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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

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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]. , 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]. , 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/km 810
    光谱分辨率/nm 0.3
    工作波长/nm 670~780
    焦距/mm 240
    入瞳直径/mm 75
    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
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    表 2GSENSE4040BSI探测器指标

    Table 2.Detector parameters of GSENSE4040BSI

    项目 参数
    分辨率 4096×4096
    像元尺寸/μm 9×9
    感光面积/mm 36.8×36.8
    照明方式 背照明
    帧频(frame·s−1) 24
    下载: 导出CSV
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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

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