CN103940509A - 一种近红外光谱仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近红外光谱仪，包括光源、抛物面反射镜、闪耀光栅、数字微镜器件、线性探测器、单光子探测器、光谱信息处理系统；所述光源设置在抛物面反射镜的焦点处，光源经抛物面反射镜准直后投射到闪耀光栅上，经闪耀光栅在一级闪耀角上分开成单色平行光投射到数字微镜器件上；数字微镜器件中的微镜产生＋12°和－12°的偏转，将单色平行光分别反射到线性探测器和单光子探测器上；光谱信息处理系统对该发明中两个探测器接收的光谱信息进行融合处理得到原始光谱信号的光谱强度。本发明还公开了一种近红外光谱仪的测量方法。本发明将单光子探测器引入到近红外光谱仪中，提高对微量物质和微弱光谱的检测能力、增加灵敏度和精度且结构简单。

Description

一种近红外光谱仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及光电分析领域，特别是一种近红外光谱仪及测量方法。

背景技术

近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外（MIR）之间的电磁辐射波，美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定义为780～2526nm的区域，是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。近红外光谱区与有机分子中含氢基团（OH、NH、CH）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，近红外光谱仪已广泛应用于农产业、石化产品、临床诊断、环境检测等领域。

近红外光谱仪很多时候用于携带到现场进行分析，因此需要体积小巧、方便携带的近红外光谱仪，现有的便携式近红外光谱仪的种类有很多，根据光路结构不同可分为：滤光片型、光栅型、傅里叶变换型、基于数字微镜元件(DMD)的微机电系统(MEMS)型。

Zeltex公司的ZX-50系列手持式近红外粮食分析仪是滤光片型的典型代表，该仪器采用12个LED作为光源，对应12个波长的窄带滤光片，波长范围893～1045nm；此类仪器的缺点是波长数目有限，准确度和精度不高。

南京中地仪器的ZDJIPB-1近红外光谱仪是光栅扫描型光谱仪的典型代表，分辨率优于7nm，信噪比（RMS）8000：1，但因有移动部件导致仪器的抗震性差，扫描速度相对较慢。

傅里叶变换型光谱仪的光通量大、分辨率高，中红外波段的大型仪器较多，而近红外波段的便携式仪器则较少，原因是近红外分析的现场应用一般不要求很高的分辨率，而其一般都有可移动部件，抗震性差，很难做成便携式仪器。

使用数字微镜元件(DMD)进行光谱选择的仪器以低成本的数字微镜元件(DMD)芯片和单点探测器代替光栅阵列型光谱仪中的线阵列探测器，成本大为降低，仪器结构简单，制作容易。典型的代表有华夏科创的HT100型便携式阿达玛变换光谱仪，仪器选取100组微镜进行光谱选通，以不同的组合（阿达玛模板）选通多列微镜实现阿达玛变换，信噪比较不使用变换大大提升。波长精度0.6nm，仪器经过各种工业现场试验，稳定性较好，但是受单个探测器性能的限制，其对微弱光谱的探测能力有限。

如何克服上述现有技术的不足已成为现有光电分析领域亟待解决的重点难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种近红外光谱仪及测量方法，提供一种检测微量元素的近红外光谱仪，将单光子探测器引入到光谱仪中，与线性探测器融合的方法提高了对微量物质和微弱光谱的检测能力，提高了光谱仪扫描的速度和精度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种近红外光谱仪，包括光源、抛物面反射镜、闪耀光栅、数字微镜器件、线性探测器、单光子探测器、光谱信息处理系统；所述光源设置在抛物面反射镜的焦点处，光源经抛物面反射镜准直后投射到闪耀光栅上，经闪耀光栅在一级闪耀角上分开成单色平行光投射到数字微镜器件上；数字微镜器件中的微镜产生＋12°和－12°的偏转，将单色平行光分别反射到线性探测器和单光子探测器上；光谱信息处理系统对线性探测器和单光子探测器接收的光谱信息进行融合、阿达玛变换处理，得到原始光谱信号的光谱强度。

作为本发明的一种近红外光谱仪的进一步优化的方案，所述数字微镜器件中的微镜进行＋12°偏转将光反射到线性探测器上，数字微镜器件中的微镜进行－12°偏转将光反射到单光子探测器上。

作为本发明的一种近红外光谱仪的进一步优化的方案，所述数字微镜器件中的微镜进行＋12°偏转将光反射到单光子探测器上，数字微镜器件中的微镜进行－12°偏转将光反射到线性探测器上。

作为本发明的一种近红外光谱仪的进一步优化的方案，所述线性探测器采用硫化铅光电探测器。

作为本发明的一种近红外光谱仪的进一步优化的方案，所述硫化铅探测器采用德国EOS公司生产的PBS-050-E8硫化铅线性探测器。

作为本发明的一种近红外光谱仪的进一步优化的方案，所述单光子探测器采用单光子雪崩二极管探测器。

作为本发明的一种近红外光谱仪的进一步优化的方案，所述单光子探测器采用Princeton Lightwave公司的PGA-400单光子探测器。

根据本发明提出的一种近红外光谱仪的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、入射光被准直后投射到闪耀光栅上，经闪耀光栅后投射到数字微镜器件上，数字微镜器件中的微镜可产生＋12°和－12°的偏转，将入射光分别反射到线性探测器和单光子探测器上；

步骤二、将线性探测器测得的光功率P₁(t)和单光子探测器测得的光功率P₂(t)进行融合：选取线性探测器和单光子探测器测得的信噪比未恶化的光功率重叠区域作为融合区间，对该融合区间内的P₁(t)和P₂(t)逐点求差值为ΔP[t]；计算出ΔP[t]的均方根为ΔP[t]_rms；将P₂(t)减去ΔP[t]_rms得到修正后的单光子探测器光功率Fusion[t]，使用修正后的单光子探测器光功率来替换线性探测器融合区间及其融合区间对应的时间之后的光功率数据，最后得到整个融合后的探测光功率数据P₀；其中，t为时间；

步骤三、光谱信息处理系统对接收的光谱信息进行阿达玛变换处理，得到原始光谱信号的光谱强度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明将单光子探测器引入到近红外光谱仪中，利用单光子探测技术极大地提高了光谱仪对微量物质和微弱光谱的检测能力；在光谱选通中采用数字微镜器件进行光谱选通，取消了光谱仪的移动部件，结构简单；单光子探测器与线性探测器融合的方法提高了对微量物质和微弱光谱的检测能力，提高了光谱仪扫描的速度、灵敏度和精度。

附图说明

图1是本发明的近红外光谱仪结构图。

图2是波长为1550nm输入光信号的线性探测器测得的光谱图。

图3是波长为1550nm输入光信号的单光子探测器测得的光谱图。

图4是线性探测器与单光子探测器光谱数据融合示意图。

图5是本发明的近红外光谱仪的程序流程图。

附图标记：1-光源，2-抛物面反射镜，3-闪耀光栅，4-数字微镜器件，5-线性探测器，6-单光子探测器，7-光谱信息处理系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明提供了一种近红外光谱仪，包括光源1、抛物面反射镜2、闪耀光栅3、数字微镜器件4、线性探测器5、单光子探测器6、光谱信息处理系统7；所述光源1设置在抛物面反射镜2的焦点处，光源1经抛物面反射镜准2准直后投射到闪耀光栅3上，经闪耀光栅3在一级闪耀角上分开成单色平行光投射到数字微镜器件4上；数字微镜器件4中的微镜产生＋12°和－12°的偏转，将单色平行光分别反射到线性探测器5和单光子探测器6上；光谱信息处理系统7对线性探测器5和单光子探测器6接收的光谱信息进行融合、阿达玛变换处理，得到原始光谱信号的光谱强度。

数字微镜器件4中的微镜进行＋12°偏转将光反射到线性探测器5上，数字微镜器件4中的微镜进行－12°偏转将光反射到单光子探测器6上；或者数字微镜器件4中的微镜进行＋12°偏转将光反射到单光子探测器6上，数字微镜器件4中的微镜进行－12°偏转将光反射到线性探测器5上。线性探测器5采用硫化铅光电探测器，该硫化铅探测器采用德国EOS公司生产的PBS-050-E8硫化铅线性探测器。单光子探测器6采用单光子雪崩二极管探测器。

光源1位于发出抛物面反射镜2的焦点处，其发出的光可近似为点光源发光，当光束入射到抛物面反射镜2上后变成平行光束；平行光束的光谱经闪耀光栅3后在一级闪耀角上分开成单色平行光，单色平行光在数字微镜器件（DMD）4上由微镜反射，每个微镜根据其自身的状态（＋12°或－12°）决定将该微镜处的光反射到线性探测器5或单光子探测器6。对数字微镜器件（DMD）4进行阿达玛模板的逐行选通，每行获得一个探测器数据，从而得到一个列向量，后经反阿达玛变换得到每个微镜处的光谱强度。

本发明中关键器件配置如下：闪耀光栅3选用300线对平面反射光栅，一级闪耀，闪耀波长1500nm，尺寸30mm*30mm；数字微镜器件4采用Texas Instruments的DLPDiscovery4100开发套件，其核心是DLP7000DMD，1024x768的铝镜阵列，微镜元尺寸13.68um，±12°微镜倾斜角；线性探测器5采用德国EOS公司的PBS-050-E8硫化铅线性探测器，该探测器的主要工作波长为1.0um～2.8um，相应度10⁶V/W，等效噪声功率7x10^-12W/Hz^1/2；单光子探测器6采用Princeton Lightwave公司的PGA-400单光子探测器，该单光子雪崩二极管是以InGaAs/InP APD为核心，波长范围0.95-1.65um，最大输入连续光功率1mW，工作在线性探测模式。

如图2所示是波长为1550nm输入光信号的线性探测器5测得的光谱图，输入光是一个波长为1550nm且功率随时间指数衰减的高动态范围信号；图3是波长为1550nm输入光信号的单光子探测6器测得的光谱图，图4是线性探测器5与单光子探测器6光谱数据融合示意图；图中横坐标为时间，单位微秒，纵坐标为光功率，单位dBm。从图2中可以看出，在700微秒之后因输入光功率变弱，信号淹没在线性探测器5的基底噪声中，无法判断真实的输入光功率，而因输入光功率衰减到单光子探测器6工作的阈值功率P_SPAD=－40dBm时，单光子探测器6开机工作得到图3的单光子探测器数据曲线。两组数据融合的过程如下：P_SPAD=－40dBm对应图2中的横坐标约为650微秒，将650微秒到700微秒的区间定为数据融合区间；在融合区间内对应有一组线性探测器数据和一组单光子探测器数据，将融合区间内每个时间点对应的两组数据逐点求差值，然后再求得这些差值的均方根；将单光子探测器6的全部数据减去该均方根得到一组修正的单光子探测器数据；使用修正后的单光子探测器6的数据替换线性探测器5融合区域及其后的数据，最后得到整个融合后的探测数据，即图4表示线性探测器5与单光子探测器6光谱数据融合示意图。

选取10个时间点的数据举例说明数据融合的过程，P₁(t)表示在t时刻线性探测器5的数据，单位dBm，P₂(t)表示t时刻单光子探测器6的数据，单位dBm，选取t=650us、655us、660us、665us、670us、675us、680us、685us、690us、695us对应的P₁(t)和P₂(t)进行数据融合。

P₁(t)={-39.3230,-39.2158,-39.6464,-40.2474,-39.7707,-40.6027,-40.4476,-41.3034,-41.3903,-41.5558}

P₂(t)={-33.9675,-34.3875,-34.5840,-34.9390,-35.3027,-35.4350,-35.6087,-35.9852,-36.3788,-36.7076}

ΔP[t]=P₂(t)－P₁(t)表示t时刻两探测器的数据差值，得到：

ΔP[t]={5.3555,4.8283,3.0624,5.3084,4.4680,5.1677,4.8389,5.3182,5.0115,4.8482}

ΔP[t]的均方根可以计算为

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}\left[t\right]}_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{{x_1}^2+{x_2}^2+...{x_n}^2}{N}}\\ =\sqrt{\frac{{5.3555}^2+{4.8283}^2+{3.0624}^2+{5.3084}^2+{4.4680}^2+{5.1677}^2+{4.8389}^2+{5.3182}^2+{5.0115}^2+{4.8482}^2}{10}}\\ =4.8635\end{array}$

其中N=10表示样本个数，x₁，x₂，...，x_n表示ΔP[t]中的对应每个元素。

P₂(t)的数据减去ΔP[t]_rms得到修正的单光子探测器数据：Fusion[t]=P₂(t)－ΔP[t]_rms，即

Fusion[t]={-38.8310,-39.2510,-39.4475,-39.8025,-40.1662,-40.2985,-40.4722,-40.8487,-41.2423,-41.5711}

Fusion[t]即为P₁(t)，P₂(t)两组数据融合得到的结果，使用修正后的单光子探测器光功率来替换线性探测器融合区间及其后的光功率数据，最后得到整个融合后的探测光功率数据P₀；其中，t为时间。

由图2，图3，图4可以看出，线性探测器5的数据受噪声影响较大，而单光子探测器6以其优异的低噪声性能通过将两个探测器的光功率数据融合过程得到了更加精确的结果，很大程度上扩展了光谱仪的动态范围，使其对微弱光谱的检测能力大大增强。

基于本发明的一种近红外光谱仪的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、入射光被准直后投射到闪耀光栅3上，经闪耀光栅3后投射到数字微镜器件4上，数字微镜器件4中的微镜产生＋12°和－12°的偏转，将入射光分别反射到线性探测器5和单光子探测器6上；

步骤二、将线性探测器测得的光功率P₁(t)和单光子探测器测得的光功率P₂(t)进行融合：选取线性探测器和单光子探测器测得的信噪比未恶化的光功率重叠区域作为融合区间，对该融合区间内的P₁(t)和P₂(t)逐点求差值为ΔP[t]；计算出ΔP[t]的均方根为ΔP[t]_rms；将P₂(t)减去ΔP[t]_rms得到修正后的单光子探测器光功率Fusion[t]，使用修正后的单光子探测器光功率来替换线性探测器融合区间及其融合区间对应的时间之后的光功率数据，最后得到整个融合后的探测光功率数据P₀；其中，t为时间；

步骤三、光谱信息处理系统对接收的光谱信息进行阿达玛变换处理，得到原始光谱信号的光谱强度。

如图5所示，近红外光谱仪的程序流程为：初始化阿达玛模板，先执行一次初始功率测量，根据测量结果P₀与探测器切换阈值P_SPAD的比较决定选用哪种探测器进行测量，循环执行n次测量后经过反阿达玛变换得到光谱信息。阿达玛模板的调制方式如下：由外部电路控制数字微镜器件（DMD）的每个微镜元的On/Off状态，构成一个由1和0（码元）组成的阿达玛模板，每个模板由n个码元组成，为了实现阿达玛变换，总计需要n个模板。

每次检测到的信号强度可以表示为：

$y_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}{X}_j$

其中y_i是第i个模板对应的光信号探测强度，X_j是第j个微镜元的光信号强度，向量S_ij=(S_i1,S_i2,......,S_in)的值对应第i个模板中每个微镜元的偏转角度，1为＋12°，0为－12°。写成矩阵的形式为Y=SX，进行反阿达玛变换得到X=S^-1Y，这样就可以还原出每个微镜元处的光谱强度。其中Y表示n次测量数据组成的列向量，S表示阿达玛模板矩阵，X表示每个微镜处的光强数据组成的列向量，S^-1表示S矩阵的逆矩阵。

Claims (8)

1.一种近红外光谱仪，其特征在于：包括光源、抛物面反射镜、闪耀光栅、数字微镜器件、线性探测器、单光子探测器、光谱信息处理系统；所述光源设置在抛物面反射镜的焦点处，光源经抛物面反射镜准直后投射到闪耀光栅上，经闪耀光栅在一级闪耀角上分开成单色平行光投射到数字微镜器件上；数字微镜器件中的微镜产生＋12°和－12°的偏转，将单色平行光分别反射到线性探测器和单光子探测器上；光谱信息处理系统对线性探测器和单光子探测器接收的光谱信息进行融合、阿达玛变换处理，得到原始光谱信号的光谱强度。

2.根据权利要求1所述的一种近红外光谱仪，其特征在于：所述数字微镜器件中的微镜进行＋12°偏转将光反射到线性探测器上，数字微镜器件中的微镜进行－12°偏转将光反射到单光子探测器上。

3.根据权利要求1所述的一种近红外光谱仪，其特征在于：所述数字微镜器件中的微镜进行＋12°偏转将光反射到单光子探测器上，数字微镜器件中的微镜进行－12°偏转将光反射到线性探测器上。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种近红外光谱仪，其特征在于：所述线性探测器采用硫化铅光电探测器。

5.根据权利要求4所述的一种近红外光谱仪，其特征在于：所述硫化铅探测器采用德国EOS公司生产的PBS-050-E8硫化铅线性探测器。

6.根据权利要求1所述的一种近红外光谱仪，其特征在于：所述单光子探测器采用单光子雪崩二极管探测器。

7.根据权利要求1所述的一种近红外光谱仪，其特征在于：所述单光子探测器采用Princeton Lightwave公司的PGA-400单光子探测器。

8.一种如权利要求1所述的近红外光谱仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、入射光被准直后投射到闪耀光栅上，经闪耀光栅后投射到数字微镜器件上，数字微镜器件中的微镜产生＋12°和－12°的偏转，将入射光分别反射到线性探测器和单光子探测器上；

步骤二、将线性探测器测得的光功率P₁(t)和单光子探测器测得的光功率P₂(t)进行融合：选取线性探测器和单光子探测器测得的信噪比未恶化的光功率重叠区域作为融合区间，对该融合区间内的P₁(t)和P₂(t)逐点求差值为ΔP[t]；计算出ΔP[t]的均方根为ΔP[t]_rms；将P₂(t)减去ΔP[t]_rms得到修正后的单光子探测器光功率Fusion[t]，使用修正后的单光子探测器光功率来替换线性探测器融合区间及其融合区间对应的时间之后的光功率数据，最后得到整个融合后的探测光功率数据P₀；其中，t为时间；

步骤三、光谱信息处理系统对接收的光谱信息进行阿达玛变换处理，得到原始光谱信号的光谱强度。