CN106940295B - 基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统，包括光源、光学系统、样品组件、光谱分光与探测器模块、电子学系统；所述光源发射近红外光束，光学系统收集所述近红外光束投射在样品组件上，然后辐射在光谱分光与探测器模块上；光谱分光与探测器模块包括渐变滤光片和探测器阵列，用于对入射光分光后将其转变为电信号发送至电子学系统，电子学系统用于对所述电信号进行获取、采样、缓存、传输、与上位机通信，同时对所述光谱分光与探测器模块进行驱动和控制。本发明无任何运动部件，采用渐变滤光片实现分光，有效缩小了光谱分析仪的封装尺寸极大降低了传统滤波型光谱仪存在的光谱串扰问题。
Description
技术领域
本发明属于近红外光谱分析领域，具体涉及一种基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统。
背景技术
随着科学技术的发展，光谱分析技术越来越多的应用到诸多领域，从基础科学研究，到工农业生产领域，例如粮食、调味品、酒类、肉类、油脂类、饲料蛋白类等食品行业，汽油、柴油、煤油等石化行业，高分子材料等加工过程监测分析、医药行业、造纸印染行业、林业、环保、土壤分析、刑事鉴定毒品、伪钞鉴定等。在以上应用中，适合大批量制造使用的廉价近红外便携式光谱分析仪器是重要一环，将直接影响着光谱分析技术的发展和产生社会效益的能力和规模。
针对以上应用，小型化、便携式、低成本的近红外光谱分析仪器是发展趋势，目前针对小型化近红外光谱分析仪器主要依赖于Czerny-Turner正交型光栅技术及MEMS(微机电系统) 技术，但是利用如上技术，存在体积变小有限，或成本较高，或需要光源、光栅等移动部件等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统，无任何运动部件，采用渐变滤光片实现分光，有效缩小了光谱分析仪的封装尺寸极大降低了传统滤波型光谱仪存在的光谱串扰问题。
本发明采用下面的技术方案：
一种基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统，包括光源、光学系统、样品组件、光谱分光与探测器模块、电子学系统；
所述光源发射近红外光束，光学系统收集所述近红外光束投射在样品组件上，然后辐射在光谱分光与探测器模块上；光谱分光与探测器模块包括渐变滤光片和探测器阵列，用于对入射光分光后将其转变为电信号发送至电子学系统，电子学系统用于对所述电信号进行获取、采样、缓存、传输、与上位机通信，同时对所述光谱分光与探测器模块进行驱动和控制。
进一步的，所述光源出射的光谱范围覆盖0.7～2.5um，且在上述波段内各单色光谱对应的光强度被包括在设定均值、设定偏差的范围内。
进一步的，所述光学系统包括物镜、光阑和准直镜；用于收集光源出射的近红外光，并将其调整为准直平行光经样品组件后，平行入射到光谱分光模块。
进一步的，所述光谱分光与探测器模块包括渐变滤光片和探测器阵列；渐变滤光片与探测器阵列之间采用光纤光学波导耦合，所述渐变滤光片、光纤光学波导、探测器阵列通过光学粘合剂封装为一体。
进一步的，所述光学粘合剂采用光学树脂。
进一步的，所述渐变滤光片尺寸在5mm宽*30mm长以下。
进一步的，所述电子学系统包括信号调理模块、探测器驱动电路、A/D转换模块、时序控制模块和接口模块；
所述信号调理模块对探测器阵列发送模拟信号进行噪声抑制、增益调整，用于改善所述电信号的质量；
所述探测器驱动电路用于提供探测器阵列处于工作状态时所选的时序、逻辑控制命令；
所述A/D转换模块用于对所述探测器阵列输出的信号进行模拟-数字转换工作，输出数字信号；
所述时序控制模块分别与探测器驱动电路、A/D转换模块相连，用于提供时序脉冲信号；
所述接口模块用于与上位机通信，将所述近红外光谱信号上传。
进一步的，所述电子学系统还包括乒乓缓存阵列，乒乓缓存阵列一端连接所述时序控制模块，另一端连接上位机。
进一步的，所述探测器阵列为线阵探测器。
进一步的，还包括电源接口和时序/逻辑控制模块，电源接口与外部电源连接；时序/逻辑控制模块与光源、光学系统、光谱分光与探测器模块、电子学系统连接，用于提供所述近红外光谱分析系统所需的时序和逻辑控制信号。
本发明的有益效果：
1.本发明提出的一种基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统具有体积结构紧凑超小、超便携性、性价比高、可靠性好、环境适应性好等优点；
2.本发明采用渐变滤光片实现分光，该架构有效减少了系统组件数量，从而极大的缩小了光谱分析仪的封装尺寸，也使得本发明的近红外光谱分析系统在成本、尺寸和性能方面具有显著优势；
3.本发明采用渐变滤光片与探测器阵列集成设计，以确保渐变滤光片与探测器阵列为1:1 成像，保证通过渐变滤光片的光仍为平行光，可有效消除渐变滤光片的色散效应引起的光谱串扰及探测器阵列的光谱分辨率降低；
4.本发明提出集成化光谱分光模块架构，极大降低了光学装调难度；
5.本发明提出的光谱分析系统架构对振动和热效应不敏感，因此系统具备很高的稳定性及精度，典型宽波段光谱分辨率优于1nm；
6.本发明提出采用光纤光学波导实现渐变滤光片输出光与探测器阵列的耦合，该探测器的光学设计极大提高了探测器光学系统的耦合效率，可有效降低光学串扰，显著降低定标复杂度，极大提高了获取信号的信噪比。
附图说明
图1是本发明提出的基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统原理框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本发明的一种典型实施例是基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统，该系统凭借仪器高度集成化的设计，提供超便携式的测量能力，用于获取待测样品的近红外光谱数据，以满足待测样品近红外光谱参数测量、物质分析等应用。
本实施例中的该系统主要由光源、光学系统、样品组件、光谱分光与探测器模块、电子学系统、电源接口、时序/逻辑控制模块组成，，其尺寸不大于45*50*120mm，重量不超过400g，测量波段范围为1100nm～2150nm。本系统无任何运动部件，可直接由探测器读出近红外光谱信息。
分别将样品和参考样放置到样品组件中，经两次测量及后续处理，即可得到被测样品的近红外光谱信息。
本实施例给出的近红外光谱测量系统经USB接口与基于电脑等的上位机软件通信，完成近红外光谱分析系统的控制命令、获取的近红外光谱数据等的传输。获取近红外光谱等数据在上位机软件控制下，经USB接口上传至电脑等设备后，进行后续处理与分析。
本实施例中光源的主要作用是提供样品近红外光谱测量所需的近红外入射光，所选光源出射光的光谱范围应能覆盖0.7～2.5um，并且在这一波段内强度较高且较为平坦均匀。为实现本发明的超便携式近红外光谱分析仪器，光源应选择体积小、光谱质量好、低功耗、高度集成化的商用现货产品，例如双集成真空钨灯。
本实施例中光学系统主要由物镜、光阑、准直镜组成。它主要用于收集光源出射的近红外光，并将其调整为准直平行光经样品组件后，平行入射到光谱分光模块。光学系统的设计要求具有足够高的光源场景入射光会聚能力，并且能提供相当平行度的准直平行光输出；
本实施例中样品组件主要是指为满足盛放待分析样品的需要，主要由样品池、样品池插槽构成，可方便的进行待测样品更换。样品池包括液体池或气体池。其中液体池可用于满足溶液、浓稠液体等的测试需要。气体池通常采用密封设计，测量时，需要先行进行气体的封装。
本实施例中光谱分光与探测器模块主要由渐变滤光片、光学树脂、光纤光学波导、探测器阵列等组成。
①渐变滤光片与探测器阵列之间使用光纤光学波导耦合，以改善近红外光谱分光信号的传输质量，降低光谱间串扰。
②渐变滤光片、光纤光学波导、探测器阵列三者使用光学粘合剂，封装成一个整体模块。这可显著提高入射光耦合能力及消除光谱串扰，降低光学装调难度，可极大缩小封装尺寸。本发明所用光学粘合剂为光学树脂。
③本发明所用渐变滤光片可选用诸如Viavi Solutions等公司的商业产品，因为他们能提供高分辨率的近红外渐变滤光片，并且是标准化生产，可极大降低仪器成本。渐变滤光片可直接使用光学树脂与光纤光学波导粘合。渐变滤光片直接决定了本发明的近红外光谱分析系统的光谱分辨率和工作波段。本发明所用渐变滤光片尺寸为5mm宽*30mm长，滤波器长度方向的通道中心波长变化率为37nm/mm，波段为1100nm～2200nm。
④光纤光学波导是粘合很多根光纤形成的光纤束，可将图像等信息准直的从一端传输到另一端。目前已有很多高质量的商用产品，本发明所需的光纤光学波导可选用诸如Schott Fiber Optics、Roper Scientific、BURLE等公司的商用精密光纤光学波导产品，完全可满足性能指标要求。另外本发明所用光纤光学波导还可根据使用工作场合，选用抗辐射玻璃面板的光纤光学波导，以满足存在辐射等环境的使用要求。
⑤光学粘合剂主要用于渐变滤光片、光纤光学波导、探测器阵列间的粘合。他们之间粘合剂的合理厚度为5～25um。选择光学粘合剂时，应使其与渐变滤光片和光纤光学波导纤芯的折射系数匹配，良好的系数匹配有助于降低粘合处的反射。本发明所用光学粘合剂为Epoxy Technology的Epo-Tek 301-2(Epoxy Technology Datasheet 2012)光学树脂。该粘合剂在粘合厚度为25um时，在0.7～2.5um的光学传输率接近99％。
⑥探测器阵列选用E2V的电子增强型InGaAs线阵探测器，它是10um象元大小的1024 象元线阵，可提供较高的量子效率以及低探测噪声。
本实施例中电子学系统主要包括信号调理模块、探测器驱动电路、A/D转换模块、乒乓缓存阵列、时序控制模块、USB接口模块。电子学系统负责完成探测器驱动、数据获取与采样、数据缓存与传输、与上位机通信、近红外光谱分析系统工作控制。
①信号调理模块负责对线阵探测器输出模拟信号进行噪声抑制、增益调整等预处理，以改善获取信号质量，为数据采集提供最好的模拟信号。
②探测器驱动电路负责提供线阵探测器工作所需的时序、逻辑等控制命令，该模块基于 FPGA器件实现。
③A/D转换模块负责完成线阵探测器输出信号的模拟-数字转换工作，输出数字信号。
④引入乒乓缓存阵列设计，是考虑到对获取的近红外光谱数据采样率和采样数据传输到上位机的速率之间的异步操作，可改善数据传输质量，该模块基于FPGA和SRAM实现。
⑤时序控制模块负责为线阵探测器驱动电路、A/D转换、乒乓缓存阵列等提供必须的时序脉冲信号。
⑥USB接口模块负责与上位机通信、获取的近红外光谱数据上传等。
本实施例中电源接口负责与外部电源连接，为近红外光谱分析系统提供工作所需的电源。
本实施例中时序/逻辑控制模块主要负责提供近红外光谱分析系统处于工作状态所需的时序和逻辑控制信号，该模块基于FPGA器件实现。
综合上述对实施例的描述，最终设计完成的整机重量不大于400g；光谱范围为1100～2150nm；光谱分辨率优于1.5nm；整机尺寸不大于45*50*120mm。
本实施例具有体积结构紧凑超小、超便携性、性价比高、可靠性好、环境适应性好等优点；采用渐变滤光片实现分光，有效减少了系统组件数量，从而极大的缩小了光谱分析仪的封装尺寸。
另一方面，本实施例采用渐变滤光片与探测器阵列集成设计，以确保渐变滤光片与探测器阵列为1:1成像，保证通过渐变滤光片的光仍为平行光，可有效消除渐变滤光片的色散效应引起的光谱串扰及探测器阵列的光谱分辨率降低；同时极大降低了光学装调难度。
本实施例对振动和热效应不敏感，因此系统具备很高的稳定性及精度。
本实施例采用光纤光学波导实现渐变滤光片输出光与探测器阵列的耦合，极大提高了探测器光学系统的耦合效率，可有效降低光学串扰，显著降低定标复杂度。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于渐变滤光片的超便携式近红外光谱分析系统，其特征在于：包括光源、光学系统、样品组件、光谱分光与探测器模块、电子学系统；
所述光源发射近红外光束，光学系统收集所述近红外光束投射在样品组件上，然后辐射在光谱分光与探测器模块上；光谱分光与探测器模块包括渐变滤光片和探测器阵列，用于对入射光分光后将其转变为电信号发送至电子学系统，电子学系统用于对所述电信号进行获取、采样、缓存、传输、与上位机通信，同时对所述光谱分光与探测器模块进行驱动和控制；
所述光谱分光与探测器模块包括渐变滤光片和探测器阵列；渐变滤光片与探测器阵列之间采用光纤光学波导耦合，所述渐变滤光片、光纤光学波导、探测器阵列通过光学粘合剂封装为一体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光源出射的光谱范围覆盖0.7～2.5um，且在上述波段内各单色光谱对应的光强度被包括在设定均值和设定偏差的范围内。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光学系统包括物镜、光阑和准直镜；用于收集光源出射的近红外光，并将其调整为准直平行光经样品组件后，平行入射到光谱分光模块。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光学粘合剂采用光学树脂。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述渐变滤光片尺寸在5mm宽*30mm长以下。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电子学系统包括信号调理模块、探测器驱动电路、A/D转换模块、时序控制模块和接口模块；
所述信号调理模块对探测器阵列发送模拟信号进行噪声抑制和增益调整，用于改善所述电信号的质量；
所述探测器驱动电路用于提供探测器阵列处于工作状态时所选的时序和逻辑控制命令；
所述A/D转换模块用于对所述探测器阵列输出的信号进行模拟-数字转换工作，输出数字信号；
所述时序控制模块分别与探测器驱动电路、A/D转换模块相连，用于提供时序脉冲信号；
所述接口模块用于与上位机通信，将所述近红外光谱信号上传。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述电子学系统还包括乒乓缓存阵列，乒乓缓存阵列一端连接所述时序控制模块，另一端连接上位机。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述探测器阵列为线阵探测器。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括电源接口和时序/逻辑控制模块，电源接口与外部电源连接；光源、光学系统、光谱分光与探测器模块和电子学系统均连接时序/逻辑控制模块，用于提供所述近红外光谱分析系统所需的时序和逻辑控制信号。
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Patent Citations (7)
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| "基于线性渐变滤光片的成像光谱仪综述";李文杰 等;《红外》;20150331;第36卷(第3期);第1-7页 |
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