CN105579816B - 量子计 - Google Patents

Abstract

[问题]提出一种能够实时地知道在每个波长的光合光子通量密度的可实践的量子计。[解决方案]通过分光镜单元1中的入射光学系统13而入射在分散元件12上的测量光由分散元件12分散，并且在检测器14上被转换成光电信号。在每个波长的每个光电信号(光谱数据)经接口构件16和26被发送给处理单元2，处理单元2是通用计算机。已安装有光合光子通量密度测量程序4和专用装置驱动器262的处理单元2通过处理接收的光谱数据来计算在每个波长的光合光子通量密度的分布，并且在显示器24上显示在每个波长的光合光子通量密度的分布。

Description

量子计

技术领域

本申请的发明涉及光合光子通量密度的测量。

背景技术

在植物生长的环境条件之中，光是非常重要的。在包括植物工厂和学术研究(诸如，植物生理学)的各种领域中，需要知道是否获得了适合执行光合作用的光。

诸如照度和辐射通量密度之类的指标以前被用于检查与植物的生长相关的光强度。然而，这些是这样的能量的单位：该能量的单位不是直接与光合作用相关的指标。因此，最近已使用光合光子通量密度(PPFD)。

光子通量密度是这样的指标：其表示不根据能量而是根据光子数量的光量，光子通量密度是每单位时间在单位平方中进入的光子的数量。特别地，作为叶绿素的吸收波长范围的波长范围400-700 nm被称为“光合光子通量密度”。

光合光子通量密度由量子计测量。量子计在光学传感器(诸如，Si光电二极管传感器)上接收测量光，并且通过对来自光学传感器的输出值执行处理来计算光子通量密度。

现有技术参考文献

专利文件

[专利文件1] JP2012-163482A

非专利文件

[非专利文件1]

Http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/07091111/004.htm。

发明内容

发明解决的问题

然而，通过传统量子计，虽然知道光合作用中涉及的光子的总数，但不知道在每个波长的光子的数量。如果例如特定波长的光对特定植物的生长有效，则知道在该波长获得了多少数量的光子是有益的。然而，因为传统量子计不执行光谱测量，所以不能获得这种测量结果。在专利文件1中，当轮流使用滤光器时，在几个波长范围的光子通量密度被测量。然而，通过这种方法，不能知道在一个滤光器的透射频带内的处于每个波长的光子通量密度。

当想要知道在每个波长的光合光子通量密度时，需要通过在由一般类型光谱仪(光谱辐照度计)测量光谱辐照度之后应用转换公式来执行用于将每个测量值(即，光谱辐照度)转换成光子通量密度的计算。这种计算很麻烦，并且不能实时地带来测量结果。也就是说，无法在检测器被放置在植物受光辐照的环境中时就地知道光合光子通量密度。

考虑到这种问题而发明本发明，并且本发明具有提供一种可实践的量子计的含义，通过该量子计，能够实时地知道在每个波长的光合光子通量密度。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，如在实施例中记载的，本发明是量子计，该量子计包括：

分散元件，测量光进入该分散元件；

检测器，由分散元件分散的测量光进入该检测器；

处理构件，处理从检测器输出的光电转换信号；和

显示器，显示由处理构件处理的光电转换信号，

其中

所述处理构件通过处理从检测器输出的光电转换信号来计算在每个波长的光合光子通量密度，

显示器能够在存在测量光的环境下实时地显示测量光的光谱光合光子通量密度分布，

处理构件包括存储构件，在该存储构件上实现光合光子通量密度测量程序，或者处理构件能够经网络执行光合光子通量密度测量程序，

处理构件通过执行光合光子通量密度测量程序来计算在每个波长的光合光子通量密度，并且在显示器上显示光谱光合光子通量密度分布，

提供输入构件以将信息给予处理构件，

光合光子通量密度测量程序能够使得波长范围在输入构件上根据用于植物的有效光合波长被指定，并且能够计算在指定的波长范围内的每个波长处的光合光子通量密度，

光合光子通量密度测量程序显示指定的波长范围中的光谱光合光子通量密度，而不显示其它波长范围中的光谱光合光子通量密度，

光合光子通量密度测量程序能够使得多个不连续的波长范围被指定，

光合光子通量密度测量程序能够计算每个指定的不连续波长范围的光合光子通量密度，

光合光子通量密度测量程序显示每个指定的不连续波长范围中的光谱光合光子通量密度，而不显示其它波长范围中的光谱光合光子通量密度。

为了解决上述问题，如在实施例中记载的，本发明是量子计，其中：

所述光合光子通量密度测量程序能够通过将特定植物的光谱吸收率乘以测量的光谱光合光子通量密度来计算该植物的有效光谱光合光子通量密度，并且能够在显示器上显示计算的有效光谱光合光子通量密度。

为了解决上述问题，如在实施例中记载的，本发明是量子计，其中：

所述分散元件和检测器被提供作为构成分光镜单元的部件，

处理构件被提供作为处理单元的部件，

处理单元是通用计算机，光合光子通量密度测量程序被安装在该通用计算机中。

为了解决上述问题，如在实施例中记载的，本发明是量子计，还包括：

装置驱动器，经通用接口接收从检测器输出的光电转换信号，装置驱动器被安装在处理单元中，其中

所述光合光子通量密度测量程序通过处理装置驱动器接收的光电转换信号来计算在每个波长的光合光子通量密度。

发明的效果

如下所述，在本申请的实施例中记载的量子计能够优选地被用于诸如植物的光环境的调查和用于植物生长的人工光源的评估的用途，因为光谱光合光子通量密度分布被实时地显示在显示器上。

因为作为处理构件执行光合光子通量密度测量程序的结果来计算并且显示在每个波长的光合光子通量密度，所以计算和显示条件的任何变化是容易的。

此外，因为能够显示仅针对指定的波长范围的光谱光合光子通量密度分布，所以这种量子计在仅观察用于光合作用的有效波长范围中是优选的。

另外，因为可以指定多个不连续的波长范围，所以能够实现针对各种植物的有效波长范围的最佳测量。

另外，根据实施例中记载的发明，可以知道特定光环境对于特定植物的生长而言如何高效，因为能够显示有效光谱光合光子通量密度。因此，使该量子计对于执行诸如光环境的调查以及人工光源的评估和研究的工作是更优选的。

另外，在实施例中记载的发明带来减少量子计的成本并且使该量子计的引入更容易的优点，因为它由分光镜单元和作为通用计算机的处理单元构成。

另外，因为通用接口被采用以从分光镜单元中的检测器接收光电转换信号，所以在实施例中记载的发明带来这样的优点：能够采用通用分光镜，只要它包括这种接口即可。因此如果用户具有这种分光镜，则能够仅通过将软件包安装到计算机来实现实时光谱光合光子通量密度测量。使引入进一步更容易。

附图说明

图1示出根据本发明的实施例的量子计的示意性配置。

图2是安装到构成处理单元的通用计算机的软件包的示意图。

图3示出图1中示出的量子计所包括的光子通量密度测量程序的概括结构。

图4是示出由光子通量密度测量程序的主模块在显示器上显示的主窗口的一个例子的示意图。

图5是示出波长范围设置窗口的一个例子的示意图。

图6是示出由绝对值计算模块获得的执行结果的一个例子的示意图。

图7是示出由相对值计算模块获得的执行结果的一个例子的示意图。

图8是示出绝对值计算模块的概况的流程图。

图9是示出相对值计算模块的概况的流程图。

图10示出两个或更多光谱光合光子通量密度分布被交叠显示的状态的一个例子。

图11是示出光子效率的计算的示意图。

具体实施方式

接下来，描述以下称为“实施例”的用于实践本发明的模式。

图1示出根据本发明的实施例的量子计的示意性结构。图1中示出的量子计被用于测量光合光子通量密度，并且被用于测量400-700 nm的波长范围中的光子通量密度。

这种量子计的主要特征之一在于这一点：测量光被分散，然后作为在每个波长的光合光子通量密度被实时地测量。这种量子计主要由分光镜单元1和处理单元2构成，如图1中所示。

首先，描述分光镜单元1。如图1中所示，分光镜单元1包括：壳体11；分散元件12，提供在壳体11中；和入射光学系统13，使测量光进入到分散元件12中。在这个实施例中，入射光学系统13包括：光接收器131；光纤132，用于引导来自光接收器131的测量光；和入射狭缝133，被放置在光纤132的出射侧。

光接收器131被布置在测量位置，并且可根据需要而具有在光漫射板上接收测量光的结构。虽然在这个实施例中使用反射类型光漫射板，但透射类型光漫射板可被用于使测量光进入到光纤132中。提供光纤132以使光子通量密度测量更容易，能够实现将光接收器131布置在期望的地方。基于石英的光导纤维被用作光纤132。如图1中所示，光纤132的出射端所安装在的安装端口110被提供在壳体11上。入射狭缝133位于安装端口110附近。

衍射光栅被用作分散元件12。可使用共享波长范围的两个或更多个分散元件。分散元件12被提供作为分散光学系统120的部件。在这个实施例中， Fastie-Ebert类型分散光学系统被用作分散光学系统120。这种光学系统包括凹面镜121。凹面镜121使来自入射狭缝133的光准直，利用该光辐照分散元件(衍射光栅)12，将由分散元件12分散的光集中到每个波长，并且使它进入测量传感器的每个传感器元件。也可采用另一分散光学系统(诸如，Czerny-Turner类型)。

在壳体11中，量子计包括：检测器14，作为测量传感器，由分散元件12分散的测量光进入该测量传感器；AD转换器15，将来自检测器14的输出转换成数字信号；和接口构件16，用于将来自检测器14的输出发送给处理单元2。

在这个实施例中，线性阵列传感器被用作检测器14。线性阵列传感器具有这样的结构：在该结构中，传感器元件(即，光电转换元件(诸如，光电二极管或CCD))被以线性方式排列。每个传感器元件分别将每个波长的分散光转换成电信号，并且输出每个电信号。根据分散元件12的分辨率和待测量的整个波长范围确定每个传感器元件上的光接收表面的宽度和元件的数量。例如，其中排列大约2048个Si光电二极管的线性阵列传感器被用作检测器14。

结合分散元件12优化检测器14的布置和姿势。也就是说，每个传感器元件被布置和摆放为使得由分散元件12分散的每个波长的光分别到达。

作为线性阵列传感器的检测器14在某个时间段中对检测到的值进行积累(即，积分)，然后使它们可输出。这个时间段被称为“曝光时间”，曝光时间为大约2.5微秒至6秒。在这个实施例中，USB接口被用于接口构件16。接口构件16具有USB端口161。

另一方面，处理单元2是通用计算机(诸如，个人计算机)，专用软件包被安装到该通用计算机。具体地讲，处理单元2是计算机，通用OS(诸如，Windows (Microsoft公司的注册商标))已被安装到该计算机。任何可用计算机(诸如，笔记本、桌上型计算机或工作站)能够被用作处理单元2。众所周知，除了CPU 21和存储器22之外，计算机还包括硬盘23、显示器24和打印机25。

除了执行包括光合光子通量密度的计算的处理的测量程序之外，该专用软件包还包含专用装置驱动器(以下被称为“分光镜单元驱动器”)。分光镜单元驱动器使分光镜单元1作为处理单元2的外围装置工作。

图2示出安装到构成处理单元2的通用计算机的软件包的示意图。图2中示出的状态基于这样的假设：软件包由介质(诸如，DVD-ROM和CD-ROM)提供并且被读出。软件包仍然可被压缩并且经网络(例如，互联网)下载。

如图2中所示，软件包包含：用于安装的执行文件(setup.exe) 31；文件夹32，光合光子通量密度测量程序被存储在文件夹32中；文件夹33，分光镜单元驱动器被存储在文件夹33中；和文件夹34，一些种类的手册的文本文件被存储在文件夹34中。当执行setup.exe时，光合光子通量密度测量程序(以下称为“PPFD测量程序”)和分光镜单元驱动器被安装到通用计算机。因为这与其它应用软件中相同，所以省略详细描述。

除了分光镜单元1之外，想要通过使用实施例的量子计来测量光合光子通量密度的用户还获得图2中示出的软件包，并且将该软件包安装到他的/她的计算机。作为结果，实现图1中示出的量子计。

作为处理单元2的通用计算机被配置为经通用接口构件16、26接收从分光镜单元1中的检测器14输出的光电转换信号。虽然在这个实施例中USB被用于通用接口构件16、26，但它不是限制性的。

分光镜单元1中的接口构件16具有与检测器14连接的USB端口161。另一方面，当如上所述安装软件包时，如图1中概念性示出的那样，在处理单元2中的USB控制器上实现分光镜单元驱动器262。作为结果，PPFD测量程序4能够使用分光镜单元驱动器262作为应用进行工作。接口构件26经总线(诸如，PCI)连接到CPU 21，并且从由USB线缆260连接的分光镜单元1接收输出数据(即，检测器14的光电转换信号输出)。

另外，处理单元2包括作为存储构件的存储器22和硬盘23以及显示信息的显示器24。该存储构件存储通过处理来自分光镜单元1的输出数据而获得的测量结果。处理单元2包括键盘27和鼠标28作为输入构件。这些输入构件被用于将信息给予作为处理构件的CPU21。

分光镜单元驱动器262是执行来自分光镜单元1的输出数据的中断传送的部件。具体地讲，检测器14在每个传感器元件处在曝光时间中积累光电转换信号并且使其可输出，如上所述那样。分光镜单元驱动器262经接口构件16、26向检测器14传送控制信号，以使得从输出端口161输出每个传感器元件的光电转换信号。检测器14经输出端口161串行传送每个传感器元件的光电转换信号。

对于传感器元件，例如，最短波长λ1的光进入的传感器元件是S1，次最短波长λ2的光进入的传感器元件是S2，并且类似地，按照波长的短度的次序，其它传感器元件是S3至Sn。λ1、λ2、λ3、……、λn之中的每个间隔Δλ是取决于分散元件12的分辨率的量，并且是几乎与该分辨率相同的带宽。检测器14串行输出S1至Sn的每个输出I1至In。分光镜单元驱动器262接收经接口构件16和26传送的信号，并且以特定文件格式将该信号保存在存储器22的分配的存储区域中。分光镜单元驱动器262向接口构件16和26中的每一个发送控制信号以执行对来自检测器14的输出信号的中断传送。对于这种分光镜单元驱动器，可使用附属于从日本的Soma Optics公司销售的多通道分光镜（Multichannel Spectrometer）S-2431的软件中所包括的装置驱动器或类似的装置驱动器。因此，省略更详细的描述。

接下来，描述安装在处理单元2中的PPFD测量程序。

PPFD测量程序是对由分光镜单元驱动器接收的、来自检测器14的输出数据(即，来自每个传感器元件S1至Sn的输出I1至In)执行处理的程序。通过这种处理，计算并且显示光谱光合光子通量密度分布。PPFD程序是在通用OS(诸如，Windows)上运行的应用程序。

图3示出图1中示出的量子计所包括的PPFD程序的概括结构。如图3中所示，PPFD测量程序包括主模块41、数据获取模块42、处理模块431、432、条件设置模块44和专用DLL文件45。

PPFD测量程序4被编程为处理由专用格式标识符标识的专用格式文件中的测量数据。以下，这种文件被称为“PPDF文件”。空的(初始)PPFD文件被包括在软件包中，但它未被示出在附图中。

在这个实施例中，可在PPFD文件中记录两组或更多组光谱数据。以下，一组光谱数据被称为“光谱数据组”。一个光谱数据组是如所述的那样来自在每个λ1至λn处的每个传感器元件的输出。在PPFD文件中，可记录两个或更多个(例如，多达大约九个)光谱数据组以及关于每个光谱数据组的处理条件和每个结果的显示条件的设置信息。

主模块41显示窗口(以下称为“主窗口”)。在主窗口中，执行各种输入，并且示出光谱数据和其它测量结果。数据获取模块42使得输出数据从分光镜单元1被传送并且获取该输出数据。处理模块431、432通过处理获取的数据来获得光谱光子通量密度分布。条件设置模块44是用于设置针对处理等的条件的模块。专用DLL文件45被提供用于链接各模块(包括上述模块和处理单元2中的通用模块)。

图4是示出由PPFD测量程序的主模块41在显示器上显示的主窗口的一个例子的示意图。如图4中所示，主窗口包含工具条52以及菜单栏51，其中布置典型菜单按钮。工具条52被用于执行光谱光合光子通量密度分布的测量和显示所需的各种设置和处理。

如图4中所示，在工具条52中提供具有标题“光谱数据获取”的按钮521(以下称为“数据获取按钮”)。使得光谱数据(即，一个光谱数据组)从分光镜单元1被传送并且获取该光谱数据的数据获取模块42被链接到数据获取按钮521。

数据获取模块42把由分光镜单元驱动器262从分光镜单元1接收的光谱数据组记录在当前打开的PPFD文件中。数据获取模块42被编程为自动地将ID编号给予接收的光谱数据组，并且将该光谱数据组与ID编号一起记录在PPFD文件中。

在主窗口5中提供三个框53、54、55，如图4中所示。三个框53、54、55被垂直布置。在顶部的框53是测量结果在其中被显示为曲线图的框，以下称为“曲线图显示框”。在中间的框54是用于将测量结果显示为数字数据并且使得光谱数据组被选择的框，以下称为“数字数据显示框”。在底部的框55是狭窄的单行框，在该框中，显示当前选择的测量条件和当前选择的处理条件以便确认，框55以下称为“底部框”。

由数据获取模块42获取一个光谱数据组的情况被示出在图4中。这是新获取第三光谱数据组的情况。如图4中所示，数据获取模块42将“号码3”给予这个光谱数据组作为ID编号。数据获取模块42被编程为计算整个(即，在400-700 nm波长范围中)辐照度(mW/cm²)和整个光合光子通量密度，并且在获取一个光谱数据组时在数字数据显示框54中显示它们与ID编号。

如图4中所示，在底部框55中显示在获取光谱数据组时的曝光时间和积分次数以用于确认。在该实施例的量子计中，曝光时间能够由处理单元2中的输入构件27、28上的输入预设。曝光时间的预设值被显示在这里。为了减小测量误差，该实施例的量子计能够使检测器14输出在两次或更多次的测量中取平均值的信号。用于针对每个波长执行的平均值计算的积分次数也能够由输入构件27、28预设。这个预设值被显示在底部框55中以用于确认。

如图4中所示，在工具条52中提供具有标题“测量条件”的按钮522(以下称为“条件设置按钮”)。条件设置按钮522是下拉式按钮。在将要被显示的下拉式列表中，包括具有标题“波长范围(PPFD)”的按钮，以下称为“波长范围设置按钮”。当波长范围设置按钮被点击时，用于指定波长范围的窗口(以下称为“波长范围设置窗口”)被显示为新窗口。

图5是示出波长范围设置窗口的一个例子的示意图。如图5中所示，波长范围设置窗口6包含：整体范围设置栏61，用于指定在测量光合作用光子通量密度时的整个波长范围；和个体范围设置栏62，用于指定在整体范围设置栏61中指定的整个范围内的每个波长范围。在整体范围设置栏61中，通过数字(单位是nm)来输入整个波长范围中的下界值(即，最短波长)和其中的上界值(即，最长波长)。

在这个实施例中，能够针对六个划分的波长范围显示光子通量密度。在个体范围设置栏62中，提供针对六个波长范围的输入栏。每个输入栏具有用于选择是否执行计算和显示的输入框(在这个例子中为复选框)、用于输入该范围的名称的文本框和用于指定该范围的上界和下界的输入框。

在波长范围设置窗口6中提供OK按钮63。当在每个输入栏中完成了输入并且点击OK按钮63时，条件设置模块44启动。条件设置模块44被编程为将在每个栏中输入的信息存储到PPFD文件中的分配的区域。

虽然它在图2中被省略，但软件包包含如下文件：在该文件中已记录针对分光镜单元1的校准数据。校准数据已在装运分光镜单元1时被测量并且被记录在将要被包含在软件包中的文件(校准数据文件)中。软件包在装运时附接到分光镜单元1并且被提供给用户作为附件。

对于校准数据，当使用具有已知光谱的标准光源时，由分光镜单元1测量光谱辐照度。根据这种测量的结果，分光镜单元1中的检测系统的光谱灵敏度特性的数据被记录为校准数据。通过参照该校准数据，能够实现光谱辐照度的绝对值的计算。当软件包被安装时，校准数据文件被存储在处理单元2的存储构件22、23中的分配的区域中。

如图4中所示，另一方面，在工具条52中提供具有标题“光子通量密度(绝对值)”的按钮523(以下称为“绝对值按钮”)和具有标题“光子通量密度(相对值)”的按钮524(以下称为“相对值按钮写入”)。与此对应，量子计包括计算绝对值的绝对值计算模块431和计算相对值的相对值计算模块432作为处理模块。绝对值按钮523链接到绝对值计算模块431，并且相对值按钮524链接到相对值计算模块432。

图6是示出由绝对值计算模块获得的执行结果的例子的示意图。如图6中所示，当执行绝对值计算模块431时，光谱光合光子通量密度分布在曲线图显示框53中被显示为曲线图。为了解释，出现在说明书和附图中的光谱辐照度和光合光子通量密度的曲线图和数字是虚构的，而非实际测量的值。

图7是示出由相对值计算模块获得的执行结果的例子的示意图。在这里，基于与图6中相同的光谱数据组计算相对值。因此，图7仅在垂直轴方面不同于示出相同的曲线图的图6。

现在，描述光合光子通量密度的计算。如所述的，光合光子通量密度是单位面积中每单位时间的光子的数量密度。通常，使用μmol(微摩尔)，它的单位是μmol/m²/秒。在这里，1μmol=10^-6×阿伏伽德罗数，即，6.022137×10¹⁷。

根据公式(1)计算每个波长的光合光子通量密度(PPFD(λ))。在公式(1)中，I(λ)是光谱辐照度(μW/cm²/nm/秒)。

[公式(1)]

。

因此，通过在波长400-700 nm中对公式(1)进行积分来获得光合光子通量密度(即，所有波长中的光合光子通量密度)的量。也就是说，根据下面的公式(2)获得光合光子通量密度的量。

[公式(2)]

。

图8是示出绝对值计算模块的概况的流程图。当作为自变量传送标识光谱数据组的ID编号和处理条件时，执行绝对值计算模块。处理条件是指定的波长范围，在该指定的波长范围内，计算光合光子通量密度。如上所述，由条件设置模块44预先设置这个条件。

如图8中所示，绝对值计算模块判断初始(即，最短)波长λ1是否位于处理条件中的指定范围内。如果它位于该范围内，则获取该指定的光谱数据组中的在这个波长的输出值。然后，参照针对这个输出值的校准数据，计算在这个波长的辐照度的绝对值(光谱辐照度)。接下来，绝对值计算模块将计算的辐照度的值代入到公式(1)中，并且计算在这个波长的光子通量密度。计算的光子通量密度被暂时地存储在变量中。

然后，绝对值计算模块判断下一个波长λ2是否也位于该处理条件内。如果下一个波长位于该处理条件内，则从光谱数据组获取输出值，并且类似地计算辐照度的绝对值。根据公式(1)计算光子通量密度的绝对值，并且光子通量密度的绝对值被暂时地存储在另一变量中。

绝对值计算模块反复地类似地执行该处理，直至最后一个(即，最长)波长λn，并且把在每个波长的光子通量密度的每个值分别存储在每个变量中，只要它位于该处理条件内。

然后，绝对值计算模块在每个波长范围内执行曲线图显示和求和。也就是说，绝对值计算模块从变量读出这些值，用曲线图表示它们，并且在主窗口中的曲线图显示框53中显示曲线图，如图6中所示。绝对值计算模块对每个波长范围内的值进行求和，并且根据处理条件在数字数据显示框54的每一栏中显示每个总和。当在名称“区域1”下指定的波长范围是例如400-450 nm时，每个光合光子通量密度(绝对值)在这个波长范围内被求和，并且被显示在数字数据显示框54中的针对这个范围的栏中。当曲线图显示和每个波长范围内的每个总和的显示完成时，绝对值计算模块结束。

图9是示出相对值计算模块的概况的流程图。当传送标识光谱数据组的ID编号和处理条件作为自变量时，执行相对值计算模块。这与绝对值计算模块相同。相对值计算模块类似地判断每个波长是否位于该处理条件内。如果特定波长位于该处理条件内，则相对值计算模块从光谱数据组获取输出值并且通过参照校准数据来计算辐照度的绝对值。然后，相对值计算模块根据公式(1)计算在每个波长的光合光子通量密度的值并且将它暂时地存储在每个变量中。

在针对最后一个波长λn执行处理之后，返回到第一波长λ1，相对值计算模块按次序从变量读出各个值，并且找到光合光子通量密度的最高值。然后，相对值计算模块通过与这个最高值进行比较来重新计算在每个波长的光合光子通量密度的相对值，并且通过存储计算的相对值来更新变量。

当完成相对值的计算和存储直至最后一个波长(λn)时，相对值计算模块类似地执行用曲线图表示、每个波长范围内的求和以及类似地执行每个总和的显示。也就是说，相对值计算模块从变量读出各个值，在主窗口中的曲线图显示框53中用曲线图表示它们，对每个波长范围内的光合光子通量密度的相对值求和，并且在数字数据显示框54中的每一栏中显示每个总和。到这时，相对值计算模块结束。每个波长范围内的每个总和可被计算并且显示为针对特定波长范围中的最大一个的相对值，不同于它仅如计算的那样被显示的。

如图4中所示，在主窗口中的工具条52中提供具有标题“光谱辐照度”的按钮529(以下称为“辐照度按钮”)。虽然它在图3中省略，但PPFD测量程序包含用于计算和显示光谱辐照度的模块(以下称为“辐照度计算模块”)。辐照度计算模块被编程为计算指定的光谱数据组的光谱辐照度并且在曲线图显示框53中显示该光谱辐照度。与上述绝对值计算模块和相对值计算模块相同，辐照度计算模块通过参照校准数据来计算在每个波长的辐照度的绝对值，用曲线图表示计算的值，并且在曲线图显示框53中显示该曲线图。

如图4中所示，在主窗口中的工具条52中提供具有标题“新建”的按钮525(以下称为“新建按钮”)和具有标题“文件打开”的按钮526(以下称为“文件打开按钮”)。

新建按钮525是用于执行新建PPFD文件的模块的按钮。当用户希望在新PPFD文件中具有测量结果时，执行这个模块。例如，在用户希望将在另一照明环境下的另一测量结果保存在另一PPFD文件中的情况下或者在用户希望将在另一处理条件下的另一测量结果保存在另一PPFD文件中的情况下，执行该模块。

文件打开按钮526被提供用于打开以前保存的文件。这个按钮可被用于查看所保存的PPFD文件中的光谱光合光子通量密度分布，和/或用于在不同处理条件下重新计算光谱光合光子通量密度分布。虽然它在附图中未示出，但当菜单栏中的“文件”按钮被点击时，显示具有标题“保存”的按钮。能够通过这个按钮来保存正被执行的PPFD文件。

如上所述，绝对值计算模块431和相对值计算模块432执行针对在处理条件中指定的波长范围的光合光子通量密度的计算和显示。因为能够通过点击设置按钮来指定任何波长范围，所以能够针对任何波长范围显示光合光子通量密度。

例如，叶绿素是绿色植物中的主要色素。已知叶绿素对于蓝光(即，大约435 nm)和红光(即，大约680 nm)具有高吸收。另一方面，对于大约500 nm的绿光，它具有低吸收。因此，仅针对蓝光和红光的范围的光合光子通量密度的计算和显示可使得更容易判断光环境是否适合光合作用。此外，因为在这个实施例中显示针对指定的波长范围的光合光子通量密度的总和，所以可确认在有效波长范围中获得了多少光子并且容易地在波长范围之中进行比较。

此外，实施例的量子计能够使通过对多个光谱数据组执行处理而获得的光谱光合光子通量密度分布交叠并且在曲线图中显示该光谱光合光子通量密度分布。如下描述这一点。

在主窗口中的菜单栏51上提供具有标题“显示”的按钮63。具有标题“重写”的按钮被包括在通过点击这个按钮63而显示的下拉式列表中。当这个按钮被点击时，完成多个光谱光合光子通量密度分布是否交叠的输入(例如，通过点击来设置复选标记)。图10示出交叠显示的一个例子，也就是说，两个或更多个光谱光合光子通量密度分布显示为交叠的情况。

在把多个光谱光合作用光子通量密度分布显示为交叠时，在数字数据显示框54中指定多个光谱数据组。例如，可采用这样的配置：其中在Ctrl键被按下同时鼠标指针位于显示每个光谱数据组的每一行中时，通过左击(或enter键按下)来指定多个光谱数据组。绝对值计算模块431被编程为：在那些数据组被指定的同时当绝对值按钮被点击时对多个光谱数据组执行处理；计算光谱光合光子通量密度的每个绝对值，并且在曲线图中把它们显示为交叠，如图10中所示。这与相对值计算模块432相同。

实施例的量子计能够测量光子效率，光子效率是光环境对于特定植物的光合作用而言多么高效的指标。如下描述这一点。

图11是示出光子效率的计算的示意图。光子效率是总有效光合光子通量密度与在所有波长范围中测量的总光合光子通量密度之比。植物的光合作用可能具有波长相关性，其中之一是如所述的色素的光吸收中的波长相关性。特定叶绿素分子的光谱吸收分布作为例子被示出在图11(1)中。

当图11(2)中示出的光谱光合光子通量密度分布的光被辐照到这种叶绿素时，对光合作用的功能的影响取决于该叶绿素的光吸收。因此，通过将光子通量密度的每个值乘以在每个波长的光吸收率来获得有助于光合作用的光子通量的密度，即，有效光合光子通量密度(PPFD')。也就是说，有效光合光子通量密度(PPFD')由下面的公式(3)表示。

[公式3]

。

在公式(3)中，A(λ)是在每个波长的光学吸收率，并且P(λ)是在每个波长的光合光子通量密度。当图11(2)中示出的光谱光合作用光子通量密度分布乘以图11(1)中示出的光谱吸收率时，该分布变为如图11(3)中所示。这是有效光谱光合作用光子通量密度分布。通过对这个分布进行积分而获得的值表示在这种光环境下对这种叶绿素有效的光合光子通量密度的量(总数)。

因此，因为光子效率E是有效光合光子通量密度与总光合光子通量密度之比，所以根据下面的公式(4)获得光子效率E。

[公式4]

。

如图4中所示，在主窗口中的工具条52中提供具有标题“光谱吸收率登记”的按钮527(以下称为“登记按钮”)和具有标题“光子效率计算”的按钮528(以下称为“效率计算按钮”)。虽然它在图3中未示出，但PPFD测量程序具有登记模块和效率计算模块。登记按钮527链接到登记模块，并且效率计算按钮528链接到速率计算模块。

当登记按钮527被点击时，登记模块启动。登记模块被编程为另外显示用于使用户指定记录光谱吸收率的文件的窗口。登记模块被编程为：在那里指定该文件时执行光谱吸收率的必要转换并且将转换的光谱吸收率记录在PPFD文件中。所述必要转换是用于将光谱之间的间隔(即，光谱宽度)与光谱数据组的间隔匹配的转换。为了能够计算针对不同种类的植物的光子效率，登记模块被编程为登记多个光谱吸收率，并且被编程为登记每个光谱吸收率与用于标识每个光谱吸收率的ID编号。

当效率计算按钮528被点击时，效率计算模块启动。在数字数据显示框54中选择至少一个光谱数据组的情况下，效率计算模块启动。如果未选择光谱数据组，则因此显示错误消息。如果确认已选择至少一个光谱数据组，则效率计算模块显示一窗口，并且使用户选择已被登记的光谱吸收率之一。然后，效率计算模块将选择的光谱吸收率应用于光谱数据组，并且根据公式(3)计算有效光合光子通量密度。效率计算模块通过将计算的有效光合光子通量密度应用于公式(4)来计算光子效率，并且另外在数字数据显示框54中的光谱数据组的行中显示该光子效率。如果两个或更多个光谱数据组已被选择，则针对每个数据组执行这种处理，并且显示光子效率的每个值。

当用户想要通过具有上述配置的实施例的量子计来测量光合光子通量密度时，他或她将该量子计带到待测量的光环境中。例如，用户使用笔记本计算机作为处理单元2。用户将分光镜单元驱动器和光子通量密度测量程序安装到他的/她的计算机并且将该计算机与分光镜单元1一起带到测量地点。在分光镜单元1的电源开关被打开之后，笔记本计算机被启动，并且PPFD测量程序被激活。在这种状态下，用户将光接收器131布置在想要进行测量的位置。在笔记本计算机上点击数据获取按钮521，并且测量在这个位置的光谱光合光子通量密度。根据已被预先设置的处理条件(即，关于波长范围的条件)处理光谱数据。作为结果，期望的波长范围的光合光子通量密度被显示在显示器上。用户能够立即在显示器上确认在布置有光接收器131的地点的光谱光合光子通量密度分布，并且能够实时地获得测量结果。实时在这里意味着：通过布置光接收器131来从检测器14获得光电转换信号的时刻基本上与在显示器上观察到光谱光合光子通量密度分布的时刻相同。

通过在同一PPFD文件打开的情况下再一次点击数据获取按钮521，另外获取在不同测量条件下的另一光谱数据组。如上所述，通过对每个光谱数据组执行处理而获得的光谱光合光子通量密度能够被交叠地显示。例如，当光接收器131被布置在不同位置时，通过执行测量来获取两个或更多个光谱数据组。例如，在检查光谱光合光子通量密度分布是否依赖于位置而不同时实现这一点。另外，可通过针对不同种类的光源进行的测量来获取光谱数据组。在这种情况下，从每个测量结果计算的每个光谱光合光子通量密度分布可被显示以便进行比较。

在评估人工光源时，可一起执行用于检查与阳光的光谱一致性的测量。PPFD测量程序与已在JIS(日本工业标准)中规定的阳光标准光谱辐照度(标准光谱)的数据文件一起被提供给用户。当PPFD程序被安装时，这个数据文件被复制到计算机中的存储构件。PPFD测量程序包含一致性评估模块。一致性评估模块在每个波长将测量的辐照度与标准光谱进行比较，并且通过对针对人工光源获取的光谱数据组执行处理来在计算光谱辐照度之后计算在每个波长的一致性。计算的一致性可被用曲线图表示并且显示在曲线图显示框53中，和/或列出以便被打印出。

如上所述，实施例的量子计可优选地被用于植物的光环境的调查和针对植物生长的人工光源的评估，因为光谱光合光子通量密度分布被实时地显示在显示器上。例如，通过根据在每个波长的光合光子通量密度来评估在每个位置的辐照度情况，可优化植物生长的光环境。在这种情况下，因为能够通过这种量子计实时地检查光谱光合光子通量密度，所以能够迅速地完成诸如照明条件的变化的操作。在人工光源的评估和研究中，这种量子计也能够极大地有助于提高评估和研究的效率，因为用户不必执行麻烦的计算以将辐照度转换成在每个波长的光合光子通量密度。

实施例的量子计容易改变计算和显示的条件，因为通过处理构件执行PPFD测量程序来计算和显示在每个波长的光合光子通量密度。本发明的量子计可具有这样的配置：硬件将来自检测器14的每个强度信号转换成在每个波长的光合光子通量密度。例如，电路可被配置为：实现公式(1)，采用这种装置作为OpAmp IC。然而，考虑到计算条件(例如，绝对值或相对值)的变化，不通过硬件而通过软件来实现是优选的，因为容易对该变化做出响应。

在通过软件来测量光合光子通量密度的配置中，不同于所述的那样把软件安装在处理单元2中，可经网络下载并且执行软件。在这种情况下，处理单元2具有能够访问网络的配置。在其中实现光合作用光子通量测量程序的服务器被提供在该网络上。处理单元2访问该服务器并且在该服务器上执行光合作用光子通量测量程序，或者下载该程序并且执行该程序。能够以与ASP(应用服务提供商)或SaaS(软件即服务)中相同的实践方式来实现这种配置。因此，省略详细描述。

如所述的，实施例的量子计在仅观察用于光合作用的有效波长范围方面是优选的，因为它能够显示仅针对指定波长范围的光谱光合光子通量密度分布。在这里，因为能够指定两个或更多个不连续的波长范围，所以能够根据针对各种植物的有效波长范围实现最佳测量。

此外，通过实施例的量子计，可知道特定光环境对于特定植物的生长而言如何有效，因为能够计算光子效率。因此，这种量子计在执行光环境的调查以及人工光源的评估和研究方面是更优选的。

此外，因为实施例的量子计包括分光镜单元1和作为通用计算机的处理单元2，所以它具有成本降低和针对用户来说更容易引入的优点。用户不需要为处理单元2准备专用处理单元，而是能够通过将软件包安装到他的/她的个人计算机来构成处理单元2。

此外，因为通用接口(诸如，USB)被用于从分光镜单元1中的检测器14接收光电转换信号，所以可采用通用分光镜，只要它包括这种通用接口构件16即可。因此，如果用户具有这种分光镜，则能够仅通过将软件包安装到他的/她的计算机来实现实时光谱光合光子通量密度测量。因此，使引入更容易。在这里，因为分光镜单元驱动器被包括在软件包中，所以用户不需要专门获得装置驱动器。在这个方面，实施例的量子计也是方便的。

虽然上述量子计采用执行对来自检测器14的输出数据的中断发送的分光镜单元驱动器，但可采用执行批量发送的装置驱动器。在这种情况下，存储器被提供在分光镜单元1上的接口构件16中，在该存储器中，输出数据被以诸如CSV的格式暂时地存储。当数据获取模块41启动时，分光镜单元驱动器在接口构件16上执行对暂时存储的数据的批量发送。

不同于通用计算机是处理单元2的部件，本发明的实施例可具有处理构件被提供在分光镜单元1中的配置。具体地讲，包括作为处理构件的CPU的控制板可被安装在图1中示出的壳体11中。存储器和接口被提供在控制板上。上述PPFD测量程序被安装到存储器，并且可由CPU进行执行。用于显示计算的光谱光子通量密度分布的显示器被提供在壳体11上。在这种配置中，并不特别需要计算机，并且量子计由一个单元构成。因此，该配置被简化，并且增加了携带的方便。

虽然光合光子通量密度是400-700 nm的波长范围中的光子通量密度，但也可在这个波长范围之外计算和显示光子通量密度。 例如，如Emerson效应所知的那样，当比680 nm长的波长的近红外光被辐照到植物时，光合作用的产量随着蓝光的辐照度而增加。为了评估这种效应，可计算红外范围中的光子通量密度。在实施例的量子计中，分光镜单元1中的整体检测范围(分散波长范围)是200-800 nm(包括这种波长范围)。因此，通过使这种波长范围可指定，也可知道针对该波长范围的光谱光子通量密度分布。通过求和，也知道这种波长范围内的总光子通量密度。

作为分光镜单元1的配置，除了使用描述的线性阵列传感器的多通道配置之外，可采用单通道配置，其中驱动机构被提供给分散元件(光栅)12用于旋转，从而使光逐频带进入到传感器中。

符号的描述

1 分光镜单元

11 壳体

12 分散元件(衍射光栅)

13 入射光学系统

131 光接收器

132 光纤

133 入射狭缝

14 检测器

16 接口构件

2 处理单元

21 CPU

22 存储器

23 硬盘

24 显示器

26 接口构件

4 光子通量密度测量程序

41 主模块

42 数据获取模块

431 绝对值计算模块

432 相对值计算模块

44 条件设置模块

45 专用DLL文件

521 数据获取按钮

522 条件设置按钮

523 绝对值计算按钮

524 相对值计算按钮

53 曲线图显示框

54 数字数据显示框

6 波长范围设置窗口

61 整体范围设置栏

62 个体范围设置栏。

Claims (4)

1.一种量子计，包括

分散元件，测量光进入该分散元件；

检测器，由分散元件分散的测量光进入该检测器；

处理构件，处理从检测器输出的光电转换信号；和

显示器，显示由处理构件处理的光电转换信号，

其中

所述处理构件通过处理从检测器输出的光电转换信号来计算在每个波长的光合光子通量密度，

显示器能够在存在测量光的环境下实时地显示测量光的光谱光合光子通量密度分布，

处理构件包括存储器构件，在存储器构件上实现光合光子通量密度测量程序，或者处理构件能够经网络执行光合光子通量密度测量程序，

处理构件通过执行光合光子通量密度测量程序来计算在每个波长的光合光子通量密度，并且在显示器上显示光谱光合光子通量密度分布，

提供输入构件以将信息给予处理构件，

光合光子通量密度测量程序能够使得波长范围在输入构件上根据针对植物的有效光合波长被指定，并且能够计算在指定的波长范围内的每个波长的光合光子通量密度，

光合光子通量密度测量程序显示指定的波长范围中的光谱光合光子通量密度，而不显示其它波长范围中的光谱光合光子通量密度，

光合光子通量密度测量程序能够使得多个不连续的波长范围被指定，

光合光子通量密度测量程序能够计算每个指定的不连续的波长范围的光合光子通量密度，

光合光子通量密度测量程序显示每个指定的不连续的波长范围中的光谱光合光子通量密度，而不显示其它波长范围中的光谱光合光子通量密度。

2.如权利要求1所述的量子计，其中

所述光合光子通量密度测量程序能够通过将特定植物的光谱吸收率乘以测量的光谱光合光子通量密度来计算针对该植物的有效光谱光合光子通量密度，并且能够在显示器上显示计算的有效光谱光合光子通量密度。

3.如权利要求1或2所述的量子计，其中

所述分散元件和检测器被提供作为构成分光镜单元的部件，

处理构件被提供作为处理单元的部件，

处理单元是通用计算机，光合光子通量密度测量程序被安装在该通用计算机中。

4.如权利要求3所述的量子计，还包括：

装置驱动器，经通用接口接收从检测器输出的光电转换信号，装置驱动器被安装在处理单元中，其中

所述光合光子通量密度测量程序通过处理装置驱动器接收的光电转换信号来计算在每个波长的光合光子通量密度。