Оптоелектронний сенсор

Реферат: Оптоелектронний сенсор належить до області приладів для дослідження матеріалів шляхом визначення їх оптичних властивостей, зокрема індукції флуоресценції, відбиття та поглинання нативного хлорофілу інтактного листка рослини, і може бути використаний в рослинництві при експресній діагностиці стану рослин. Cенсор містить затискач із з'єднаних рухомо пластин, каркас, розміщений в отворі верхньої пластини. В каркасі послідовно розташовані розсіююча лінза, світлофільтри, рідкокристалічний індикатор, збираюча лінза і фотоприймач. Сенсор містить з'єднаний з рідкокристалічним індикатором мікроконтролер, призначений для керування прозорістю фрагментів рідкокристалічного індикатора, навпроти яких встановлено світлофільтри, для роздільного визначення поглинання, відбиття та флуоресценції. Винахід забезпечує визначення структурних і функціональних властивостей хлорофілу, за показниками відбиття, поглинання і індукції флуоресценції, а також імітування значення цих показників хлорофілу для живого і мертвого листків рослини. UA 111740 C2 (12) UA 111740 C2 UA 111740 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований пристрій належить до області дослідження речовин шляхом визначення їх фізичних властивостей і може бути застосований при визначені відбиття, поглинання та флуоресценції нативного хлорофілу інтактного листка рослини у польових умовах. Запропонований пристрій можна визначити як біосенсор, де чутливим елементом є нативний хлорофіл, тобто хлорофіл листка не відокремленого від рослини. Відомий "Оптический транспарант", авт. св. SU № 1647649 А1,07.05.1991. Бюл. № 17. Транспарант містить матрицю електронно-оптичних рідкокристалічних комірок і схему управління щільністю світлового потоку через них. Зміну прозорості комірок здійснюють шляхом подачі постійного зміщення та змінної напруги. Спільними рисами запропонованого пристрою та аналога є використання рідкокристалічних комірок як перемикача оптичних каналів шляхом електричного управління їх прозорістю. Причиною, що заважає досягненню бажаного технічного результату, є неможливість використання елементів транспаранта в малогабаритних сенсорах хлорофілу. Відомий "Оптоелектронний сенсор" (патент UA № 13485, 17,2006,04, Бюл. № 4). Сенсор містить затискач, що складається з двох з'єднаних рухомо пластин з отворами, та фотоприймач, розміщений під кожухом на одній з пластин затискача, а також червоний та інфрачервоний світлодіоди і розсіюючий світлофільтр, розташований між світлодіодами та пластиною затискача, розміщені у світлозахисному кожусі на другій пластині так, що оптичні осі червоного та інфрачервоного світлодіодів перетинаються на фотоприймачі, причому вхід інфрачервоного світлодіода з'єднаний через перший потенціометр, перемикач і другий потенціометр з входом пристрою, а вхід червоного світлодіода під'єднаний через перемикач та другий потенціометр до входу пристрою, другі входи червоного та інфрачервоного світлодіодів з'єднані між собою і з другим входом пристрою, виходи фотоприймача є виходами пристрою. Спільними рисами запропонованого пристрою та аналога є затискач, що складається з двох з'єднаних рухомо пластин, фотоприймач та світлодіоди, орієнтовані на об'єкт і розміщені під світлозахисними кожухами на пластинах затискача. Причиною, що заважає одержанню очікуваного технічного результату, є те, що пристрій аналог не дозволяє одержувати сигнали індукції флуоресценції та визначати відбиття з поверхні листа в синій і червоній області спектра. Найближчим по суті до запропонованого пристрою є "Оптоелектронний сенсор" (патент UA 13481, 17.04.2006, Бюл. № 4). Сенсор містить затискач, що складається з двох з'єднаних рухомо пластин, фотоприймач та світлофільтр, розташовані у світлозахисному кожусі, містить світлодіоди та каркас з отворами, розташовані у корпусі, причому у центральному отворі каркаса встановлено світлофільтр та фотоприймач, а бокові отвори, з розміщеними в них світлодіодами, розташовані попарно на протилежних кінцях каркаса симетрично центральному отвору та під кутом до нього так, що оптичні осі світлодіодів та фотоприймача перетинаються на нижній пластині затискача під кутом 20-45°. Спільними рисами запропонованого пристрою та сенсора-прототипу є затискач, із з'єднаних рухомо пластин, фотоприймач і світлофільтр, розташовані в каркасі під світлозахисним кожухом, та світлодіоди. Причиною, що заважає одержанню очікуваного технічного результату, є те, що пристрійпрототип не дозволяє визначати інформативні показники флуоресценції та відбиття, зокрема роздільне визначення флуоресценції на хвилях 680 та 730 нм і відбиття в синій та червоній області спектра, а також поглинання листка в червоній та інфрачервоній областях спектра. В основу винаходу поставлена задача створення такого сенсора, для визначення оптичних показників нативного хлорофілу інтактного листка рослини в якому, завдяки введенню нових елементів та зміні структури відомих елементів з урахуванням властивостей хлорофілу, стало б можливим визначення структурних і функціональних властивостей хлорофілу і фотосинтезу, за показниками відбиття, поглинання та індукції флуоресценції, а також імітування значення цих показників хлорофілу для живого і мертвого листків. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що запропонований оптоелектронний сенсор, що включає затискач із з'єднаних рухомо пластин, фотоприймач і світлофільтр, розташовані в каркасі під світлозахисним кожухом, та світлодіоди, а в отворі верхньої пластини знаходиться каркас, в якому послідовно розташовані розсіююча лінза, світлофільтри, рідкокристалічний індикатор, збираюча лінза і фотоприймач, а мікроконтролер, з'єднаний з рідкокристалічним індикатором, розміщено під світлозахисним кожухом на верхній пластині затискача, та світлодіоди розташовані на нижній стороні верхньої пластини навколо отвору і орієнтовані на світловідбиваючу поверхню нижньої пластини затискача напроти отвору верхньої пластини. 1 UA 111740 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відмінними ознаками запропонованого сенсора те, що в отворі верхньої пластини знаходиться каркас, в якому послідовно розташовані розсіююча лінза, світлофільтри, рідкокристалічний індикатор, збираюча лінза і фотоприймач, а мікроконтролер, з'єднаний з рідкокристалічним індикатором, розміщено під світлозахисним кожухом на верхній пластині затискача, та світлодіоди розташовані на нижній стороні верхньої пластини навколо отвору і орієнтовані на світловідбиваючу поверхню нижньої пластини затискача напроти отвору верхньої пластини. Введення у відомий сенсор оптоелектронного мультиплексора, який включає рідкокристалічний індикатор, світлофільтри і розсіюючу лінзу, розміщені в каркасі під збираючою лінзою, та мікроконтролер, дозволяє в одному сенсорі шляхом електронного перемикання оптичних каналів зосередити функції визначення показників флуоресценції, відбиття та поглинання нативного хлорофілу інтактного листка рослини та імітувати значення цих показників для живого і мертвого листків рослини. Запропонований сенсор ґрунтується на властивості рідкокристалічного індикатора змінювати прозорість кожного пікселя під впливом сигналу управляючої напруги, що дає можливість управляти прозорістю окремих фрагментів рідкокристалічного індикатора, які є перемикачами оптичних каналів мультиплексора. На кресленні схематично зображено запропонований сенсор. Оптоелектронний сенсор містить затискач із з'єднаних рухомо пластин 1 та 5, світловідбиваючу поверхню 2 на нижній пластині, розсіюючу лінзу 3, світлодіоди 4, розміщені навколо отвору верхньої пластини 5, світлофільтри 6, розміщені напроти світлопровідних фрагментів рідкокристалічного індикатора 7, які створюють світлопровідні канали, або просто канали рідкокристалічного індикатора, збираюча лінза 8 та фотоприймач 9, розміщені в каркасі 10, мікроконтролер 12, з'єднаний з рідкокристалічним індикатором 7 і розташований під світлозахисним кожухом 11 на верхній пластині 5. Робота сенсора можлива в двох режимах: режим вимірювання показників флуоресценції, відбиття і поглинання, та режим імітації цих властивостей нативного хлорофілу інтактного листка рослини. В режимі вимірювання сенсор працює наступним чином: При вимірюванні показників флуоресценції вмикають відповідні світлодіоди 4 і опромінюють листок рослини на хвилі 470 нм. Сигнал наведеної флуоресценції через розсіюючу лінзу 3 надходить на світлофільтри 6 і через червоний світлофільтр з довжиною хвилі пропускання 680 нм проходить через відповідний фрагмент рідкокристалічного індикатора 7, що знаходиться в режимі пропускання світла. Інші фрагменти рідкокристалічного індикатора 7 знаходяться в закритому стані. Сигнал флуоресценції після відкритого фрагмента рідкокристалічного індикатора 7 через збираючу лінзу 8 надходить на фотоприймач 9, де перетворюється в напругу і далі надходить в тракт вимірювання. При вимірюванні показників відбиття листок рослини опромінюють на одній з хвиль відбиття 470, 550, 650 або 900 нм відповідними світлодіодами 4. При цьому відкривають відповідний канал рідкокристалічного індикатора 7, а між листком і відбиваючою поверхнею на нижній пластині розміщують світлопоглинаючу поверхню, наприклад чорний папір або папір, вкритий сажею. Сигнал відбиття з листка рослини через розсіюючи лінзу 3, відкритий канал рідкокристалічного індикатора 7, без світлофільтра, і збираючу лінзу 8 надходить на фотоприймач 9 і далі як і раніше, а частина опромінення, що пройшла через листок, поглинається світлопоглинаючою поверхнею. При вимірюванні відбиття на хвилі 470 нм відбитий сигнал приймають через світлофільтр на 470 нм для зменшення впливу червоної флуоресценції. При вимірюванні показників поглинання листок рослини розміщують на світловідбиваючій поверхні 2 нижньої пластини 1 і опромінюють його на одній з хвиль досліджуваного поглинання 470, 550, 650 або 900 нм відповідними світлодіодами 4. Не поглинута листком частина опромінення відбивається від світловідбиваючої поверхні 2 і знову проходить через листок, розсіюючи лінзу 3, відкритий фрагмент рідкокристалічного індикатора 7, збираючу лінзу 8 та надходить на фотоприймач 9, а далі як зазначено вище. При вимірюванні поглинання на хвилі 470 нм сигнал, що пройшов через листок і назад, вимірюють через синій світлофільтр для зменшення впливу червоної флуоресценції. Режим імітації оптичних властивостей листка рослини. Флуоресцентну властивість листка рослини імітують з допомогою світлофільтра КС18. Еталон флуоресценції, у вигляді такого світлофільтра, розміщують на світлопоглинаючому папері на нижній пластині 1 і опромінюють його на хвилі 470 нм світлодіодами 4. Сигнал флуоресценції еталона через розсіюючи лінзу 3, відповідний світлофільтр 6 на хвилі 680 нм 2 UA 111740 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 фрагмент рідкокристалічного індикатора 7 і збираючу лінзу 8 надходить на фотоприймач 9 і перетворюється на електричний сигнал. Такий сигнал флуоресценції буде постійним і імітуватиме мертвий листок. Для імітації живого листка використовують криву індукції флуоресценції хлорофілу, яку формують шляхом розгортки в часі послідовності оптичних сигналів, що проходять через фрагмент рідкокристалічного індикатора із змінною прозорістю. Цифрове управління матрицею фрагмента рідкокристалічного індикатора 7 з мікроконтролера 12 дозволяє вибирати кількість і розташування прозорих пікселів в межах фрагмента. Така зміна прозорості фрагмента рідкокристалічного індикатора за функцією індукції флуоресценції хлорофілу викликає зміну постійного сигналу флуоресценції від еталона за функцією індукції флуоресценції хлорофілу. При цьому оптичний сигнал на виході фрагмента рідкокристалічного індикатора імітуватиме флуоресцентну властивість живого листка рослини. Поглинання (пропускання) нативного хлорофілу в червоній та інфрачервоній, а також в синій та зеленій областях спектра використовують для визначення вмісту хлорофілу в листі рослини. Світлодіодами 4 на хвилі 660 нм опромінюють світловідбиваючу поверхню 2 на нижній пластині 1. Відбитий сигнал через розсіюючу лінзу 3, фрагмент рідкокристалічного індикатора 7, без світлофільтра, та збираючу лінзу 8 подають на фотоприймач 9 і далі на вимірювання. За допомогою мікроконтролера 12 задають прозорість фрагмента рідкокристалічного індикатора 7 і на виході фотоприймача 9 отримують сигнал, пропорціональний пропусканню червоного світла листком рослини. Аналогічно здійснюють вимірювання при освітлені інфрачервоним світлом на хвилі 900 нм. Співвідношення показників поглинання листом рослини червоного та інфрачервоного, а також синього та зеленого світла визначають як "хлорофільний індекс поглинання", і його використовують як показник вмісту хлорофілу. Вибрані значення показників поглинання червоного і інфрачервоного світла та їх відношення слугують імітацією властивостей поглинання листка рослини. Показники спектрального відбиття і індекси на їх основі використовують для визначення стану рослин. Значення показників відбиття імітують аналогічно імітації показників поглинання тільки вибирають світло з іншими довжинами хвиль, відповідну прозорість фрагмента рідкокристалічного індикатора та результат інтерпретують як індекси відбиття. Приклад реалізації. Вибір довжин хвиль опромінення 470 нм при вимірювані та імітації флуоресценції пов'язаний з максимумом поглинання хлорофілу, а діапазон довжин хвиль вимірювання флуоресценції 680-730 нм включає обидва максимуми флуоресценції хлорофілу. Вибір довжин хвиль поглинання 650 та 900 нм та 470 і 550 нм пов'язаний з тим, що на хвилях 550 та 900 нм лист рослини поглинає слабо, а на хвилях 470 та 650 розташовані максимуми поглинання хлорофілу. На контрастах поглинання засновано визначення вмісту хлорофілу. При досліджені показників відбиття вибрані довжини хвиль повинні забезпечувати визначення тих чи інших індексів відбиття хлорофілу, наприклад із наведених в описі хлорофілспектрометра Z950-PRI, фірми Gubit. (info@gubitsystems.com.). Наведені в запропонованому пристрої довжини хвиль можуть бути використані для визначення радіаційного (енергетичного) балансу при вимірюваннях на цих довжинах хвиль. При макетуванні було використано фотоприймач тип TSL250R у вигляді фотодіода, інтегрованого разом з підсилювачем і лінзою в одному корпусі, (http://www.ams.com/eng/Products/Light-Sensors/Light-to-Voltage/TSL250). рідкокристалічний індикатор із вбудованим мікроконтролером буде використано подібний до годинникового але з видаленим відбиваючим шаром (http:/4pda.ru/2012/07/11/65889А Макетування проводиться на панелі рідкокристалічного індикатора типу FSTN-positive-transmissive з контролером ML1001-3U. При необхідності нетипового рідкокристалічного індикатора замовлення на виготовлення розміщують на виробництві, наприклад компанія МЭЛТ (www.melt.com.ru.) Світлофільтри з необхідною довжиною хвилі комбіновані з гелевих плівкових світлофільтрів фірми LEE FILTERS з каталога Colour Effect Filters (http://www.leefilters.com/lighting/colourlist.html). Запропонований сенсор, як видно з його опису, може бути реалізований у виробничих умовах, так як для його реалізації використовується технічна та елементна база широкого призначення. 55 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 Оптоелектронний сенсор, що містить затискач із з'єднаних рухомо пластин, фотоприймач і світлофільтр, розташовані в каркасі під світлозахисним кожухом, та світлодіоди, який відрізняється тим, що каркас розміщений в отворі верхньої пластини, і в ньому послідовно 3 UA 111740 C2 5 розташовані розсіююча лінза, світлофільтри, рідкокристалічний індикатор, збираюча лінза і фотоприймач, причому сенсор містить з'єднаний з рідкокристалічним індикатором мікроконтролер, призначений для керування прозорістю фрагментів рідкокристалічного індикатора, навпроти яких встановлено світлофільтри, для роздільного визначення поглинання, відбиття та флуоресценції, мікроконтролер розміщено під світлозахисним кожухом на верхній пластині затискача, а світлодіоди розташовані на нижній стороні верхньої пластини навколо отвору і орієнтовані на світловідбиваючу поверхню нижньої пластини затискача напроти отвору верхньої пластини. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4