CN104502304B - 基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪 - Google Patents
基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光谱分析仪器技术领域，为提供一种基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，增大狭缝处的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光谱分辨率之间的相互限制；实现微型固化，提高稳定性，为此，本发明采取的技术方案是，基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，包括：狭缝(8)，准直透镜(9)，衍射光栅(10)，第四会聚透镜(11)，数字微镜元件DMD(12)，数字微镜元件控制器(13)，第五会聚透镜(14)，单点式探测器(15)，放大器(16)，模数转换器(ADC)(17)，计算机(18)；此外还包括采样模块。本发明主要应用于光谱分析。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析仪器技术领域。具体讲，涉及基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪。
背景技术
近红外光谱(NIRS)是介于可见光和中红外之间的电磁辐射波段，根据美国材料检测协会(ASTM)的定义，NIRS的波长范围为780-2526nm。当一束具有连续波长的近红外光(NIR)照射物质，物质分子中的某个基团的振动频率或转动频率和NIR的频率一样时，物质分子会吸收对应频率NIR的能量，物质分子的振动能级或转动能级将由基态跃迁至某一激发态。根据物质分子对NIR的选择性吸收的现象，可以对物质的分子结构和分子组成进行分析，定性地获取物质的成分信息，并且，由于物质分子对NIR的吸收系数与物质分子的含量或浓度有关，可以实现对物质成分的定量分析，因此，形成了近红外光谱检测技术，可以广泛地用于物质成分检测领域。
近红外光谱检测技术主要是根据物质的近红外吸收光谱进行分析的，属于分子光谱的范畴。近红外吸收光谱记录了物质分子对不同频率的NIR的不同吸收系数，反映了物质分子的结构和组成，结合不断发展的化学计量学方法，可以通过对吸收光谱的数据建立数学模型，定量地分析物质成分含量信息。近红外光谱检测技术具有鲜明的特点，包括：对样品不接触、无损害，无需预处理、不污染环境，分析速度快、效率高、实时性好，设备简单、操作方便等。目前，近红外光谱检测技术在医学和药学、化学和材料科学、食品科学、环境保护、地质考古、刑侦鉴定等领域有着广泛的应用，提供了先进的分析和检测技术。
近红外光谱检测技术的实现载体是近红外光谱仪，随着技术的不断发展和进步，近红外光谱仪已经具有较高的检测水平，包括：较高的信噪比、较高的光谱分辨率、较高的稳定性和较高的精确度。然而，近红外光谱仪中狭缝的设置问题依然需要进一步解决，因为在使用近红外光谱仪的时候，需要考虑信噪比和光谱分辨率的权衡，较窄的狭缝，有利于分辨率的提高，但是，降低了近红外光束的光通量，限制了信噪比，因此，需要引入新的技术——虚拟狭缝技术，在较窄的狭缝时，增加光通量，提高信噪比，突破信噪比与光谱分辨率的相互限制。同时，近红外光谱仪的微型固化设计为近红外光谱仪的发展提供了新的思路，通过数字微镜元件DMD、固定衍射光栅和单点式探测器的组合，完成近红外光谱仪的分光检测任务，可以使得内部元器件固定且小型化，配以紧凑的光路设计，实现微型固化的特点，提高稳定性。
发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，增大狭缝处的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光谱分辨率之间的相互限制；实现微型固化，提高稳定性，为此，本发明采取的技术方案是，基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，包括：狭缝(8)，准直透镜(9)，衍射光栅(10)，第四会聚透镜(11)，数字微镜元件DMD(12)，数字微镜元件控制器(13)，第五会聚透镜(14)，单点式探测器(15)，放大器(16)，模数转换器(ADC)(17)，计算机(18)；此外还包括采样模块，采样模块使用透射采样方式并包括：光源(1)，抛物面反射镜(2)，第一会聚透镜(3)、第二会聚透镜(4)，柱面会聚透镜(5)，样品池(6)，第三会聚透镜(7)；
由光源(1)产生近红外光束；
抛物面反射镜(2)对近红外光束进行离轴反射，产生平行光束；
第一会聚透镜(3)、第二会聚透镜(4)组合调节近红外光束的直径，与狭缝(8)高度相匹配；
柱面会聚透镜(5)将圆状近红外光束会聚成线状光束，与线状狭缝(8)相匹配，实现虚拟狭缝的设置，减小狭缝(8)对近红外光束的限制，增大狭缝(8)处近红外光束的光通量；
样品池(6)放置待测样品，收集透射近红外光束；
第三会聚透镜(7)将样品池(6)处的线状入射光斑成像在狭缝(8)处，样品池(6)和狭缝(8)呈物像共轭关系；
狭缝(8)限制近红外光束通过的尺寸；
准直透镜(9)对通过狭缝(8)的近红外光束进行准直；
衍射光栅(10)通过衍射作用对近红外光束进行分光；
第四会聚透镜(11)将经过衍射光栅(10)分光的近红外光束按不同波长入射到数字微镜元件DMD(12)微镜面的不同位置；
数字微镜元件DMD(12)对已分光的近红外光束进行谱面分割；
数字微镜元件控制器(13)通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD(12)各个微镜的偏转；
第五会聚透镜(14)将数字微镜元件DMD(12)的微镜面成像在单点式探测器(15)的探测面上，数字微镜元件DMD(12)和单点式探测器(15)呈物像共轭关系；
单点式探测器(15)将近红外光信号转换成电信号；
放大器(16)将电信号放大；
模数转换器(ADC)(17)将模拟电信号转换成数字信号；
计算机(18)进行系统控制和数字信号处理。
采样模块或者使用反射采样方式的采样模块，包括：光源(19)，抛物面反射镜(20)，第二十一会聚透镜(21)、第二十二会聚透镜(22)，柱面会聚透镜(23)，直角三棱镜(24)，样品池(25)，第二十六会聚透镜(26)，狭缝(8)；
由光源(19)产生近红外光束；
抛物面反射镜(20)对近红外光束进行离轴反射，产生平行光束；
第二十一会聚透镜(21)、第二十二会聚透镜(22)，组合调节近红外光束的直径，与狭缝(8)高度相匹配；
柱面会聚透镜(23)将圆状近红外光束会聚成线状光束，与线状狭缝(8)相匹配，实现虚拟狭缝的设置，减小狭缝(8)对近红外光束的限制，增大狭缝(8)处近红外光束的光通量；直角三棱镜(24)具有高折射率，使得近红外光束在直角三棱镜(24)的斜边处发生一次全内反射TIR；
样品池(25)放置待测样品，收集反射近红外光束；
第二十六会聚透镜(26)将样品池(25)处的线状入射光斑成像在狭缝(8)处，样品池(25)和狭缝(8)呈物像共轭关系。
狭缝(8)限制近红外光束通过的尺寸，影响光谱分辨率，较窄的宽度时，具有较高的光谱分辨率。
数字微镜元件控制器(13)在计算机(18)的控制下通过底层CMOS电路根据阿达玛数字变换技术通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD(12)的各个微镜发生±10°的偏转，实现“0”和“1”状态的变换和组合，将近红外波长按照一定的规则进行分组，单点式探测器(15)使用InGaAs光电二极管，接收多个波长组合的近红外光束，第五会聚透镜(14)将数字微镜元件DMD(12)的微镜面成像在单点式探测器(15)的探测面上，数字微镜元件DMD(12)和单点式探测器(15)呈物像共轭关系。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
虚拟狭缝的设置，使得较窄的狭缝具有较大的近红外光光通量，提高了信噪比，突破了信噪比和光谱分辨率之间的相互限制，同时，内部元器件的固定化、小型化设计，配以紧凑的内部光路，具有微型固化的特点，提高了稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪的结构示意图，其中，采样模块使用透射采样方式。
图中，1为光源，2为抛物面反射镜，3、4为会聚透镜，5为柱面会聚透镜，6为样品池，7为会聚透镜，8为狭缝，9为准直透镜，10为衍射光栅，11为会聚透镜，12为数字微镜元件DMD，13为数字微镜元件控制器，14为会聚透镜，15为单点式探测器，16为放大器，17为模数转换器ADC，18为计算机，*表示物像共轭关系。
图2是反射采样方式的采样模块的结构示意图。
图中，19为光源，20为抛物面反射镜，21、22为会聚透镜，23为柱面会聚透镜，24为直角三棱镜，25为样品池，26为会聚透镜，8为狭缝，*表示物像共轭关系。
具体实施方式
本发明的技术方案如下：
基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪系统，其中，采样模块使用透射采样方式，包括：光源1，抛物面反射镜2，会聚透镜3、4，柱面会聚透镜5，样品池6，会聚透镜7，狭缝8，准直透镜9，衍射光栅10，会聚透镜11，数字微镜元件DMD12，数字微镜元件控制器13，会聚透镜14，单点式探测器15，放大器16，模数转换器ADC17，计算机18。
由光源1产生近红外光束。
抛物面反射镜2对近红外光束进行离轴反射，产生平行光束。
会聚透镜3、4组合调节近红外光束的直径，与狭缝8高度相匹配。
柱面会聚透镜5将圆状近红外光束会聚成线状光束，与线状狭缝8相匹配，实现虚拟狭缝的设置，减小狭缝8对近红外光束的限制，增大狭缝8处近红外光束的光通量。
样品池6放置待测样品，收集透射近红外光束。
会聚透镜7将样品池6处的线状入射光斑成像在狭缝8处，样品池6和狭缝8呈物像共轭关系。
狭缝8限制近红外光束通过的尺寸，影响光谱分辨率，较窄的宽度时，具有较高的光谱分辨率。
准直透镜9对通过狭缝8的近红外光束进行准直。
衍射光栅10通过衍射作用对近红外光束进行分光。
会聚透镜11将经过衍射光栅10分光的近红外光束按不同波长入射到数字微镜元件DMD12微镜面的不同位置。
数字微镜元件DMD12对已分光的近红外光束进行谱面分割。
数字微镜元件控制器13通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD12各个微镜的偏转。
会聚透镜14将数字微镜元件DMD12的微镜面成像在单点式探测器15的探测面上，数字微镜元件DMD12和单点式探测器15呈物像共轭关系。
单点式探测器15将近红外光信号转换成电信号。
放大器16将电信号放大。
模数转换器ADC17将模拟电信号转换成数字信号。
计算机18进行系统控制和数据处理。
反射采样方式的采样模块，包括：光源19，抛物面反射镜20，会聚透镜21、22，柱面会聚透镜23，直角三棱镜24，样品池25，会聚透镜26，狭缝8。
由光源19产生近红外光束。
抛物面反射镜20对近红外光束进行离轴反射，产生平行光束。
会聚透镜21、22组合调节近红外光束的直径，与狭缝8高度相匹配。
柱面会聚透镜23将圆状近红外光束会聚成线状光束，与线状狭缝8相匹配，实现虚拟狭缝的设置，减小狭缝8对近红外光束的限制，增大狭缝8处近红外光束的光通量。
直角三棱镜24具有高折射率，使得近红外光束在直角三棱镜24的斜边处发生一次全内反射TIR。
样品池25放置待测样品，收集反射近红外光束。
会聚透镜26将样品池25处的线状入射光斑成像在狭缝8处，样品池25和狭缝8呈物像共轭关系。
狭缝8限制近红外光束通过的尺寸，影响光谱分辨率，较窄的宽度时，具有较高的光谱分辨率。
下面结合附图和具体实施方法是进一步详细说明本发明。
本发明提出了一种基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，针对狭缝引起的光谱分辨率和信噪比的相互限制，引入了虚拟狭缝的新技术，结合附图，详细说明如下。此处所描述的主要是基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪的实现方法。
图1示出了本发明提供的基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪的结构示意图，其中，采样模块采用透射采样方式，详述如下。
光源1可以使用卤素灯，产生近红外光束，覆盖波长范围780-2500nm，卤素灯的功率不小于20W，并具有较短的灯丝。光源1位于抛物面反射镜2的焦点处，抛物面反射镜2具有较短的有效焦距，有利于接收光源1的光束。光源1发出的近红外光束经过抛物面反射镜2的离轴反射，形成平行光束。
会聚透镜3、4为焦距长短不一样的会聚透镜组合，对近红外光束的直径进行缩小调节，使得近红外光束经过后续光路后与狭缝8的高度相匹配。会聚透镜3的像方焦点与会聚透镜4的物方焦点相重合，会聚透镜3的焦距比会聚透镜4的焦距长。
柱面会聚透镜5对圆状近红外光束进行会聚，在位于柱面会聚透镜5的像方焦平面处的样品池6上形成线状入射光斑，实现虚拟狭缝的设置，收集透射近红外光束，线状入射光斑的宽度约为5μm，高度约为1mm。
样品池6上的线状入射光斑通过会聚透镜7成像在狭缝8处，与狭缝8的50μm宽度和10mm高度相匹配，样品池6和狭缝8呈物像共轭关系，并且放大率约等于10。
准直透镜9对经过狭缝8的近红外光束进行准直，狭缝8位于准直透镜9的物方焦平面处，准直后的近红外光束入射到反射式的衍射光栅10上，通过衍射作用，近红外光束被分光，由会聚透镜11会聚，按不同波长入射到数字微镜元件DMD12的微镜面的不同位置，实现谱面分割。数字微镜元件DMD12位于会聚透镜11的像方焦平面处。狭缝8通过准直透镜9和会聚透镜11成像在数字微镜元件DMD12的微镜面上，狭缝8与数字微镜元件DMD12呈物像共轭关系。
数字微镜元件控制器13在计算机18的控制下通过底层CMOS电路根据阿达玛数字变换技术通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD12的各个微镜发生±10°的不同偏转，使得对应+10°偏转的部分近红外光束可以经过数字微镜元件DMD12进入后续光路，而对应-10°偏转的部分近红外光束无法进入后续光路，实现“0”和“1”状态的变换和组合。根据阿达玛变换算法，将近红外波长按照一定的规则进行分组，单点式探测器15使用InGaAs光电二极管，分时接收多个波长组合的近红外光束。会聚透镜14将数字微镜元件DMD12的微镜面成像在单点式探测器15的探测面上，数字微镜元件DMD12和单点式探测器15呈物像共轭关系。
单点式探测器15将光信号转换成电信号，通过放大器16进行放大，再通过模数转换器ADC17将模拟信号转换为数字信号，传输给计算机18进行数据处理，获得光谱信息。
图2示出了本发明提供的反射采样方式的采样模块的结构示意图，详述如下。
光源19可以使用卤素灯，产生近红外光束，覆盖波长范围780-2500nm，卤素灯的功率不小于20W，并具有较短的灯丝。光源19位于抛物面反射镜20的焦点处，抛物面反射镜20具有较短的有效焦距，有利于接收光源19的光束。光源19发出的近红外光束经过抛物面反射镜20的离轴反射，形成平行光束。
会聚透镜21、22为焦距长短不一样的会聚透镜组合，对近红外光束的直径进行缩小调节，使得近红外光束经过后续光路后与狭缝8的高度相匹配。会聚透镜21的像方焦点与会聚透镜22的物方焦点相重合，会聚透镜21的焦距比会聚透镜22的焦距长。
柱面会聚透镜23对圆状近红外光束进行会聚，在位于柱面会聚透镜23的像方焦平面处的样品池25上形成线状入射光斑，实现虚拟狭缝的设置，线状入射光斑的宽度约为5μm，高度约为1mm。
直角三棱镜24具有高折射率，在直角三棱镜24与样品池25的界面处，由于棱镜的折射率远大于样品的折射率，会发生一次全内反射TIR，根据衰减全反射ATR作用，可以收集样品的反射近红外光束。经过直角三棱镜24的入射光束和出射光束均与入射面和出射面垂直。
样品池25上的线状入射光斑通过会聚透镜26成像在狭缝8处，与狭缝8的50μm宽度和10mm高度相匹配，样品池25和狭缝8呈物像共轭关系，并且放大率约等于10。
Claims (3)
1.一种基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，其特征是，包括：狭缝(8)，准直透镜(9)，衍射光栅(10)，第四会聚透镜(11)，数字微镜元件DMD(12)，数字微镜元件控制器(13)，第五会聚透镜(14)，单点式探测器(15)，放大器(16)，模数转换器ADC(17)，计算机(18)；此外还包括采样模块，采样模块使用透射采样方式并包括：光源(1)，抛物面反射镜(2)，第一会聚透镜(3)、第二会聚透镜(4)，柱面会聚透镜(5)，样品池(6)，第三会聚透镜(7)；
由光源(1)产生近红外光束；
抛物面反射镜(2)对近红外光束进行离轴反射，产生平行光束；
第一会聚透镜(3)、第二会聚透镜(4)组合调节近红外光束的直径，与狭缝(8)高度相匹配；
柱面会聚透镜(5)将圆状近红外光束会聚成线状光束，与线状狭缝(8)相匹配，实现虚拟狭缝的设置，减小狭缝(8)对近红外光束的限制，增大狭缝(8)处近红外光束的光通量；
样品池(6)放置待测样品，收集透射近红外光束；
第三会聚透镜(7)将样品池(6)处的线状入射光斑成像在狭缝(8)处，样品池(6)和狭缝(8)呈物像共轭关系；
狭缝(8)限制近红外光束通过的尺寸；
准直透镜(9)对通过狭缝(8)的近红外光束进行准直；
衍射光栅(10)通过衍射作用对近红外光束进行分光；
第四会聚透镜(11)将经过衍射光栅(10)分光的近红外光束按不同波长入射到数字微镜元件DMD(12)微镜面的不同位置；
数字微镜元件DMD(12)对已分光的近红外光束进行谱面分割；
数字微镜元件控制器(13)通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD(12)各个微镜的偏转；
第五会聚透镜(14)将数字微镜元件DMD(12)的微镜面成像在单点式探测器(15)的探测面上，数字微镜元件DMD(12)和单点式探测器(15)呈物像共轭关系；
单点式探测器(15)将近红外光信号转换成电信号；
放大器(16)将电信号放大；
模数转换器ADC(17)将模拟电信号转换成数字信号；
计算机(18)进行系统控制和数字信号处理。
2.如权利要求1所述的基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，其特征是，采样模块或者使用反射采样方式的采样模块，包括：光源(19)，抛物面反射镜(20)，第二十一会聚透镜(21)、第二十二会聚透镜(22)，柱面会聚透镜(23)，直角三棱镜(24)，样品池(25)，第二十六会聚透镜(26)；
由光源(19)产生近红外光束；
抛物面反射镜(20)对近红外光束进行离轴反射，产生平行光束；
第二十一会聚透镜(21)、第二十二会聚透镜(22)，组合调节近红外光束的直径，与 狭缝(8)高度相匹配；
柱面会聚透镜(23)将圆状近红外光束会聚成线状光束，与线状狭缝(8)相匹配，实现虚拟狭缝的设置，减小狭缝(8)对近红外光束的限制，增大狭缝(8)处近红外光束的光通量；
直角三棱镜(24)具有高折射率，使得近红外光束在直角三棱镜(24)的斜边处发生一次全内反射TIR；
样品池(25)放置待测样品，收集反射近红外光束；
第二十六会聚透镜(26)将样品池(25)处的线状入射光斑成像在狭缝(8)处，样品池(25)和狭缝(8)呈物像共轭关系；
狭缝(8)限制近红外光束通过的尺寸，影响光谱分辨率，较窄的宽度时，具有较高的光谱分辨率。
3.如权利要求1所述的基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，其特征是，数字微镜元件控制器(13)在计算机(18)的控制下通过底层CMOS电路根据阿达玛数字变换技术通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD(12)的各个微镜发生±10°的不同偏转，实现近红外光束光路选通的“0”和“1”状态的变换和组合，根据阿达玛变换算法，将近红外波长按照一定的规则进行分组，单点式探测器(15)使用InGaAs光电二极管，分时接收多个波长组合的近红外光束，第五会聚透镜(14)将数字微镜元件DMD(12)的微镜面成像在单点式探测器(15)的探测面上，数字微镜元件DMD(12)和单点式探测器(15)呈物像共轭关系。
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2014
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