CN101275908B - 基于空间光调制器的食品安全监测仪 - Google Patents

Abstract

一种基于空间光调制器的食品安全监测仪，包括光源、样品池、探测部分、色散元件，成像装置、可编程空间光调制器和单个探测器；样品池设在光源与色散元件之间，光源发出的光，经样品池、探测部分，入射到色散元件上，在色散元件的光衍射线路上设成像装置和可编程空间光调制器，在成像装置焦平面再设单个探测器，单个探测器按时间顺序依次获得各种波长的光强或几种波长光的合成光强，再利用数字变换方法实现对样品光谱的监测。本仪器的色散元件采用商用光盘，可编程空间光调制器为基于MOMES技术的空间光调制器阵列，光电探测部分仅为单个探测器，具有价格低廉、体积小、响应速度快、使用便携等优点。

Description

基于空间光调制器的食品安全监测仪

                        技术领域

本发明涉及一种食品安全监测仪，更具体的说，本发明涉及一种近红外的光谱监测仪，该仪器可广泛应用于食品安全监测、环境监测、水质监测、大气污染监测等领域。

                        背景技术

近年来食品安全问题日益突出，越来越引起社会关注。我国作为经济转型的发展中国家，加之我国地域辽阔，农业生产的分散、个体、小规模甚至超小规模生产，使得农产品质量安全问题日益突出。为此，针对影响食品安全最关键的监测技术，相关监测方法和设备的课题是目前研究的一个热点，具有时代紧迫性、战略性，有着重大的科学意义和潜在的应用价值，且具有非常巨大的市场前景和特有的技术优势。因此，以食品安全监测技术为突破口，以建立健全符合我国国情的食品监测系统为主要目标，进行食品安全监测系统研究，进而开发拥有自主知识产权的食品安全监测方法和设备，对提高产品竞争力，满足人民的健康需要，提升我国的食品安全形象等具有重要的现实意义。

目前针对食品安全监测的仪器大部分采用光谱分析仪器。光谱分析仪器是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学原理，对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理的基本设备，广泛应用于化学分析、农业生产、环境监测、临床检验、工业检测以及航空航天遥感等领域。现有的光谱仪主要包括滤光片型、光栅扫描型、傅立叶型、声光调谐等，但都有各自优缺点。

滤光片型：结构简单、成本低、光通量大、坚固耐用，但灵活性差，分辨率很低，检测对象单一，仅适于特殊的用途。

光栅扫描型：仪器通过光栅的转动，使单色光按波长高低依次通过样品进入检测器检测。这种分光技术发展成熟，应用广泛。但也存在扫描速度慢，波长重现性差，内部移动部件多，难以在线监测和微小型化的缺点。

傅立叶变换光谱技术：能同时测量、记录所有波长的信号，光通量大，分辨率和信噪比高，在弱辐射探测方面优势明显。但由于干涉仪中动镜的存在，仪器的在线长久可靠性受到限制，另外对仪器的使用和放置环境也有严格的要求。价格昂贵、体积庞大，目前仅限于实验室使用。

声光调谐：是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的调谐技术。程序化的波长控制使其应用更佳灵活。但分辨率相对较低，价格高。

还有非扫描固定光路多通道近红外光谱仪器，其色散系统采用平面光栅或全息光栅，无可移动部件，速度快，适合作为现场或在线分析仪器使用。缺点是在近红外探测阵列极其昂贵，属于高档检测仪器，用户范围小，难以普及。

目前，随着MEMS技术的发展，光谱分析仪向微型化、速度快、低成本、高精度发展是必然之路，而且十分迫切。利用MEMS技术制作微型光谱仪是食品安全监测仪器的重点和热点。

国外具有代表性的是：①美国德州仪器公司的Ronald E.Stafford等人提出使用DMA(Digital Mirror Array)作为光谱合成元件的成像光谱仪，降低了仪器成本，提高了检测速度；但是采用三层结构，加工工艺复杂，导致成品率低。②美国Polychromix公司，Honeywell研究实验室、桑迪亚国家实验室和麻省理工学院公司联合科研组的StephenSenturia教授等人推出了基于衍射光栅光束原理的可编程式数字变换光谱仪。可测波长范围从0.9um到2.5um，性能可靠，结构紧凑，内部没有可移动部件，消除了部件移动而可能带来的误差。在近红外光谱监测技术领域是真正意义上从实验室检测仪器发展到了现场检测仪。目前已经成功应用到了乳品生产线上进行实时在线监测。但是，其使用三层结构的光栅光阀作为光通道开关，工艺要求高，国内很难加工，价格昂贵，同时受到国外专利保护及技术垄断。③德国的F.Zimmer等人提出的一种基于MEMS技术的扫描光栅光谱仪，复色光入射到可旋转的光栅上，通过调制光栅，使不同波长的衍射光入射到单个InGaAs探测器。可测范围0.9um～2um。但是，该光栅光谱仪中使用了机械扫描结构，同时所使用的衍射光栅加工复杂。此外，德国Hamburg-Harburg大学、瑞士Neuchatel大学、美国斯坦福大学、芬兰学者Martti Blomberg等都进行了光谱仪方面研究。

国内具有代表性的是：重庆大学开发的基于微镜的红外光谱仪器和集成微型近红外光谱仪。该微型近红外光谱仪采用采用MEMS扫描微镜，使用集成化技术，仪器体积大大减小，是国内科研机构最早研制出来的微型近红外光谱仪。但是由于国内工艺很难有效解决扫描镜面积(入光能量)和驱动电压这两个关键参数的匹配，目前正在进行多电极驱动扫描微镜近红外光谱仪的研究。另外重庆大学也研制了基于线阵探测器件的微型近红外光谱仪。但是，由于使用昂贵的InGaAs探测线阵，仪器成本比较昂贵。此外，天津大学、中国科学院长春精密机械及物理研究所、复旦大学等都进行了光谱仪器的研究，华中农业大学、石油化工科学研究院等进行了基于光谱分析的食品安全监测研究，并取得了一定的成绩。

但是，以上的这些光谱监测方法存在以下问题：

(1)除了滤波片型光谱仪，均只能进行少样本定点抽查检验或者实验室使用，而且费用昂贵；而滤波片型的检测对象又过分单一，造成了我国食品安全监测力度弱的现状。

(2)国外技术受专利垄断，不利于国内推广应用。

(3)作为光谱分析仪器中的关键器件——衍射光栅/调制器，上述光谱分析仪器用到的此类器件，其MEMS工艺制作较复杂。

(4)近红外光谱的线阵探测器价格昂贵，不利于整套监测系统的低成本，难以提高监测仪器的普及率。

鉴于目前食品安全监测方法以上的缺点，加之我国属于农业大国，农田面积广，种植点分散，污染严重，监控面窄，监测仪器数量少，检查程序烦琐等特点，只有提高监测仪器的普及率，从食物的源头进行质量把关，才能从根本上提高我国的食品监测力度，提高人民生活水平和对外出口经济效益。

                           发明内容

本发明的目的是针对目前我国食品安全领域缺乏快速监测手段和设备的需要，提供的一种价格低廉、监测速度快、体积小、重量轻、使用方便的基于空间光调制器的食品安全监测仪。

本发明的技术方案如下：

一种基于空间光调制器的食品安全监测仪，它包括：光源、样品池、探测部分、作为色散元件的光盘、成像装置、可编程空间光调制器和单个探测器；所述样品池设置在光源与光盘之间，光源发出的光，经过样品池，通过探测部分，入射到光盘上，经过样品池入射到光盘上，在光盘的光衍射线路上设置可编程空间光调制器，并在光盘与可编程空间光调制器之间设置成像装置，通过施加驱动电压对空间光调制器进行调制，在成像装置焦平面再设置单个探测器，单个探测器按时间顺序依次获得各种波长的光强或几种波长光的合成光强，再利用数字变换方法实现对样品光谱的监测。

光源出射的光经过样品池照射到色散元件上，不同波长的光在空间被分开，空间分开的各色波长的光入射到可编程空间光调制器上，通过施加驱动电压对空间光调制器进行调制，使空间光调制器具有不同的传输函数，在成像装置焦平面再设置单个探测器，探测器可以按时间顺序依次获得各种波长的光强或几种波长光的合成光强，再通过解调技术求出光谱分布，实现对食品安全的监测。

本监测仪的色散元件采用商用光盘，如VCD或DVD等。

可编程空间光调制器为基于微光机电系统(MOMES)技术的空间光调制器阵列(ZL200510020186.8)，光电探测部分也仅为单个探测器。MOMES空间光调制器阵列实现的光学转换功能，可利用数字变换功能，如Hadamard变换等，使用矩阵形式，提高性噪比和光能利用率。Hadamard变换实际上是统计学中的称量设计在光学中的应用。采用N个Hadamard变换模板对试样信号进行调制，可得到N个调制的信号，用检测器检测每一个调制信号的量值，N次测量后则可以通过解调矩阵把N次测得的调制信号还原成试样的信号。在常规测量中，检测器在每一时间间隔里只检测一个分辨单元的信号强度，而Hadamard变换多通道检测技术在同一时间里却可以同时检测多个分辨单元里组合信号的总强度。

Hadamard变换原理如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ Y_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_{11}{A}_{12}...............A_{1N}\\ A_{21}{A}_{22}...............A_{2N}\\ ...............\\ ...............\\ ...............\\ A_{N1}{A}_{N2}...............A_{\mathrm{NN}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ .\\ .\\ .\\ X_N\end{array}\right]...\left(1\right)$

X_j＝1...N为信号光经光盘光栅衍射后，入射到空间光调制器上，被调制器离散采样后第j个光通道的光强。

Y_j＝1...N为信号光经空间光调制器编码后，成为按时间顺序第j个次序入射到单个近红外探测器上的多通道光合成光强。

A_{ij(i＝1...N，j＝1...N)}为空间调制器上第i个离散采样光通道，第j个时刻所处于的光调制状态。第i个光通道第j个时刻为开态时，经过该通道的光可以顺利达到探测器，编码为“1”，即A_ij＝1。第i个光通道第j个时刻为关态时，经过该通道的光被空间光调制器衍射到其他位置，零级光不能顺利到达探测器，编码为“0”，即A_ij＝0。

根据Hadamard变换原理，按一定规律进行N次N通道合成光强的采集，就可以通过矩阵运算X＝A^-1Y求出被光盘光栅分色后达到各光通道的光强，再按光栅衍射方程就可以求出被测量物质的近红外光谱。

在相同实验条件下，采用Hadamard变换使得系统的信噪比可以提高

倍。由于各种误差的存在及空间光调制器件的限制，不可能做到绝对的开关态。T为空间光调制器“开”态情况下，经过单个光通道单次入射到探测器的光强与被光盘光栅分色后入射到该光通道光强的百分比，T₀为空间光调制器“关”态情况下，经过单个光通道单次入射到探测器的光强与被光盘光栅分色后入射到该光通道光强的百分比。

本发明具有如下的优点：

本发明利用光盘作为色散元件，光盘价格十分便宜，几乎为“零成本”。并且光盘具有很大的色散能力，具有很高的分辨本领。

本发明采用按时间顺序进行多通道合成光强的探测方法，仅需要单个探测器就能实现光谱探测，价格便宜，极大降低了整个系统的成本。

本发明采用MOMES空间光调制器，成本低，响应速度快，开关效率较高，可批量生产。

本发明采用数字变换(Hadamard变换)，增大了光通量，可以提高光能利用率，提高性噪比，而且解码简单，运算量小，测量速度快，而且控制电路简单，易于集成。

本发明利用反射及透射原理进行样品信号光采样，既可以进行非透明物质和透明物质探测。

因此整个系统具有价格低廉、体积小、响应速度极快、功耗低、便携使用、精度较高等优点。可运用领域包括食品安全检测、生化分析、在线程序控制、取证、医药、航空以及材料厚度层数测量等。

                        附图说明

图1：基于空间光调制器的食品安全监测仪光路图

图2：探测方式示意图

图2a反射式探头示意图

图2b透射式探头(带光纤)

图3：单像素光栅光调制器结构图

图4：光栅光调制器“0”和“1”状态示意图

图5：光线入射光栅光调制器后状态示意图

其中：21为光源；22装有待监测样品的样品池；23为狭缝；24为光盘；25成像透镜；26光调制器；27单个探测器；28待监测样品；29入射光纤；30出射光纤；31入射光纤；32出射光纤；61硅衬底；62氧化物；63绝缘层；64负电极；65顶层反射面；66底层反射面；67悬臂梁；68偏压施加装置。

                     具体实施方案

如图1所示，光源21出射的光经过装有待监测样品的样品池22，再经过狭缝23照射到商用光盘24上(可采用VCD，DVD等光盘)，不同波长的光衍射角度不同，各种波长的衍射光经过准直成像透镜25，到可编程的光调制器26上，通过施加电压等方式对光调制器进行调制，采用数字变换方法使得安置在探测面上的单个探测器27可实现食品安全的监测。

本监测仪除采用图1的狭缝做透射式探头外，还可采用不同探头对监测样品进行信息获取。如图2所示，图2a为采用光纤的反射式探头，入射光纤29和出射光纤30在样品池22的同侧，入射光纤29携带光源信息照射到样品池22内装的待监测样品28上，经过样品后的光进入出射光纤30，再到达后续设置的光盘24。图2b为采用光纤的透射式探头，如果待监测样品28为透光体，可以采用入射光纤31和出射光纤32设置在样品池22的两相对面，构成透射型测量方式。

图3为本仪器采用的可编程的光调制器6的单像素光栅光调制器结构图，在硅衬底61上淀积生长一层氧化物62，再淀积刻蚀绝缘层63、负电极64，镀上底层反射面65，通过淀积牺牲层，形成顶层反射面66，再在其上刻蚀所需要的光栅，该光栅即为正电极，最后释放牺牲层就可以得到如图3所示结构。入射光线实际上接受到了顶层光栅和镂空的底层光栅的双重调制，该调制效果随两层光栅间距不同而变化，其原理类似于矩形槽相位光栅。而其间距可通过偏压施加装置68来调节。顶面反射层66通过四根旋转对称的悬臂梁67支撑，悬臂梁67共四根，通过立柱支撑于硅衬底61上，位于四方形顶层反射面66的四边外侧，并与顶层反射面在同一平面内平行布局，保持一定间隙，臂的长度不超过顶层反射面单边边长的一半，四根悬臂梁67由顶面反射层66四边中间相对的位置沿一个方向向顶面反射层的四角延伸，并连接这四个角，形成独特的旋臂式支撑结构，即达到了为顶层反射面66提供柔性支撑的效果，又使得顶层反射面66中心的有效光栅面积足够大。当上下反射面的光程差为入射光半波长的偶数倍，这时GMLM相当于一个反射镜，衍射能量集中在0级，光通过为“开”态；当加上一定的电压后，可动光栅在静电吸引力的作用下下拉λ/4距离，上下反射面的光程差为入射光的半波长的奇数倍，理想情况下约81％衍射能量集中在±1级，而0级能量几乎为0，这时GMLM相当于是一个矩形相位光栅，入射光以一定角度衍射，此时光通道为“关”态。采用线阵GMLM实现被光盘分色后的光的空间调制，每个像素对应一个光通道。像素状态为“开”，此光通道为“开”，要经过该光通道的光可以经过该像素达到探测器件；像素状态为“关”，此光通道为“关”，要经过该光通道的光不能经过该像素达到探测器件，被衍射到了其他空间位置。

如图4所示，空间光调制器件像素的开关状态，“1”表示“开”态，“0”表示“关”态。如图5所示，光通过为“开”态的像素，该通道能够顺利到达探测器上，编码为“1”；入射光通过为“关”态的像素，光经过该通道不能够到达探测器上，编码为“0”。

Claims (6)

1.一种基于空间光调制器的食品安全监测仪，其特征在于它包括：光源、样品池、探测部分、作为色散元件的光盘，成像装置、可编程空间光调制器和单个探测器；所述样品池设置在光源与光盘之间，光源发出的光，经过样品池，通过探测部分，入射到光盘上，在光盘的光衍射线路上设置可编程空间光调制器，并在光盘与可编程空间光调制器之间设置成像装置，通过施加驱动电压对空间光调制器进行调制，在成像装置焦平面再设置单个探测器，单个探测器按时间顺序依次获得各种波长的光强或几种波长光的合成光强，再利用数字变换方法实现对样品光谱的监测；所述数字变换方法采用Hadamard变换。

2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的食品安全监测仪，其特征在于：所述光盘采用VCD或DVD商用光盘，所述成像装置采用成像物镜。

3.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的食品安全监测仪，其特征在于：所述探测部分采用反射式探头，即通过将入射光纤和出射光纤设置在样品池同侧而构成，入射光纤携带光源信息照射到样品池内的待监测样品上，经过待监测样品后的光反射进入出射光纤，再达到后续设置的光盘上。

4.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的食品安全监测仪，其特征在于：所述探测部分采用透射式探头，即通过将入射光纤和出射光纤设置在样品池两相对的两侧而构成，入射光纤携带光源信息照射到样品池内的待监测样品上，经过待监测样品后的透射光进入出射光纤，再到达后续设置的光盘上。

5.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的食品安全监测仪，其特征在于：所述探测部分采用投射式探头，即在样品池与光盘之间设置狭缝，光源发出的光透射过样品池内的待监测样品，经过狭缝，再到达后续设置的光盘上。

6.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的食品安全监测仪，其特征在于：采用Hadamard变换进行多波长编码及解调。

Images