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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

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. 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. 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. 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. 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、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的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 of each band

    图  9  各波段RMS点列图

    Figure  9.  RMS point diagrams of each band

    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.  Transmission-type spectrometer overall structure

    图  12  各波段整体结构MTF曲线图

    Figure  12.  MTF curves of overall structure in each band

    图  13  各波段整体结构RMS点列图

    Figure  13.  RMS point diagrams of overall structure in each band

    图  14  整体结构径向能量分布图

    Figure  14.  Radial energy distributions of the overall structure

    表  1  超高光谱分辨率改进型Offner光谱仪整体指标

    Table  1.   Whole index 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(frames?1)24
    下载: 导出CSV
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  • 网络出版日期:  2021-06-26

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