤光片3的设置均与实施例1中相同。

如图4所示，本实施例中，反光镜4由四块矩形反光镜43及四块梯形反射镜42组成，四块矩形反光镜43环绕待测样品布置，四块梯形反射镜42的底部与四块矩形反光镜43的顶缘相互对接，共同构成检测室的侧壁，不仅四块矩形反光镜43构成的立方体结构的四个侧壁为反光面，四块梯形反射镜42构成的梯台形的四个侧壁也是反光面。

四块梯形反射镜42均为倾斜设置，可以将来自光源1的检测光尽可能的反射至下方的立方体结构中，在提高光反射效果的同时还具有一定的聚光效果。在本实施例中反光镜4与检测室的侧壁同样为一体设定，在应用中，也可以将检测室和反光镜4分体设计，但反光镜4的高度不能低于检测室的高度，以便对待测样品的不同高度层面进行光反射，提高光反射效果。

如图4所示，四块矩形反光镜43中的任一块可以设为活动门，本实施例中将反光镜431设为活动门，活动门的开合形式为翻转，可方便的将待测样品送入检测室中，活动门的设定地点可以根据实际检测需要及待测样品大小在检测室侧壁的任意地方开设，其开合方式也可以根据检测需要选择翻转门或推拉门两种。

实际测量时，先将待测样品从活动门反光镜431送入检测室内，为了提高荧光检测效果，将待测样品调整位置，使其位于检测室的中心部位，且位于摄像机2的正下方，关闭活动门反光镜431；

然后打开光源1，对待测样品进行光照，具体过程如实施例1中所述，光源1发出的光照被反光镜4反射，在发射区域内形成均匀照明的空间，使整个植株都被光源1发出的光照射，植株被光照射后，会激发出荧光，荧光可通过滤光片3到达摄像机2，而非荧光的干扰光则被摄像机2下方设置的滤光片3过滤，摄像机2接收到从植株不同部位发出的荧光后，即可拍摄形成植株的荧光图像。

Claims

1.一种均匀光照的植物叶绿素荧光检测装置，包括用于向待测样品发射检测光的光源、用于采集来自待测样品光线的摄像机、布置在所述摄像机和待测样品之间的滤光片，其特征在于：还设有将来自所述光源的检测光反射至待测样品的反光镜。

2.根据权利要求1所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：所述反光镜呈环形的布置在待测样品的周围。

3.根据权利要求2所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：还设有密闭的检测室，所述光源、摄像机、滤光片和反光镜均位于该检测室内，所述检测室的侧壁为反光面，即形成所述反光镜。

4.根据权利要求3所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：所述检测室的侧壁设有活动门，所述活动门为侧拉门或翻转门。

5.根据权利要求4所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：所述检测室为立方体结构。

6.根据权利要求4所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：所述检测室具有逐渐收拢的顶部。

7.根据权利要求4所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：所述检测室的底部为立方体结构，顶部为梯台形。

8.根据权利要求7所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：所述光源、摄像机和滤光片均位于检测室的顶部。

9.根据权利要求1所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：所述光源为具有相同的发光特性的多个LED光源，且还设有用于使各LED光源选择性提供测量光、饱和脉冲光和光化光的驱动电路。

10.根据权利要求9所述的均匀光照的叶绿素荧光检测装置，其特征在于：所述多个LED光源环绕摄像机均匀布置。