一种主动光源式作物生长监测仪

技术领域

本发明属于光谱监测技术领域，具体涉及一种新型的主动光源式作物生长监测仪。

背景技术

作物生产精确管理是精确农业的重要内容之一，对提高农作物产量与品质尤为重要。作物生产精确管理的核心是依据作物长势不同差异实现氮肥精确调控。“看苗施肥”和“对比叶色卡”作为传统的获取作物长势信息的方式，直观快捷，但是缺少了定量化的指标，不能作为精确氮肥施用的有效保证。

作物冠层反射光谱中存在与作物生长信息紧密相关的敏感波段，利用这些敏感波段的光谱特征可以动态监测作物生长特征和植株营养状况。相比于传统的物理和生化方法，作物冠层反射光谱监测技术具有快速、便携、无损、不受时空限制等优点，成为目前作物生长信息获取的主要手段。因此，迫切需要研制低成本、应用方便的作物生长监测仪。

目前，市场上开发的监测仪多采用被动式光源，即仪器利用太阳光作为监测光源，被动式仪器的最大局限是测量时受环境和天气影响，不能实现全天候的测量，此外由于太阳光强度、太阳光入射角的变化会导致测量结果的不稳定。针对作物光谱监测仪的发光光源，氙光灯光谱与太阳光接近，常常被用作多波段的光谱监测仪中，通过滤光片来分光，测试效果不错，但是氙光灯体积大、发光功率大，散热比较难以控制，因此很难用在便携式的仪器中。LED作为发光光源，光效低，功率小，为了增加发光功率一般通过增加LED数量，这样大大降低了便携性；此外，发光光学系统多采用透镜准直，透镜准直光线基于光的反射和折射原理来控制光线达到准直的效果，受透镜材质和工艺的限制，匀化光斑的作用有限，导致所研制的仪器光源光斑均匀性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种主动光源式作物生长监测仪，具体涉及一种新型快照式多光谱成像系统，以便解决上述问题的至少之一。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供了一种主动光源式作物生长监测仪，包括沿光束传递方向依次设置的激光器、伽利略式扩束系统、平场凹面光栅和光丝烧蚀线阵列光电探测器；所述激光器发出的激光光束能通过所述伽利略式扩束系统扩散后对目标作物区域均匀照射，所述平场凹面光栅用于接受照射到作物上的反射光信号，并通过所述光丝烧蚀线阵列光电探测器进行光信号的采集。

作为优选，所述伽利略式扩束系统由物镜和成像透镜组成，采用空化辅助直写烧蚀的加工方法分别对物镜和成像透镜进行制备。

进一步的，所述空化辅助直写烧蚀的加工方法具体如下：

将加工样品双面清洗干净，盖在装满丙酮溶液的玻璃凹槽上，通过毛细力将玻璃凹槽完全封闭，使丙酮溶液不流出且无气泡，然后整体固定在加工系统的平台上；采用基频波长为1030nm的飞秒激光三倍频之后输出波长为343nm的近紫外激光用于加工，重复频率为200kHz；将近紫外激光利用数值孔径为0.75、功率为25mW的聚焦物镜聚焦于加工样品与丙酮溶液的交界面，开始烧蚀加工，直至设置的加工程序运行完毕，分别得到伽利略式扩束系统的物镜和成像透镜。

作为优选，所述激光器的输出光束能与伽利略式扩束系统的物镜和成像透镜的焦点对齐。

作为优选，所述平场凹面光栅和光丝烧蚀线阵列光电探测器平行布设。

作为优选，所述光丝烧蚀线阵列光电探测器基于飞秒激光多丝加工方法制备而成。

进一步的，所述飞秒激光多丝加工方法基于飞秒激光多丝加工系统实现，所述飞秒激光多丝加工系统包括沿光束传递方向依次设置的飞秒激光放大器系统、半波片、若干楔形双折射石英板和熔融石英透镜；所述飞秒激光多丝加工方法具体如下：

将表面掺杂有磷源的硅衬底作为样品并置于熔融石英透镜后方，采用飞秒激光放大器系统产生中心波长为800nm、脉冲宽度为40fs、重复频率为1kHz、脉冲能量为3mJ的飞秒激光脉冲，通过半波片将所述飞秒激光脉冲的电场方向从水平顺时针旋转到与第一个楔形双折射石英板的光轴成45°角的方向，飞秒激光脉冲随后依次通过楔形双折射石英板，并通过焦距为40cm的熔融石英透镜形成光丝阵列照射至所述样品上；在氩气环境中，基于所述光丝阵列形成的S型逐行线扫描的方式，得到磷掺杂黑硅；随后采用飞秒激光直写系统对所述磷掺杂黑硅进行退火处理，接着采用磁控溅射技术在其上表面和下表面分别蒸镀金属电极，得到光丝烧蚀线阵列光电探测器。

更进一步的，所述飞秒激光直写系统采用的是掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器，出射激光中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为2.5kHz。

更进一步的，所述样品的制备方法如下：

选用磷纸作为掺杂磷源覆盖到硅衬底表面，在磷纸表面滴涂1ml乙醇溶液用以排除磷纸与硅衬底间的空气间隙。

更进一步的，各所述楔形双折射石英板的设计参数相同：其前后表面夹角为θ＝4°，光轴设置为平行于前表面，前表面平面垂直于激光传播方向。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)基于激光器及伽利略式扩束系统构成发光单元，有效提高发光光源的光效和光通量，以及光线经光路系统后的光斑均匀性，有效提高作物生长监测仪的测量精度；

(2)基于空化辅助直写烧蚀的加工技术，激光焦点极高的峰值功率在引起材料烧蚀的同时，也会将液体击穿产生激光空化，随后空化气泡在样品表面脉动并溃灭，伴随着压力作用于烧蚀区域，实现烧蚀碎屑的清理，因而可以实现高精度、中空、复杂三维结构光学元件的制备，从而提高光斑均匀性；

(3)基于飞秒激光多丝加工技术具有远程、快速、可大面积加工的优势，可以实现光丝烧蚀线阵列光电探测器的高效制备，从而大幅度降低作物生长监测仪的制备成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为主动光源式作物生长监测仪的结构示意图；

图2为空化辅助直写烧蚀的加工方法所用加工系统的示意图；

图3为飞秒激光多丝加工方法所用加工系统的示意图；

图中附图标记为：激光器11、伽利略式扩束系统12、平场凹面光栅13、光丝烧蚀线阵列光电探测器14；聚焦物镜21、加工样品22、玻璃凹槽23；飞秒激光放大器系统31、半波片32、第一楔形双折射石英板33、第二楔形双折射石英板34、熔融石英透镜35。

具体实施方式

下为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本实施例进行理解，对本发明实施例提供的一种新型主动光源式作物生长监测仪进行详细介绍，如图1所示，本发明提供了一种主动光源式作物生长监测仪，该主动光源式作物生长监测仪主要包括沿光束传递方向依次设置的激光器11、伽利略式扩束系统12、平场凹面光栅13和光丝烧蚀线阵列光电探测器14。其中，激光器11主要用作作物生长监测仪的发光光源，激光器11发出的激光光束能通过伽利略式扩束系统12扩散，以实现较大范围的照射，确保光束均匀地照射到目标作物区域，覆盖整个监测区域。激光器11和伽利略式扩束系统12共同构成发光单元。平场凹面光栅13用于接受照射到作物上的反射光信号，并通过光丝烧蚀线阵列光电探测器14进行光信号的采集。平场凹面光栅13和光丝烧蚀线阵列光电探测器14共同构成感光单元。

作为本发明的一个较优实施例，伽利略式扩束系统12主要由物镜和成像透镜组成，并采用空化辅助直写烧蚀的加工方法分别对物镜和成像透镜进行制备。

具体的，如图2所示，空化辅助直写烧蚀的加工方法如下所述：

根据需求对待加工样品22结构的形貌进行设计，并选择加工材料，将需要烧蚀的区域量化成三维坐标点阵，按照优化扫描路径的原则依次将点阵坐标导入加工系统中。将加工样品22双面清洗干净，盖在装满丙酮溶液的玻璃凹槽23上，通过毛细力将玻璃凹槽23完全封闭，使丙酮溶液不流出且无气泡，然后整体固定在加工系统的平台上。采用基频波长为1030nm的飞秒激光(Light Conversion Ltd公司)三倍频之后输出波长为343nm的近紫外激光用于加工，重复频率为200kHz。将近紫外激光利用数值孔径为0.75、功率为25mW的聚焦物镜21聚焦于加工样品22与丙酮溶液的交界面，开始烧蚀加工，直至设置的加工程序运行完毕。加工结束后，需对附着在结构表面及周围的碎屑进行超声清洗，并进行退火处理。通过上述方法分别得到伽利略式扩束系统12的物镜和成像透镜。

在本实施例中，在制备物镜以及成像透镜时，加工样品22可以采用石英、超低色散玻璃、高折射率玻璃以及光学玻璃等硬质材料；丙酮溶液浓度为99.5％(体积分数)。

作为本发明的一个较优实施例，激光器的输出端与伽利略式扩束系统的输入端需要精确对准，以确保有效的能量传输和期望的光束特性。具体的，可以调整激光器输出光束的位置、方向和角度，使其与伽利略式扩束系统的物镜和成像透镜的焦点对齐。

作为本发明的一个较优实施例，平场凹面光栅13和光丝烧蚀线阵列光电探测器14应当平行布设。平场凹面光栅13集分光、会聚、像差校正于一体。光丝烧蚀线阵列光电探测器14基于飞秒激光多丝加工方法制备而成，在传播光路中插入多个楔形双折射石英板以形成多丝，通过改变外部聚焦条件来实现多丝间距的精细调控。

具体的，飞秒激光多丝加工方法基于飞秒激光多丝加工系统实现，如图3所示。飞秒激光多丝加工系统包括沿光束传递方向依次设置的飞秒激光放大器系统31、半波片32、若干楔形双折射石英板和熔融石英透镜35。飞秒激光多丝加工方法具体如下：

将表面掺杂有磷源的硅衬底作为样品并置于熔融石英透镜35的光通路后方，调节样品位置使其处于光丝中央部位，并保证激光束以垂直入射的方式照射到样品表面。采用飞秒激光放大器系统31反射出中心波长为800nm、脉冲宽度为40fs、重复频率为1kHz、脉冲能量为3mJ的飞秒激光脉冲，通过半波片32将飞秒激光脉冲的电场方向从水平顺时针旋转到与第一个楔形双折射石英板的光轴成45°角的方向，飞秒激光脉冲随后依次通过各楔形双折射石英板，并通过焦距为40cm的熔融石英透镜35形成光丝阵列照射至样品(未在图3中画出)上。在氩气环境中，基于光丝阵列形成的S型逐行线扫描的方式，得到磷掺杂黑硅。随后采用飞秒激光直写系统对磷掺杂黑硅进行退火处理，接着采用磁控溅射技术在其上表面和下表面分别蒸镀金属电极，得到光丝烧蚀线阵列光电探测器14。

在本实施例中，飞秒激光放大器系统31可以采用商用钛宝石飞秒激光放大器系统(型号：Spitfire ACE)。楔形双折射石英板设置有两个，即第一楔形双折射石英板33和第二楔形双折射石英板34，如图3所示。两个楔形双折射石英板的前后表面夹角为θ＝4°，光轴设置为平行于前表面，前表面平面垂直于激光传播方向。

在本实施例中，样品的制备方法如下：

选用磷纸作为掺杂磷源覆盖到硅衬底表面，在磷纸表面滴涂1ml乙醇溶液用以排除磷纸与硅衬底间的空气间隙，使两者贴合的更紧密。其中，乙醇溶液的浓度为99.9％(体积分数)。

在本实施例中，飞秒激光直写系统采用的是光谱物理(Spectra-Physics)生产的掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器，出射激光中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为2.5kHz。

本发明采用空化辅助直写烧蚀的加工技术实现高精度、复杂结构的伽利略式扩束系统的制备，从而大幅度提高光斑均匀性。基于飞秒激光多丝加工技术实现光丝烧蚀线阵列光电探测器的高效制备，从而有效降低作物生长监测仪的制备成本。该主动光源式作物生长监测仪基于自身低制备成本、测量精度高以及便携性等优势有利于我国精确农业自主创新与产业化应用。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。