一种叶绿素荧光探测装置以及探测方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011]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。
[0012]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O.lwnol photons nf2s'饱和光>6000μηιο1 photons n^s^1，光化光为几 百μπιο? photons m-2s-、
[0013] 测量光的脉宽为5~100ys，周期为1/8~Is;光化光的脉宽为5~300ys，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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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：
[0018] 上式中为作用光所需的最大光强，E蓝为单个蓝光光子的能量，Difsg为照射区 域的光照半径，E灯为单个LED灯的出射光通量，T纖为人眼对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。
[0019] 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。
[0020]优选的，得到均匀的光照强度分布的具体步骤如下：
[0021] (1)设定照明评价函数MF为：
[0022] MF=ffFlX(I-Io)+ffF2XSD
[0023] 上式中，I为当前照明强度，1〇为目标照明强度，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。
[0024] (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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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：
[0028] (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；
[0029] (2)开启摄像单元采集测量光激发的叶绿素荧光图像。
[0030] 本发明