辛琦，安巖 ，董科研 ，李欣航，許燚赟

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

近年來(lái)，近紅外光譜技術(shù)（NIRS）是發(fā)展較為迅速的分析方法，在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)施肥、土地監(jiān)測(cè)、土壤普查及“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?，前景十分廣闊[1]。利用近紅外光譜技術(shù)在對(duì)土壤中的水、有機(jī)質(zhì)、氮素、P、Ca、Zn等含量的預(yù)測(cè)中有著較好結(jié)果。目前，針對(duì)土壤含量檢測(cè)方面的檢測(cè)儀器較多采用了國(guó)外產(chǎn)品，其核心器件是光譜儀，而在該領(lǐng)域方面的自主設(shè)計(jì)型光譜儀尚未見成熟規(guī)模化產(chǎn)品。

基于近紅外土壤的檢測(cè)應(yīng)用，提出了一種雙波段覆蓋探測(cè)的系統(tǒng)方案，即將探測(cè)波段范圍分為第一近紅外區(qū)（900～1700nm）和第二近紅外區(qū)（1700～2500nm），通過兩個(gè)光譜儀的疊加探測(cè)組成近紅外光譜系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)過程中，考慮復(fù)合型消像散思想，完成Czerny-Turner（C-T）光譜儀的結(jié)構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)寬波段范圍的像散校正，并利用Zemax軟件完成寬波段C-T結(jié)構(gòu)的光學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，兩個(gè)近紅外波段范圍的像質(zhì)良好，可以有效勝任土壤含量檢測(cè)工作。

1 土壤類檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

土壤含量檢測(cè)主要圍繞水、有機(jī)質(zhì)、氮和無(wú)機(jī)元素（P、Ca、Mg、K）等成分含量進(jìn)行檢測(cè)。近些年來(lái)，針對(duì)土壤檢測(cè)方面國(guó)內(nèi)相關(guān)單位做了大量工作研究，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的李民贊課題組對(duì)北方潮土中的水分、有機(jī)質(zhì)和全氮含量進(jìn)行了分析建模，使用儀器為美國(guó)Thermo Nicolet公司生產(chǎn)的Antaris型產(chǎn)品，該儀器采用干涉原理，波段范圍833～2630nm，光譜分辨率4cm-1[2]；華東交通大學(xué)的劉燕德課題組，針對(duì)贛南臍橙園土壤中的全磷和全鉀進(jìn)行了光譜檢測(cè)，采用不同建模方法測(cè)定土壤中的有機(jī)質(zhì)和速效磷含量，使用儀器為美國(guó)ASD公司的FieldSpec光譜儀，該儀器采用多個(gè)不同波段光譜儀分光譜探測(cè)的形式，即可見光光譜波段（300～1100nm）、典型第一近紅外區(qū)域（1000～1800nm），典型第二近紅外區(qū)域（1800～2500nm）[3，4]；暨南大學(xué)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了采樣分析，所使用的儀器為丹麥FOSS公司的XDS Rapid Content型光柵型近紅外光譜儀，該儀器光譜范圍為400～2500nm；波長(zhǎng)間隔為2nm；分辨率為10nm；在400～1100nm之間為Si探測(cè)器，1100～2498nm之間為PbS光敏電阻型探測(cè)器[5，6]。

2 復(fù)合校正下的光譜儀設(shè)計(jì)

近紅外光譜儀的測(cè)量原理是對(duì)待測(cè)樣品的反射和散射光進(jìn)行收集，得到的檢測(cè)譜線與對(duì)應(yīng)的近紅外光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)其含量、成分等信息，從而得到合理的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果[7，8]。該類型光譜儀的主要工作原理如下：光源發(fā)出的光束經(jīng)過準(zhǔn)直部件成為平行光射向色散部件，色散部件主要是將入射的復(fù)色光分解為光譜，在光柵型光譜儀中是由光柵進(jìn)行分光，不同波長(zhǎng)的光在同一入射角條件下投射到光柵上，經(jīng)衍射后其衍射主級(jí)大的方向不同，聚焦部件將空間中色散開的各波長(zhǎng)的光束會(huì)聚在成像在探測(cè)器上，形成一系列按波長(zhǎng)排列的單色連續(xù)光譜。

基于前文所述，所提出的設(shè)計(jì)方案基于雙波段覆蓋的方式實(shí)現(xiàn)土壤含量檢測(cè)，即在對(duì)近紅外區(qū)域相關(guān)的光學(xué)研究基礎(chǔ)上，通過疊加第一近紅外區(qū)域NIR1（900～1700nm）和第二近紅外區(qū)域 NIR2（1700～2500nm），完成相關(guān)的理論設(shè)計(jì)，每一個(gè)近紅外區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)光譜儀結(jié)構(gòu)。在具體光學(xué)設(shè)計(jì)過程中，由于每個(gè)近紅外區(qū)域所對(duì)應(yīng)的光譜范圍均是較寬范圍的波段，對(duì)于光譜儀有能量和分辨率要求的系統(tǒng)，單一手段校正像差的能力有限，采用了復(fù)合消像散型C-T結(jié)構(gòu)技術(shù)[9-13]，即將一階消像散條件與柱鏡相結(jié)合的方法，光路如圖1所示。

圖1 C-T光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖

以零階和一階消像散條件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)C-T光譜儀的初始結(jié)構(gòu)。零階消像散條件可以矯正中心波長(zhǎng)，ST為子午像面距離，SS為弧矢像面距離，即單波長(zhǎng)消像散條件為ST=SS，如公式所示。

根據(jù)零階消像散條件，得出滿足該條件下的入射狹縫到準(zhǔn)直物鏡距離值S為：

從公式（2）可以看出，調(diào)整S可以找到滿足單波長(zhǎng)消像散的條件。

一階消像散條件可以矯正臨近中心波長(zhǎng)一定波段的像散，通過調(diào)整光學(xué)元件之間的距離和角度參數(shù)，使得光學(xué)系統(tǒng)的像散變化與衍射角度無(wú)關(guān)，即要求子午焦距ST和弧矢焦距SS分別隨衍射角β的變化關(guān)系相等，如下：

基于上述公式，通過圖2中的C-T幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系以及矢量運(yùn)算，可以求得像面色散和一階條件下的像面傾角變化率公式，即

在一階消像散結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)的情況下，寬波段下的剩余像散Sremain仍會(huì)存在，在此引入柱鏡，利用柱鏡的像差Scylinder補(bǔ)償結(jié)構(gòu)剩余的像差Sremain，如下式所示，

通過光譜儀色散公式和圖1中的幾何矢量關(guān)系運(yùn)算，在已知柱鏡折射率、厚度等參數(shù)情況下，可以求得柱鏡位置和引入柱鏡后的像面傾角。

利用以上方法，可以在寬波段范圍下實(shí)現(xiàn)一階消像散條件和柱鏡校正方法的復(fù)合，以達(dá)到整個(gè)波段像散抑制的目的。對(duì)于給定波段范圍，C-T結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)初始的基本參數(shù)，利用Matlab理論計(jì)算出的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，導(dǎo)入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax中進(jìn)行光線追跡和設(shè)計(jì)優(yōu)化。圖2給出了優(yōu)化后的雙波段（900～1700nm和1700～2500nm）C-T結(jié)構(gòu)光路圖。

表1 復(fù)合消像散C-T結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

圖2 雙波段C-T結(jié)構(gòu)光路圖

3 結(jié)果分析

設(shè)計(jì)優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)情況，如圖3所示，在900～2500nm范圍內(nèi)間隔5nm采樣，雙波段范圍下的RMS值均小于24μm，可以看出，每種波段范圍下的復(fù)合型C-T結(jié)構(gòu)均達(dá)到了良好的校正效果。

圖3 雙波段RMS隨波長(zhǎng)變化曲線

光譜分辨率是在像面處能夠分辨開時(shí)對(duì)應(yīng)的最小波段差，從光學(xué)系統(tǒng)角度出發(fā)兩結(jié)構(gòu)的光譜分辨率均可以達(dá)到2nm，如圖4所示，給出了6種波長(zhǎng)下的足跡分辨率圖。

圖4 900～2500nm波段足跡分辨率圖

優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)（MTF）也達(dá)到良好的效果，以探測(cè)最小像元尺寸50μm為參考，MTF的截止頻率為10lp/mm，如圖5，給出了6個(gè)典型波長(zhǎng)下的MTF曲線，其值均達(dá)到0.6。表明系統(tǒng)在校正像散的同時(shí)，像質(zhì)表現(xiàn)良好，可以擴(kuò)展應(yīng)用于成像類光譜儀系統(tǒng)。

4 結(jié)論

應(yīng)用近紅外技術(shù)對(duì)土壤中水、有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)質(zhì)等含量的檢測(cè)，是未來(lái)土壤檢測(cè)含量的趨勢(shì)。在該領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)在檢測(cè)過程中采用國(guó)外儀器較多，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在應(yīng)用方面仍有一定差距。所提出的應(yīng)用于土壤含量檢測(cè)的近紅外光譜儀系統(tǒng)，采用復(fù)合校正方法設(shè)計(jì)了近紅外Czerny-Turner結(jié)構(gòu)光譜儀，雙波段覆蓋區(qū)域達(dá)到900～2500nm、全視場(chǎng)全波段的點(diǎn)列圖小于24μm，10lp/mm下的MTF值達(dá)到0.7。所設(shè)計(jì)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)可以滿足土壤含量檢測(cè)方面的實(shí)用需求，后續(xù)進(jìn)一步研發(fā)整機(jī)產(chǎn)品提供了光學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。