WO2000075642A1 - Gerät zur messung von laserinduzierter fluoreszenz von pigmenten und/oder umweltschadstoffen - Google Patents

Gerät zur messung von laserinduzierter fluoreszenz von pigmenten und/oder umweltschadstoffen Download PDF

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WO2000075642A1
WO2000075642A1 PCT/DE2000/001865 DE0001865W WO0075642A1 WO 2000075642 A1 WO2000075642 A1 WO 2000075642A1 DE 0001865 W DE0001865 W DE 0001865W WO 0075642 A1 WO0075642 A1 WO 0075642A1
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laser light
analog
fluorescence
light source
wavelength
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PCT/DE2000/001865
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Inventor
Martin NÄGELE
Peter Thoren
Original Assignee
Planto Gmbh
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6402—Atomic fluorescence; Laser induced fluorescence
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N2021/635—Photosynthetic material analysis, e.g. chrorophyll
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N2021/8466—Investigation of vegetal material, e.g. leaves, plants, fruits

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring laser-induced fluorescence of pigments and / or environmental pollutants.
  • PAM pulse amplitude modulation
  • PAM saturation pulse method
  • pump and probe a strong light pulse must be generated to saturate the photosynthesis system (closing the reaction centers) and the time course of the decay of the fluorescence is recorded by a number of measuring pulses of low intensity.
  • This method could also be used in daylight, but would not be safe for the eyes at longer working distances due to the high intensities required.
  • the quotient is a measure of the chlorophyll content and the photosynthetic activity of a plant and is based on the re-absorption rate of the fluorescent light emitted in the wavelength range around 690 nm, which is dependent on the amount of chlorophyll.
  • a device for measuring laser-induced fluorescence of chlorophyll molecules is known from European patent application EP 0 434 644 A2.
  • EP 0 434 644 A2 A device for measuring laser-induced fluorescence of chlorophyll molecules.
  • the measuring probe with the measurement object i. H. a part of a plant must be associated.
  • a device for measuring laser-induced fluorescence of chlorophyll molecules is also known from WO 97 42489.
  • the device has the disadvantage that the measurement result is dependent on the distance between the measurement object and the device due to the use of only one detection wavelength.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device for measuring laser-induced fluorescence which, when using eye-safe laser radiation, can be used independently of the working distance at working distances of up to a few meters, even against the background of sunlight. According to the invention, this object is achieved by means of a device for measuring laser-induced fluorescence of pigments and / or environmental pollutants
  • a pulsed laser light source for emitting eye-safe laser light with a wavelength suitable for exciting fluorescence of the pigments and / or environmental pollutants at a measuring point
  • a transmission device for transmitting the laser light (excitation radiation) emitted by the laser light source to the measurement location for excitation of fluorescence
  • a receiving device for receiving the excited fluorescent radiation which is arranged such that it receives the fluorescent radiation in the reverse direction to the direction of incidence of the excitation radiation, and a filter device for transmitting electromagnetic radiation with at least two different characteristic wavelengths or wavelength ranges, at which maxima in the fluorescence of the pigments and / or environmental pollutants are present and includes a measuring area restriction device for restricting the area of origin of the received electromagnetic radiation to the measuring site,
  • At least two photodiodes for detecting the fluorescence radiation at the at least two characteristic wavelengths or wavelength ranges and converting them into a respective electrical signal
  • analog signal processing devices corresponding to the number of detected fluorescence wavelengths, each having an analog preamplification device for analog preamplification of the signal (total signal) received by the photodiode during a laser light pulse for a respective characteristic wavelength and for analog preamplification of the signal received by the photodiode during a laser light pulse pause (interference signal) for the same characteristic wavelength, an analog interference signal storage device for analog storage of said interference signal, an analog subtractor here means for analog subtraction of said interference signal from the associated overall signal, an analog amplification device for analog amplification of the signal resulting after the subtraction and an A / D conversion device for A / D conversion of the amplified signal, and
  • a digital signal processing device for digital processing of the digitized signals.
  • the wavelength of the laser light source is advantageously in the range from 635 to 670 nm.
  • the red chlorophyll fluorescence can thus be excited.
  • the laser light source additionally emits light with a wavelength in the range from 300 to 400 nm, or that the device has an additional light source with a wavelength in the range from 300 to 400 nm. In this way, the blue and / or green fluorescence of pigments and / or environmental pollutants can also be excited.
  • the laser light source can be a laser, a laser diode or a diode module.
  • the receiving device advantageously has a lens with a very high aperture for detecting the excited fluorescent radiation.
  • the lens is a converging lens.
  • the lens is preferably a Fresnel lens.
  • the transmission device is designed in such a way that the excitation radiation spreads coaxially to the axis of the lens. On the one hand, this enables a compact device and, on the other hand, a measurement that is almost independent of the object-device distance.
  • the laser light source (s), the transmitting device, the receiving device and the photodiodes are advantageously housed together in one housing.
  • the filter device has at least one dichroic mirror or interference filter.
  • the filter device is designed such that it allows the two red chlorophyll fluorescence bands F 690 and F 730 to pass through.
  • the filter device additionally passes the blue fluorescent band F 450 and / or the green fluorescent band F 530.
  • the measuring area restriction device preferably has at least one aperture or a spatial filter.
  • the analog interference signal storage device advantageously comprises a sample / hold circuit.
  • the analog subtracting device comprises a subtractor circuit with operational amplifiers.
  • a further special embodiment of the invention is characterized by a display device for displaying the results of the processing carried out by the digital signal processing device.
  • Another particular embodiment of the invention is characterized by an output device for outputting the results of the processing carried out by the digital signal processing device.
  • Another special embodiment of the invention is characterized by a user interface. These can be used to provide the data to the display device or higher-level data processing systems or actuators as control signals.
  • Yet another special embodiment of the invention is characterized by an external bus coupling device.
  • the digital signal processing device comprises a device for forming at least one quotient from the digitized signals for two different characteristic wavelengths.
  • the Lichtenthaler index can be calculated.
  • the digital signal processing device preferably has a device for averaging over a plurality of digitized signals for a respective characteristic wavelength or over a plurality of quotients. This enables statistical evaluation. For example, the mean value of the Lichtenhaler index can be determined in this way.
  • Another special embodiment of the invention is characterized by an expert system.
  • the expert system for example, plant-specific factors can be taken into account.
  • the device is designed for use under water. This is useful, for example, if fluorescence measurements are to be carried out on algae.
  • the invention is based on the surprising finding that only measuring fluorescence radiation from the previously excited measuring location is detected by the measuring area restriction device and a device is provided by the pulsed operation of the eye-safe laser light source (s) and by corresponding processing of the signals by analog-electronic circuits, which is available under all daylight conditions , eye-safe and non-contact over measuring object-device distances of several meters, whereby such rapid measurements are possible that the use on moving machines, such as tractors, is possible.
  • the device is also very compact and therefore portable. With the device, for example, the chlorophyll in the leaves of plants can be excited and the characteristic fluorescence of chlorophyll can be detected.
  • the device can also be used to determine the chlorophyll density and thus the stress level of the plant or to determine the nutrient requirements of the plant.
  • the soil cover ratio of plants to soil can also be determined directly.
  • the wavelength of the excitation radiation and the selectivity of the photodiode it can be optimized for characteristic luminescence from other pigments occurring in nature. For example, it can be optimized for the characteristic luminescence of environmental pollutants to be detected.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a device for measuring laser-induced prompt fluorescence from chlorophyll molecules according to a particular embodiment of the invention
  • Fig. 2 details of the device shown in Fig. 1.
  • the device has a pulsed laser light source 10 with eye-safe laser light with a wavelength suitable for exciting fluorescence of the chlorophyll molecules in a plant leaf at a measuring location 12.
  • the laser light (excitation radiation) emitted by the laser light source 10 is sent to the measuring location 12 for excitation of fluorescence by means of a transmission device (not shown here).
  • 1 shows the laser light beam 14 from the laser light source 10 and the excited fluorescence radiation is indicated by arrows.
  • the fluorescence radiation excited at the measuring location 12 is received by a receiving device 16 and via a filter device 18 belonging to the receiving device 16, which also simultaneously separates the fluorescent light into a fraction at the wavelengths F 690 (690 nm) and F 735 (735 nm) , mapped onto two photodiodes 20, the dotted line being used to indicate that the number of photodiodes can be designed according to the number of fluorescent bands to be detected.
  • the receiving device 16 also has a measurement area restriction device (not shown) for restricting the area of origin of the received electromagnetic radiation to the measurement site 12 in the form of a spatial filter (not shown) in order to achieve optimal suppression of daylight and excitation radiation . This ensures that at a measuring distance of several meters (up to approx. 6 m) only fluorescent light from an area with a diameter of not more than 1 cm around the laser light beam 14 of the laser light source 10 strikes the photodiodes 20.
  • the fluorescence radiation is detected at exactly two characteristic wavelengths. In general, it can be detected on at least two characteristic wavelengths, care being taken that at least one characteristic wavelength is attenuated by reabsorption in the measurement object and another is not subject to any reabsorption.
  • the photodiodes 20 are followed by respective analog signal processing devices 22 which, during operation of the pulsed laser light source 10, are able to detect the interference light (background) during the laser light pulse pause and to make it available for the correction of the measurement signal during the laser light pulse, the high interference signal is subsequently subtracted from the overall signal.
  • the analog signals corrected in this way are then digitized in the analog signal processing device 22 and passed on to a digital signal processing device 24 for further evaluation.
  • the digital signal processing device 24 provides a user interface 26 to a display on the device (not shown) with a keyboard (not shown) or to one or more higher-level data processing system (s) (not shown). Alternatively, the user interface 26 allows direct actuation of actuators.
  • the device is housed in a robust, optionally waterproof housing 28. It is characterized by the ability to detect weak, actively excited fluorescence signals against the background of sunlight from measurement objects at a distance of a few meters. Furthermore, the compact, inexpensive design with integrated data processing and user interface to higher-level data processing systems enables use in many areas of agriculture / plant breeding to identify nutrient requirements and stress factors, in environmental protection and in water sampling.
  • FIG. 2 shows details of the device shown in FIG. 1, details of the receiving device and the analog signal processing device being shown in principle only for one of the photodiodes 20.
  • the laser light beam 14 from a laser light source 10 is directed onto a measurement object, ie in the present case onto a leaf 33 of a plant, by means of two deflecting mirrors 30 coaxial to the axis of a lens 32 of the receiving device.
  • the lens 32 forms the excited fluorescence radiation via a measuring area restriction device 34 in the form of a spatial filter and a filter device 18 in the form of a wavelength-selective filter and subsequent optical elements (not shown) on the two in FIG 1, from which only one of the photodiodes is shown for the sake of simplicity.
  • Each photodiode 20 converts the measurement signal for a respective characteristic wavelength into a respective electrical signal, which is then further processed in an analog signal processing device 22, in the form that in an analog preamplification device 22a that received from the respective photodiode 20 during a laser light pulse pause Signal (interference signal) is analog preamplified and subsequently stored analog in an analog interference signal storage device 22b, subsequently in an analog subtraction device 22c the stored interference signal is subtracted from the signal (overall signal) received during a laser light pulse from the photodiode 20 and from the analog preamplification device 22a analog preamplified overall signal , the result of the subtraction subsequently amplified in an analog amplification device 22d and then converted into a digitized signal by means of an A / D conversion device 22e is changed.
  • the amplified digitized signal is then passed on to the digital signal processing device 24 for further processing and evaluation.
  • the analog processing of the signals before digitization avoids problems caused by the limited range of measured values (dynamic range) when digitizing

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Abstract

Gerät zur Messung von laserinduzierter Fluoreszenz von Pigmenten und/oder Umweltschadstoffen mit einer gepulsten Laserlichtquelle (10) zur Aussendung von augensicherem Laserlicht mit einer zur Anregung von Fluoreszenz der Pigmente und/oder Umweltschadstoffe an einem Meßort (12) geeigneten Wellenlänge, einer Sendeeinrichtung zum Senden des von der Laserlichtquelle abgegebenen Laserlichts (Anregungsstrahlung) zum Messort zur Anregung von Fluoreszenz, einer Empfangseinrichtung (14) zum Empfangen der angeregten Fluoreszenzstrahlung, mindestens zwei Photodioden (20) zur Detektion der Fluoreszenzstrahlung bei den mindestens zwei charakteristischen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen und Umwandlung in ein jeweiliges elektrisches Signal, analogen Signalverarbeitungseinrichtungen (22) entsprechend der Anzahl der detektierten Fluoreszenzwellenlängen, und einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung (24) zur digitalen Verarbeitung der digitalisierten Signale.

Description

„Gerät zur Messung von laserinduzierter Fluoreszenz von Pigmenten und/oder Umweltschadstoffen"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von laserinduzierter Fluoreszenz von Pigmenten und/oder Umweltschadstoffen.
Zum Nachweis des Wachstums- und Gesundheitszustandes von Pflanzen werden im wissenschaftlichen Bereich neben gaswechselanalytischen Methoden in den letzten Jahren verstärkt spezielle Fluorometer eingesetzt, die über die Messung der in Verbindung mit dem Photo- synteseprozeß emittierten Fluoreszenz des Chlorophylls Aussagen über den Zustand einer Pflanze gewinnen. Dabei kann man im wesentlichen zwischen zwei Arten von Fluoreszenz- Meßgeräten unterscheiden:
a) Geräte zur Messung des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenz (auch verzögerte Fluoreszenz (delayed Fluorescence) genannt) des Chlorophylls im roten Spektralbereich (685 - 730 nm) (sogenannte Kautsky-Kurve) nach Verdunkelung der zu untersuchenden Pflanze für mindestens 30 Minuten und anschließender Belichtung.
b) Geräte nach dem Prinzip der Pulsamplitudenmodulation (PAM) oder auch Sättigungspulsmethode oder "pump and probe"-Methode. Bei diesem Verfahren muß ein starker Lichtimpuls zur Sättigung des Photosynthesesystems (Schließen der Reaktionszentren) erzeugt werden und wird durch eine Anzahl von Meßpulsen geringer Intensität der zeitliche Verlauf des Abklingens der Fluoreszenz aufgezeichnet. Dieses Verfahren könnte auch bei Tageslicht eingesetzt werden, wäre jedoch beim größeren Arbeitsabständen aufgrund der dann erforderlichen hohen Intensitäten nicht augensicher.
Neben den oben beschriebenen Verfahren wurden in den letzten Jahren Verfahren untersucht, die auf der Ermittlung des Verhältnisses der Fluoreszenzen der Wellenlängen um 690 nm und 730 nm beruhen. Es handelt sich dabei um die roten Fluoreszenzbänder, die als F 690 und F 730 bezeichnet werden. Der Quotient aus den Intensitäten der Fluoreszenz bei 690 nm und 730 nm wird auch als Lichtenthaler-Index nach Professor Hartmut K. Lichtenthaler bezeichnet, der auf dem Gebiet der Messung von Fluoreszenz an Pflanzen bereits seit vielen Jahren arbeitet und auch zahlreiche Veröffentlichungen vorgenommen hat (siehe beispielsweise "The Chlorophyll fluorescence ratio F690/F735 as a possible stress indicator" von U. Rinderle und H. K. Lichtenthaler in Applications of Chlorophyll Fluorescence, Seiten 189 - 196, Kluwer Academic, Dordrecht). Der Quotient ist ein Maß für den Chlorophyllgehalt und die Photosyntheseaktivität einer Pflanze und beruht auf der von der Chlorophyllmenge abhängigen Re- absorptionsrate des im Wellenlängenbereich um 690 nm ausgesandten Fluoreszenzlichtes. Diese Verfahren haben gegenüber den Vorgenannten die Vorteile, daß eine deutlich erhöhte Messgeschwindigkeit erzielbar ist, da es sich um eine statische Messung handelt und somit kein Abklingverhalten gemessen wird, und daß keine Sättigung des Photosyntheseapparates notwendig ist. Allerdings unterscheidet sich der Lichtenthaler-Index für verschiedene Pflanzenarten.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 434 644 A2 ist ein Gerät zur Messung von laserinduzierter Fluoreszenz von Chlorophyllmolekülen bekannt. Es weist jedoch den Nachteil auf, daß die Meßsonde mit dem Meßobjekt, d. h. einem Pflanzenteil in Verbindung gebracht werden muß.
Aus der WO 97 42489 ist ebenfalls ein Gerät zur Messung von laserinduzierter Fluoreszenz von Chlorophyllmolekülen bekannt. Das Gerät weist jedoch den Nachteil auf, daß das Meßergebnis aufgrund der Verwendung von lediglich einer Nachweiswellenlänge vom Abstand Meßobjekt - Gerät abhängig ist .
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Messung von laserinduzierter Fluoreszenz bereitzustellen, das bei Verwendung von augensicherer Laserstrahlung bei Ar- beitsabständen von bis zu einigen Metern - auch vor dem Hintergrund des Sonnenlichtes - arbeitsabstandsunabhängig einsetzbar ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Gerät zur Messung von laserinduzierter Fluoreszenz von Pigmenten und/oder Umweltschadstoffen, mit
einer gepulsten Laserlichtquelle zur Aussendung von augensicherem Laserlicht mit einer zur Anregung von Fluoreszenz der Pigmente und/oder Umweltschadstoffe an einem Meßort geeigneten Wellenlänge,
einer Sendeeinrichtung zum Senden des von der Laserlichtquelle abgegebenen Laserlichts (Anregungsstrahlung) zum Meßort zur Anregung von Fluoreszenz,
einer Empfangseinrichtung zum Empfangen der angeregten Fluoreszenzstrahlung, die derart angeordnet ist, daß sie die Fluoreszenzstrahlung in Rückwärtsrichtung zur Einfallsrichtung der Anregungsstrahlung empfängt und eine Filtereinrichtung zum Hindurchlassen von elektromagnetischer Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen charakteristischen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen, bei denen Maxima in der Fluoreszenz der Pigmente und/oder Umweltschadstoffe vorliegen, und eine Meßgebietbeschrän- kungseinrichtung zur Beschränkung des Ursprungsgebietes der empfangenen elektromagnetischen Strahlung auf den Meßort umfaßt,
mindestens zwei Photodioden zur Detektion der Fluoreszenzstrahlung bei den mindestens zwei charakteristischen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen und Umwandlung in ein jeweiliges elektrisches Signal,
analogen Signalverarbeitungseinrichtungen entsprechend der Anzahl der detektierten Fluoreszenzwellenlängen, wobei jede eine analoge Vorverstärkungseinrichtung zur analogen Vorverstärkung des während eines Laserlichtimpulses von der Photodiode erhaltenen Signals (Gesamtsignal) für eine jeweilige charakteristische Wellenlänge und zur analogen Vorverstärkung des während einer Laserlichtimpulspause von der Photodiode erhaltenen Signals (Störsignal) für dieselbe charakteristische Wellenlänge, eine analoge Störsignalspeichereinrichtung zur analogen Speicherung besagten Störsignals, eine analoge Subtra- hiereinrichtung zur analogen Subtraktion besagten Störsignals vom zugehörigen Gesamtsignal, eine analoge Verstärkungseinrichtung zur analogen Verstärkung des nach der Subtraktion resultierenden Signals und eine A/D-Wandlungseinrichtung zur A/D- Wandlung des verstärkten Signals umfaßt, und
einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung zur digitalen Verarbeitung der digitalisierten Signale.
Günstigerweise liegt die Wellenlänge der Laserlichtquelle im Bereich von 635 bis 670 nm. Damit läßt sich die rote Chlorophyll-Fluoreszenz anregen.
Dabei kann auch vorgesehen sein, daß die Laserlichtquelle zusätzlich Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die im Bereich von 300 bis 400 nm liegt, oder daß das Gerät eine zusätzliche Lichtquelle mit einer Wellenlänge im Bereich von 300 bis 400 nm aufweist. Damit läßt/lassen sich zusätzlich die blaue und/oder grüne Fluoreszenz von Pigmenten und/oder Umweltschadstoffen anregen.
Außerdem kann die Laserlichtquelle ein Laser, eine Laserdiode oder ein Diodenmodul sein.
Günstigerweise weist die Empfangseinrichtung eine Linse mit sehr hoher Apertur zum Erfassen der angeregten Fluoreszenzstrahlung auf.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die Linse eine Sammellinse ist.
Vorzugsweise ist die Linse eine Fresnel-Linse. Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform ist die Sendeeinrichtung derart gestaltet, daß die Anregungsstrahlung sich koaxial zur Achse der Linse ausbreitet. Dies ermöglicht zum einen ein kompaktes Gerät und zum anderen eine nahezu vom Meßobjekt-Gerät- Abstand unabhängige Messung.
Vorteilhafterweise sind die Laserlichtquelle(n), die Sendeeinrichtung, die Empfangseinrichtung und die Photodioden gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Filtereinrichtung mindestens einen dichroitischen Spiegel oder Interferenzfilter aufweist.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß die Filtereinrichtung derart gestaltet ist, daß sie die zwei roten Chlorophyll-Fluoreszenzbänder F 690 und F 730 hindurchläßt.
Außerdem kann vorgesehen sein, daß die Filtereinrichtung zusätzlich das blaue Fluoreszenzband F 450 und/oder das grüne Fluoreszenzband F 530 hindurchläßt.
Vorzugsweise weist die Meßgebietbeschränkungseinrichtung mindestens eine Blende oder einen Ortsfilter auf.
Günstigerweise umfaßt die analoge Störsignalspeichereinrichtung einen Sample/Hold- Schaltkreis.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die analoge Subtrahiereinrichtung eine Subtrahiererschaltung mit Operationsverstärkern umfaßt. Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Ergebnisse der von der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung vorgenommenen Verarbeitung.
Wiederum eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe der Ergebnisse der von der digitalen Signal Verarbeitungseinrichtung vorgenommenen Verarbeitung.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Benutzerschnittstelle. Über diese können die Daten der Anzeigeeinrichtung oder übergeordneten Datenverarbeitungssystemen oder Aktoren als Steuersignale zur Verfügung gestellt werden.
Wiederum eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine externe Bus-Ankopplungseinrichtung.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die digitale Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Bildung mindestens eines Quotienten aus den digitalisierten Signalen für jeweils zwei unterschiedliche charakteristische Wellenlängen. Beispielsweise kann dadurch der Lichtenthaler-Index berechnet werden.
Vorzugsweise weist die digitale Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Mittelwertbildung über mehrere digitalisierte Signale für eine jeweilige charakteristische Wellenlänge oder über mehrere Quotienten auf. Damit ist eine statistische Auswertung möglich. Beispielsweise kann so der Mittelwert des Lichten haler-Indexes bestimmt werden.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Expertensystem. Mit Hilfe des Expertensystems lassen sich zum Beispiel pflanzenartenspezifische Faktoren berücksichtigen. Schließlich kann vorgesehen sein, daß das Gerät für einen Einsatz unter Wasser ausgelegt ist. Dies ist zum Beispiel sinnvoll, wenn Fluoreszenzmessungen an Algen vorgenommen werden sollen.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch die Meßgebietbe- schränkungseinrichtung nur Fluoreszenzstrahlung aus dem zuvor angeregten Meßort erfaßt und durch den Impulsbetrieb der augensicheren Laserlichtquelle(n) und durch entsprechende Verarbeitung der Signale durch analogelektronische Schaltungen ein Gerät bereitgestellt wird, das unter allen Tageslichtbedingungen, augensicher und berührungslos über Meßobjekt- Gerät-Abstände von mehreren Metern einsetzbar ist, wobei derart schnelle Messungen möglich sind, daß der Einsatz auf bewegten Maschinen, wie zum Beispiel Traktoren, möglich ist. In einer besonderen Ausführungsform ist das Gerät auch sehr kompakt und damit tragbar. Mit dem Gerät läßt sich zum Beispiel das Chlorophyll in Blättern von Pflanzen anregen und lassen sich die charakteristischen Fluoreszenzen des Chlorophylls detektieren. Das Gerät kann auch zur Bestimmung der Chlorophylldichte und damit des Streßzustands der Pflanze bzw. zur Bestimmung des Nährstoffbedarfs der Pflanze eingesetzt werden. Neben dem Chlorophyllgehalt kann auch das Bodenbedeckungsverhältnis von Pflanzen zu Erdboden direkt bestimmt werden. Es kann hinsichtlich der Wellenlänge der Anregungsstrahlung und in der Selektivität der Photodiode (Detektiereinrichtung) auf charakteristische Lumineszenzen von anderen in der Natur vorkommenden Pigmenten optimiert werden. Beispielsweise kann es auf charakteristische Lumineszenzen von nachzuweisenden Umweltschadstoffen optimiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der schematischen Zeichnungen erläutert ist. Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Gerätes zur Messung von laserinduzierter prompter Fluoreszenz von Chlorophyllmolekülen gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 2 Details des in Fig. 1 gezeigten Gerätes.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist dort ein Gerät zur Messung von laserinduzierter prompter Fluoreszenz von Chlorophyllmolekülen gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Gerät weist eine gepulste Laserlichtquelle 10 mit augensicherem Laserlicht mit einer zur Anregung von Fluoreszenz der Chlorophyllmoleküle in einem Pflanzenblatt an einem Meßort 12 geeigneten Wellenlänge auf. Das von der Laserlichtquelle 10 abgegebene Laserlicht (Anregungsstrahlung) wird mittels einer Sendeeinrichtung (hier nicht gezeigt) zum Meßort 12 zur Anregung von Fluoreszenz gesendet. In Fig. 1 ist der Laserlichtstrahl 14 der Laserlichtquelle 10 gezeigt und die angeregte Fluoreszenzstrahlung durch Pfeile angedeutet. Die am Meßort 12 angeregte Fluoreszenzstrahlung wird von einer Empfangseinrichtung 16 empfangen und über eine zu der Empfangseinrichtung 16 gehörige Filtereinrichtung 18, die auch gleichzeitig eine Auftrennung des Fluoreszenzlichts in einen Anteil bei der Wellenlänge F 690 (690 nm) und F 735 (735 nm) vornimmt, auf zwei Photodioden 20 abgebildet, wobei durch die punktierte Linie angedeutet werden soll, daß die Anzahl der Photodioden entsprechend der Anzahl der zu detektierenden Fluoreszenzbänder ausgelegt werden kann. Neben der Filtereinrichtung 18 weist die Empfangseinrichtung 16 auch eine Meßgebietbeschränkungs- einrichtung (nicht gezeigt) zur Beschränkung des Ursprungsgebietes der empfangenen elektromagnetischen Strahlung auf den Meßort 12 in Form eines Ortsfilters (nicht gezeigt) auf, um eine optimale Unterdrückung des Tageslichtes und der Anregungsstrahlung zu erreichen. Damit wird erreicht, daß bei einer Meßentfernung von mehreren Metern (bis zu ca. 6 m) trotzdem nur Fluoreszenzlicht aus einem Bereich mit einem Durchmesser von nicht mehr als 1 cm um den Laserlichtstrahl 14 der Laserlichtquelle 10 herum auf die Photodioden 20 trifft.
Im vorliegenden Fall wird die Fluoreszenzstrahlung auf genau zwei charakteristischen Wellenlängen detektiert. Allgemein kann sie auf mindestens zwei charakteristischen Wellenlängen detektiert werden, wobei darauf zu achten ist, daß jeweils mindestens eine charakteristische Wellenlänge durch Reabsorption im Meßobjekt abgeschwächt wird und eine weitere keiner Reabsorption unterliegt. Den Photodioden 20 sind jeweilige analoge Signalverarbeitungseinrichtungen 22 nachgeschaltet, welche beim Betrieb der gepulsten Laserlichtquelle 10 in der Lage sind, das Störlicht (Untergrund) während der Laserlichtimpulspause zu erfassen und für die Korrektur des Meßsignals während des Laserlichtimpulses zur Verfügung zu stellen, wobei das hohe Störsignal nachfolgend vom Gesamtsignal subtrahiert wird. Die derart korrigierten Analogsignale werden dann in der analogen Signalverarbeitungseinrichtung 22 digitalisiert und zur weiteren Auswertung an eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung 24 weitergegeben. Dort wird ein statistische Auswertung der Meßsignale und eine Ermittlung weiterer Parameter, wie zum Beispiel des Flächenbedeckungsverhältnisses der zu messenden Substanz, vorgenommen. Ein optionales Expertensystem (nicht gezeigt) erlaubt die Anpassung des Gerätes an unterschiedliche Meßobjekte. Die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 24 stellt eine Benutzerschnittstelle 26 zu einem am Gerät befindlichen Display (nicht gezeigt) mit Tastatur (nicht gezeigt) oder zu einem oder mehreren übergeordneten Datenverarbeitungssystem(en) (nicht gezeigt) zur Verfügung. Die Benutzerschnittstelle 26 erlaubt alternativ eine direkte Ansteuerung von Aktoren.
Das Gerät ist in einem robusten, wahlweise wasserdichten Gehäuse 28 untergebracht. Es zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, schwache, aktiv angeregte Fluoreszenzsignale vor dem Hintergrund des Sonnenlichtes aus Meßobjekten in einigen Metern Entfernung augensicher detektieren zu können. Ferner ermöglicht die kompakte, preiswerte Bauweise mit integrierter Datenverarbeitung und Benutzerschnittstelle zu übergeordneten Datenverarbeitungssystemen den Einsatz in vielen Bereichen der Landwirtschaft/Pflanzenzucht zur Erkennung des Nährstoffbedarfs und von Streßfaktoren, im Umweltschutz und bei der Gewässerbeprobung.
Fig. 2 zeigt Details des in Fig. 1 gezeigten Gerätes, wobei Einzelheiten der Empfangseinrichtung und der analogen Signalverarbeitungseinrichtung im Prinzip nur für eine der Photodioden 20 gezeigt sind. Wie Fig. 2 zeigt, wird der Laserlichtstrahl 14 einer Laserlichtquelle 10 mittels zweier Umlenkspiegel 30 koaxial zur Achse einer Linse 32 der Empfangseinrichtung auf ein Meßobjekt, d. h. im vorliegenden Fall auf ein Blatt 33 einer Pflanze gerichtet. Die Linse 32 bildet die angeregte Fluoreszenzstrahlung über eine Meßgebietbeschränkungsein- richtung 34 in Form eines Ortsfilters und eine Filtereinrichtung 18 in Form eines wellenlängenselektiven Filters und nachfolgende optische Elemente (nicht gezeigt) auf die beiden in Fig. 1 gezeigten Photodioden 20 ab, wobei hier der Einfachheit halber nur eine der Photodioden gezeigt ist. Jede Photodiode 20 wandelt das Meßsignal für eine jeweilige charakteristische Wellenlänge in ein jeweiliges elektrisches Signal um, das anschließend in einer analogen Signalverarbeitungseinrichtung 22 weiterverarbeitet wird, und zwar in der Form, daß in einer analogen Vorverstärkungseinrichtung 22a das während einer Laserlichtimpulspause von der jeweiligen Photodiode 20 erhaltene Signal (Störsignal) analog vorverstärkt und nachfolgend in einer analogen Störsignalspeichereinrichtung 22b analog gespeichert wird, nachfolgend in einer analogen Subtrahiereinrichtung 22c das gespeicherte Störsignal von dem während eines Laserlichtimpulses von der Photodiode 20 erhaltenen Signal (Gesamtsignal) und von der analogen Vorverstärkungseinrichtung 22a analog vorverstärkten Gesamtsignal subtrahiert, das Ergebnis der Subtraktion nachfolgend in einer analogen Verstärkungseinrichtung 22d analog verstärkt und dann mittels einer A/D-Wandlungseinrichtung 22e in ein digitalisiertes Signal umgewandelt wird. Das verstärkte digitalisierte Signal wird dann an die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 24 zur weiteren Verarbeitung und Auswertung weitergegeben. Die analoge Verarbeitung der Signale vor einer Digitalisierung vermeidet durch den beschränkte Meßwertebereich (Dynamikbereich) verursachte Probleme bei der Digitalisierung von bei Tageslicht erhaltenen Signalen.
Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich.

Claims

Patentansprtiche
1. Gerät zur Messung von laserinduzierter Fluoreszenz von Pigmenten und/oder Umweltschadstoffen, mit
- einer gepulsten Laserlichtquelle (10) zur Aussendung von augensicherem Laserlicht mit einer zur Anregung von Fluoreszenz der Pigmente und/oder Umweltschadstoffe an einem Meßort (12) geeigneten Wellenlänge,
einer Sendeeinrichtung zum Senden des von der Laserlichtquelle (10) abgegebenen Laserlichts (Anregungsstrahlung) zum Meßort (12) zur Anregung von Fluoreszenz,
- einer Empfangseinrichtung (16) zum Empfangen der angeregten Fluoreszenzstrahlung, die derart angeordnet ist, daß sie die Fluoreszenzstrahlung in Rückwärtsrichtung zur Einfallsrichtung der Anregungsstrahlung empfängt und eine Filtereinrichtung (18) zum Hindurchlassen von elektromagnetischer Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen charakteristischen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen, bei denen Maxima in der Fluoreszenz der Pigmente und/oder Umweltschadstoffe vorliegen, und eine Meßgebietbeschränkungseinrichtung (34) zur Beschränkung des Ursprungsgebietes der empfangenen elektromagnetischen Strahlung auf den Meßort (12) umfaßt,
mindestens zwei Photodioden (20) zur Detektion der Fluoreszenzstrahlung bei den mindestens zwei charakteristischen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen und Umwandlung in ein jeweiliges elektrisches Signal,
analogen Signalverarbeitungseinrichtungen (22) entsprechend der Anzahl der detektierten Fluoreszenzwellenlängen, wobei jede eine analoge Vorverstärkungseinrichtung (22 a) zur analogen Vorverstärkung des während eines Laserlichtimpulses von der Photodiode (20) erhaltenen Signals (Gesamtsignal) für eine jeweilige charakteristische Wellenlänge und zur analogen Vorverstärkung des während einer Laserlichtimpulspause von der Photodiode (20) erhaltenen Signals (Störsignal) für dieselbe charakteristische Wellenlänge, eine analoge Störsignalspeichereinrichtung (22 b) zur analogen Speicherung besagten Störsignals, eine analoge Subtrahiereinrichtung (22 c) zur analogen Subtraktion besagten Störsignals vom zugehörigen Gesamtsignal, eine analoge Verstärkungseinrichtung (22 d) zur analogen Verstärkung des nach der Subtraktion resultierenden Signals und eine A/D-Wandlungseinrichtung (22 e) zur A/D- Wandlung des verstärkten Signals umfaßt, und
einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung (24) zur digitalen Verarbeitung der digitalisierten Signale.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Laserlichtquelle (10) im Bereich von 635 bis 670 nm liegt.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle (10) zusätzlich Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die im Bereich von 300 bis 400 nm liegt, oder daß das Gerät eine zusätzliche Laserlichtquelle mit einer Wellenlänge im Bereich von 300 bis 400 nm aufweist.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle (10) ein Laser, eine Laserdiode oder ein Diodenmodul ist.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (16) eine Linse (32) mit sehr hoher Apertur zur Erfassung der angeregten Fluoreszenzstrahlung aufweist.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (32) eine Sammellinse ist.
7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (32) eine Fresnel-Linse ist.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung derart gestaltet ist, daß die Anregungsstrahlung sich koaxial zur Achse der Linse (32) ausbreitet.
9. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser- lichtquelle(n) (10), die Sendeeinrichtung, die Empfangseinrichtung (16) und die Photodioden (20) gemeinsam in einem Gehäuse (28) untergebracht sind.
10. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung mindestens einen dichroitischen Spiegel oder Interferenzfilter aufweist.
11. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (18) derart gestaltet ist, daß sie die zwei roten Chlorophyll- Fluoreszenzbänder F 690 und F 730 hindurchläßt.
12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (18) zusätzlich das blaue Fluoreszenzband F 450 und/oder das grüne Fluoreszenzband F 530 hindurchläßt.
13. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- gebietbeschränkungseinrichtung (34) mindestens eine Blende oder einen Ortsfilter aufweist.
14. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Störsignalspeichereinrichtung (22 b) einen Sample/Hold-Schaltkreis umfaßt.
15. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Subtrahiereinrichtung (22 c) eine Subtrahiererschaltung mit Operationsverstärkern umfaßt.
16. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Ergebnisse der von der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung (22) vorgenommenen Verarbeitung.
17. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe der Ergebnisse der von der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung (24) vorgenommenen Verarbeitung.
18. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Benutzerschnittstelle (26).
19. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine externe Bus- Ankoppelungseinrichtung .
20. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Signalverarbeitungseinrichtung (24) eine Einrichtung zur Bildung mindestens eines Quotienten aus den digitalisierten Signalen für jeweils zwei unterschiedliche charakteristische Wellenlängen umfaßt.
21. Gerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Signalverarbeitungseinrichtung (24) eine Einrichtung zur Mittelwertbildung über mehrere digitalisierte Signale für eine jeweilige charakteristische Wellenlänge oder über mehrere Quotienten aufweist.
22. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Expertensystem.
23. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es für einen Einsatz unter Wasser ausgelegt ist.
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