留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

应用于作物荧光检测的改进型Offner光谱仪设计

范纪泽 李博 张璐 巨燕方

范纪泽, 李博, 张璐, 巨燕方. 应用于作物荧光检测的改进型Offner光谱仪设计[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(6): 1459-1467. doi: 10.37188/CO.2021-0073
引用本文: 范纪泽, 李博, 张璐, 巨燕方. 应用于作物荧光检测的改进型Offner光谱仪设计[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(6): 1459-1467. doi: 10.37188/CO.2021-0073
FAN Ji-ze, LI Bo, ZHANG Lu, JU Yan-fang. Design of an improved Offner spectrometer for crop fluorescence detection[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1459-1467. doi: 10.37188/CO.2021-0073
Citation: FAN Ji-ze, LI Bo, ZHANG Lu, JU Yan-fang. Design of an improved Offner spectrometer for crop fluorescence detection[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1459-1467. doi: 10.37188/CO.2021-0073

应用于作物荧光检测的改进型Offner光谱仪设计

doi: 10.37188/CO.2021-0073
基金项目: 国家自然科学基金项目(No. 62005268)
详细信息
    作者简介:

    范纪泽(1997—),男,吉林四平人,硕士研究生,2020年于长春理工大学获得学士学位,主要从事紫外光学设计方面的研究。E-mail:1582177641@qq.com

    李 博(1981—),男,吉林梨树人,博士,副研究员,2011年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事高光谱遥感总体设计方面的研究。E-mail:libo0008429@163.com

    张 璐(1997—)女,吉林长春人,硕士研究生,2020年于长春理工大学获得学士学位,主要从事光学设计方面的研究。E-mail:1499201809@qq.com

    巨燕方(1997—),男,甘肃庆阳人,硕士研究生,2020年于长春理工大学获得学士学位,主要从事光学设计方面的研究。E-mail:260286190@qq.com

  • 中图分类号: TP731 TH744

Design of an improved Offner spectrometer for crop fluorescence detection

Funds: Supported by National key Research and Development Program of China (No. 62005268)
More Information
  • 摘要: 为了对作物进行更灵敏、更高效的生长监测,国内外相继设计了各类高光谱分辨率的光谱仪用来探测叶绿素荧光效率。本文对传统Offner光谱仪系统进行改进,得到了光谱分辨率更高的整体结构。光学系统选用双反望远系统,光谱仪部分采用高刻线密度反射型凸面光栅,实现更高的光谱分辨率。在此基础上,添加放大透镜以满足长狭缝需求,同时得到了一种狭缝-像面在光栅同一侧的Offner结构。利用codeV软件对望远系统和光谱仪部分的初始结构进行优化。结果表明,工作在670~780 nm波段时,光谱分辨率为0.3 nm,在17 lp/mm截止频率下整体调制传递函数MTF>0.75,各视场条件下弥散斑均方根半径RMS<15 μm。由此可知,该方法可以满足作物生长叶绿素监测领域的高精度、实时性要求。

     

  • 图 1  双反射物镜结构图

    Figure 1.  Structural diagram of double reflection objective

    图 2  传统Offner结构图

    Figure 2.  Traditional Offner structure diagram

    图 3  改进型Offner结构图

    Figure 3.  Schematic diagram of improved Offner structure

    图 4  望远物镜结构图

    Figure 4.  Structure diagram of the telescope objective

    图 5  望远系统MTF图像

    Figure 5.  MTF image of telescope system

    图 6  望远系统RMS图像

    Figure 6.  RMS image of telescope system

    图 7  优化后Offner光谱仪结构图

    Figure 7.  Structure diagram of optimized Offner spectrometer

    图 8  各波段MTF曲线图

    Figure 8.  MTF curves at different wavelengths (λ=670、725、780 nm)

    图 9  各波段RMS点列图

    Figure 9.  RMS point diagrams at different wavelengths (λ=670、725、780 nm)

    图 10  整体结构图

    Figure 10.  Overall structure diagram

    图 11  透射式光谱仪整体系统

    Figure 11.  Overall structure of the transmission-type spectrometer

    图 12  各波段整体结构MTF曲线图

    Figure 12.  MTF curves of the system at different wavelengths (λ=670、725、780 nm)

    图 13  各波段整体结构RMS点列图

    Figure 13.  RMS point diagrams of the system at different wavelengths (λ=670、725、780 nm)

    图 14  整体结构径向能量分布图

    Figure 14.  Radial energy distributions of the system at different wavelengths (λ=670、725、780 nm)

    表  1  超高光谱分辨率改进型Offner光谱仪各项指标

    Table  1.   Indexes of an improved Offner spectrometer with ultra high spectral resolution

    项目指标
    探测高度/km810
    光谱分辨率/nm0.3
    工作波长/nm670~780
    焦距/mm240
    入瞳直径/mm75
    半视场(°)x:4,y:20
    调制传函(MTF)>0.75 (17 lp/mm)
    弥散斑均方根半径(RMS)/μm<15
    下载: 导出CSV

    表  2  GSENSE4040BSI探测器指标

    Table  2.   Detector parameters of GSENSE4040BSI

    项目参数
    分辨率4096×4096
    像元尺寸/μm9×9
    感光面积/mm36.8×36.8
    照明方式背照明
    帧频(frame·s−1)24
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨卫梅, 刘刚, 欧全宏, 等. 红外光谱结合曲线拟合对自然老化豆类种子的研究[J]. 分析化学,2019,47(12):2004-2016.

    YANG W M, LIU G, OU Q H, et al. Study on natural aging legume seeds by infrared spectroscopy combined with curve fitting[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2019, 47(12): 2004-2016. (in Chinese)
    [2] 刘亚超, 李永玉, 彭彦昆, 等. 红外漫透射光补偿法无损快速检测大米直链淀粉[J]. 分析化学,2019,47(5):785-793.

    LIU Y C, LI Y Y, PENG Y K, et al. Non-destructive rapid detection of rice amylose content by near-infrared diffuse transmission optical compensation method[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2019, 47(5): 785-793. (in Chinese)
    [3] 马文强, 张漫, 李源, 等. 基于高光谱成像的核桃仁品质检测与分类方法[J]. 分析化学,2020,48(12):1737-1746.

    MA W Q, ZHANG M, LI Y, et al. Detection and grading method of walnut kernel quality based on hyperspectral image[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2020, 48(12): 1737-1746. (in Chinese)
    [4] 王恒. 应用于植物生理检测的高通量叶绿素荧光成像系统研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2018.

    WANG H. Research on high throughput chlorophyll fluorescence imaging system applied in plant physiology detection[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018.
    [5] TOPPING M Q, PFEIFFER J E, SPARKS A W, et al. Advanced airborne hyperspectral imaging system (AAHIS)[J]. Proceedings of SPIE, 2002, 4816: 1-11. doi: 10.1117/12.453794
    [6] COPPO P, PETTINATO L, NUZZI D, et al. Instrument predevelopment activities for FLEX mission[J]. Optical Engineering, 2019, 58(7): 075102.
    [7] 付严宇, 杨桄, 关世豪. 航空航天高光谱成像仪研究现状及发展趋势[J]. 红外,2020,41(8):1-8, 14. doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2020.08.001

    FU Y Y, YANG G, GUAN SH H. Research status and development trend of hyperspectral imagers onboard airborne and spaceborne platforms[J]. Infrared, 2020, 41(8): 1-8, 14. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2020.08.001
    [8] 刘玉娟, 崔继承, 巴音贺希格, 等. 凸面光栅成像光谱仪的研制与应用[J]. 光学 精密工程,2012,20(1):52-57. doi: 10.3788/OPE.20122001.0052

    LIU Y J, CUI J CH, BAYANHESHIG, et al. Design and application of imaging spectro meter with convex grating[J]. Optics and Precision Engineering, 2012, 20(1): 52-57. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20122001.0052
    [9] 朱雨霁, 尹达一, 陈永和, 等. 高光谱分辨率紫外Offner成像光谱仪系统设计[J]. 光学学报,2018,38(2):0222001. doi: 10.3788/AOS201838.0222001

    ZHU Y J, YIN D Y, CHEN Y H, et al. Design of hyperspectral resolution ultraviolet Offner imaging spectrometer system[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(2): 0222001. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS201838.0222001
    [10] 朱嘉诚, 沈为民. 紧凑型消像散长狭缝光谱仪光学系统[J]. 红外与毫米波学报,2019,38(4):542-548. doi: 10.11972/j.issn.1001-9014.2019.04.022

    ZHU J CH, SHEN W M. Compact anastigmatic long-slit spectrometer[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2019, 38(4): 542-548. (in Chinese) doi: 10.11972/j.issn.1001-9014.2019.04.022
    [11] 徐达, 张国玉, 孙高飞. 改进Offner型凸面光栅光谱辐射定标光学系统设计[J]. 光学学报,2020,40(8):0822002. doi: 10.3788/AOS202040.0822002

    XU D, ZHANG G Y, SUN G F. Design of advanced Offner-type convex grating spectral radiation calibration optical system[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(8): 0822002. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS202040.0822002
    [12] 周正平, 赵知诚, 靳阳明, 等. 大相对孔径宽视场无遮拦平场两反射镜望远物镜分析与设计[J]. 光学学报,2015,35(3):0322002. doi: 10.3788/AOS201535.0322002

    ZHOU ZH P, ZHAO ZH CH, JIN Y M, et al. Analysis and design of unobscured flat-field two-mirror telescopic objective with wide field of view and large relative aperture[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(3): 0322002. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS201535.0322002
    [13] 杨拓拓, 陈新华, 赵知诚, 等. Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调[J]. 中国光学,2020,13(6):1324-1331. doi: 10.37188/CO.2020-0058

    YANG T T, CHEN X H, ZHAO ZH CH, et al. Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method[J]. Chinese Optics, 2020, 13(6): 1324-1331. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2020-0058
    [14] 兰卫华, 王欣, 刘银年, 等. 凸面光栅的衍射效率计算及其二级光谱抑制[J]. 红外技术,2009,31(5):256-258. doi: 10.3969/j.issn.1001-8891.2009.05.003

    LAN W H, WANG X, LIU Y N, et al. The convex grating diffractive efficiency calculating and second diffraction suppression[J]. Infrared Technology, 2009, 31(5): 256-258. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-8891.2009.05.003
    [15] 徐达, 岳世新, 张国玉, 等. Offner型凸面光栅宽动态范围辐射定标光源设计[J]. 中国光学,2020,13(5):1085-1093. doi: 10.37188/CO.2019-0221

    XU D, YUE SH X, ZHANG G Y, et al. Design of an Offner convex grating radiation calibration light source with a wide dynamic range[J]. Chinese Optics, 2020, 13(5): 1085-1093. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2019-0221
    [16] 陈醒, 胡春晖, 颜昌翔, 等. 大视场空间可见光相机的杂散光分析与抑制[J]. 中国光学,2019,12(3):678-685. doi: 10.3788/co.20191203.0678

    CHEN X, HU CH H, YAN CH X, et al. Analysis and suppression of space stray light of visible cameras with wide field of view[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 678-685. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191203.0678
  • 加载中
图(14) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  1016
  • HTML全文浏览量:  345
  • PDF下载量:  108
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-07
  • 修回日期:  2021-04-29
  • 网络出版日期:  2021-06-26
  • 刊出日期:  2021-11-19

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要通知

    2024年2月16日科睿唯安通过Blog宣布,2024年将要发布的JCR2023中,229个自然科学和社会科学学科将SCI/SSCI和ESCI期刊一起进行排名!《中国光学(中英文)》作为ESCI期刊将与全球SCI期刊共同排名!