凭借高分辨镜头模组与750-770nm增透膜滤光片集成技术，赋能智慧农业光学传感器，Asphericon

QuantiFARM项目把高分辨率光学传感器与基于人工智能（AI）的数据分析技术紧密结合，直接用于农田现场的原位检测。Asphericon为该项目提供支持，主要贡献包括高分辨镜头模组、抗反射镀膜以及滤光片集成。智慧农业离不开光子学技术，光子学能够推动农业变得更智能、更便捷。

为什么光子学是精准农业的关键技术？

光子学的优势在于其多功能性。它能够快速、精确且非接触地捕捉信息，其尺度范围从分子结构一直跨越到卫星图像。在精准农业中，这意味着单一的技术家族（光子学技术）可以广泛应用于田间的作物筛选、加工工厂的质量控制以及轨道上的天气监测，下图可以看到在不同单位尺度下，光子学的应用领域。

图1：光子学技术覆盖了每一个空间观测尺度，从行星级的遥感探测到芯片上的微观分析。

光子学方法已经在农业的多个领域得到应用，包括：

1.温室和垂直农场中的照明系统：LED系统使光谱能够根据植物的特定需求进行定制，在促进生长的同时避免能源浪费。

2.紫外线（UV）消毒：水和基质（培养基）可以使用紫外线进行消毒。最近的研究还表明，UV-C（紫外线C波段）闪照可以激活植物的免疫防御机制，从而显著减少对化学农药的需求。

3.无人机与卫星成像：高光谱和多光谱相机捕捉田间的航拍图像，并提供关于植物健康状况、水分含量和营养供应的空间分辨数据。

4.田间光谱学：移动式和机器搭载的近红外（NIR）传感器实时分析土壤、作物和肥料，免除了实验室分析的需要。

根据SPECTARIS的数据，2022年全球光子技术在精准农业领域的市场价值约为46亿欧元，预计到2027年这一数值将增长到90亿欧元以上。这意味着年增长率约为15%，这表明该领域对技术解决方案的需求正在迅速上升。

图2：2022-2027年精准农业领域光子技术的全球市场（单位：百万欧元，对数坐标）。

什么是智慧农业，以及光子学技术如何助力应对农业核心难题？

智慧农业是一种以数据为核心驱动力的现代农业管理模式。该模式深度融合高分辨镜头模组、高分辨率光学传感器监测数据、高分辨率成像技术以及人工智能分析算法，旨在实现对水资源、肥料及农药等关键农业投入品的精准调控，确保在作物最需要的时空节点进行按需施用。

当前，我国农业正处于从“传统粗放”向“现代集约”转型的关键期。虽然我国已稳居农业大国行列，但面对资源环境约束趋紧（如水土资源匹配不均、局部土壤退化）以及农村劳动力结构性短缺等现实挑战，传统依赖高投入（大量化肥、农药）的生产模式已触及瓶颈。正如国内外行业共识所指出的，单纯依靠增加要素投入已无法带来生产力的线性增长。进入高质量发展阶段以来，农业竞争力的提升已不再取决于“要素投入规模”，而在于“资源管理的精细化与智能化水平”。这与中国当前深入推行的“化肥农药减量增效”及“农业绿色发展”战略高度契合。

智能农业正是破局的关键路径。该技术体系能够赋能农业生产者，在显著提升资源利用效率、优化作物产量的同时，协同降低生态环境负荷。然而，要真正落地这一愿景，一项核心基础要素不可或缺：即必须获取源自田间地头的、高可靠性、高分辨率且具备实时性的多维监测数据。

精准农业的架构体系是怎样的？光子学在其中扮演何种角色？

精准农业绝非简单的“农机加装传感器”。它是一种基于观察、测量和精确响应田间及田块之间的差异性的管理方法。支撑这一范式的技术底座可划分为四大核心领域：

图 3：光子学作为精密农业四个领域之间的连接要素。这四个领域都从根本上依赖于光子技术。

这四个细分领域的共同点在于，它们从根本上都依赖于光子学。机器人需要光学传感器来实现自主移动和感知周围环境。成像系统本质上是光子学的，因为它们探测的是光。数据网络运行在光纤之上。生物研究（旨在开发新植物品种和抗性性状）依赖于显微镜、荧光技术和基于成像的分析。简而言之，没有光子学，就没有智慧农业。

植物通过荧光能揭示什么？

在光子传感领域，荧光成像是一种能提供丰富信息的手段。其原理十分简单：当受到特定波长的光激发时，植物会发出荧光，其发光模式直接反映了植物当前的生理状态。这种荧光信号让我们得以洞察光合系统的运行状况，进而间接判断植物是否面临胁迫、营养缺失或病害初发——而且，这些征兆往往在肉眼可见之前很久就已经显现。

然而，原理的简明并不代表实现的容易。技术挑战显而易见：荧光信号极其微弱。750~770nm是精准农业的生理听诊器，在户外田间，它必须与同时照射在植物上的强烈宽带阳光“竞争”。为了从中提取出可用信号，荧光成像系统需要可靠的光学设计，既要能有效抑制背景光谱噪声，又要能最大限度地捕获目标波长范围内的有效光子。为此，由Asphericon提供的经过滤光片集成，光学精密组装后的750-770nm增透膜传感器更高效的接收微弱的荧光信号。这是在真实户外环境下的精密工程，每一个镜片表面、每一层抗反射镀膜以及每一个空气间隙都至关重要。

当然，攻克这些光学难题并不意味着我们只依赖这一种手段。事实上，荧光仅仅是精准农业中应用的多种光子学方法之一。

有哪些光子测量方法？它们各自适用于哪些场景？

在现代精准农业系统中，这些方法正日益被结合使用，以构建植物健康状况的全景图。

Asphericon助力quantiFARM项目：高精度光学系统赋能精准农业

quantiFARM（全称：Quantitative Optical Differential Diagnostics for Environmental Protection and Sustainability in Agriculture，即“面向环境保护与农业可持续性的定量光学差异诊断”）是一项极具前瞻性的合作项目。该项目致力于将高分辨率光学传感器与人工智能（AI）分析技术深度融合，旨在实现田间地头的原位实时检测。

通过对土壤和植物进行高通量筛查，该项目能够收集关于作物生长状况的精确数据。这将使农户能够根据植物的实际需求，精准调控水资源与肥料的使用，从而推动农业向更高效、更环保的方向发展。

在quantiFARM项目的OptFlou子项目中，重点在于开发用于荧光成像相机的高性能光学系统。Asphericon与JB Hyperspectral Devices 以及弗劳恩霍夫表面工程与薄膜研究所（Fraunhofer IST）展开了紧密合作，提供了关键的光学解决方案。

Asphericon的具体技术贡献包括：

1.高分辨率镜头模组：完成了五片式透镜组（five-element lens）的光学设计、制造与组装。该镜头具备2-3厘米的空间分辨率，精度足以清晰分辨单片叶片，为微观监测提供可能。

2.突破性镀膜技术：asphericon研发了一种特种镜头镀膜，该750-770nm增透膜仅在750-770nm的荧光相关波段具有抗反射（增透）特性，同时能可靠地抑制宽带太阳光干扰。这是asphericon在镀膜生产领域的一次重要技术突破（首创）。

3.滤光片集成：负责制造并集成由Fraunhofer IST提供的马赛克滤光片（mosaic filter）。马赛克滤光片将不同中心波段的微型滤光单元以网格状（类似数码相机的拜耳阵列）直接集成在单一基底上，使相机在单次曝光中即可同时获取空间信息和光谱信息。

4. 光学精密组装：在严格的洁净室环境下，完成了所有光学组件的最终集成与组装，确保了系统在复杂田间环境下的可靠性。

结语：智慧农业——从愿景到工程现实的跨越

quantiFARM项目生动诠释了智慧农业早期发展的一个关键趋势：将高分辨率光学传感器与基于人工智能（AI）的数据分析技术深度融合，并直接应用于田间原位检测。

然而，这一过程面临着严峻的光学技术挑战——微弱的荧光信号、强烈的背景辐射（阳光干扰）以及恶劣的户外作业环境。这些挑战意味着，通用的标准光学组件已无法满足需求，必须定制超越常规的解决方案。

从纳米级抗反射镀膜的制备，到微米级洁净室环境下的精密组装，再到角秒级（arc-second）精度的滤光片加工，将一个优秀的概念转化为可部署于田间的成熟仪器，需要经历无数高精度的研发与制造环节。

此类项目的核心价值在于：通过早期植物病害检测减少作物损失，节约化肥使用，并实现农业资源的高效利用。智慧农业并非遥不可及的愿景，而是一项亟待攻克的工程挑战。精准农业的未来，离不开精密光学技术的支撑，更离不开那些深谙光学与农业双重领域的跨界合作伙伴。

来源

d'Humieres, B. (2023):农业光子技术。柏林/慕尼黑: SPECTARIS & Messe Munchen GmbH

Statista研究部门:《全球人口增长趋势预测至2100年》。Statista,2025年11月26日。