CN110954513A - 一种基于光谱调制法的光谱芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光谱调制法的光谱芯片，该芯片包括：光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组；光学聚集镜器件用于接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；光谱调制模组包括：光谱材料模块，探测器用于探测光谱调制模组，光谱解调模组包括光谱强度及位置采集模块和光谱信息解调模块，光谱显示控制模组包括光谱芯片系统控制模块、光谱数据显示模块、光谱数据存储模块；本发明的优点是：解决了传统光谱仪重量和体积大、测试操作不灵活、造价高等缺点，另外，光谱芯片的光谱探测范围可覆盖紫外、可见到近红外波段，检测范围广泛。

Description

一种基于光谱调制法的光谱芯片

技术领域

本发明属于光谱探测技术领域，具体涉及一种用于进行日用品、食品等违规添加剂的定性检测的基于光谱调制法的光谱芯片。

背景技术

传统的光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，也叫分光仪，由于这些分光元件结构复杂、体积较大、价格昂贵、受环境影响较大，目前芯片式光谱以多采用物理方法的法布里-珀罗干涉滤光器件，主要包括全介质滤光片和金属干涉滤光片。后者则是通过改变金属层中的介质厚度来调节滤光波长，且透射率较低。两种滤光设计均采用了多光束干涉滤光原理，当要实现多光谱滤光时，由于要针对某一特定波长则需要选取特定的膜层厚度或者膜层数量，因而需要在同一芯片上实现不同膜厚的滤光单元阵列的制备，其工艺实现难度很大。因此传统光谱仪仅在高校实验室以及相关科研院所使用，无法实现光谱仪市场化应用，即光谱的实时在线检测。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于光谱调制法的光谱芯片，用于解决传统光谱仪重量和体积大、测试操作不灵活、造价高等缺点，以克服上述现有技术的不足。

本发明提供的一种基于光谱调制法的光谱芯片，包括：光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组；

其中，所述光学聚集镜器件用于接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

其中，所述光谱调制模组包括：光谱材料模块，所述光谱材料模块用于调制光谱信息强度和对应像素位置信息以及接收待测物质发射光谱信号，将接收到的光谱信号进行区域化光谱调制，不同区域会得到不同的光谱调制信息，其中，所述光谱材料模块所使用的光谱调制材料根据调制材料的调制特性，通过不同光谱调制材料后，入射光谱信号会产生不同的光谱信息，上述光谱强度信息由探测器接收；

其中，所述探测器用于探测所述光谱调制模组中经光谱材料模块调制后光谱信息强度和对应像素位置信息；

其中，所述光谱解调模组包括光谱强度及位置采集模块和光谱信息解调模块，所述光谱强度及位置采集模块用于获取所述探测器探测到的光谱信息，所述光谱信息解调模块用于反演待测物光谱信息；

其中，所述光谱显示控制模组包括光谱芯片系统控制模块、光谱数据显示模块、光谱数据存储模块，所述光谱芯片系统控制模块用于控制整个系统开关及工作参数，所述光谱数据显示模块用于实时显示探测光谱曲线，所述光谱数据存储模块用于存储探测到的光谱信息原始数据；

其中，所述光谱分析模组利用光谱数据处理算法处理光谱显示及控制模组中采集到的光谱数据，所述光谱数据处理算法包括：

其中，i为标注光谱中光谱信息强度，n为总波段数，mij为光谱库中的对d(x)＝应像素位置信息，x为采集到的光谱数据,k为自变量数；

其中，所述分析结果显示模组，包括数据显示模块和数据结果存储模块，所述数据显示模块用于显示光谱分析模组的结果显示，所述数据结果存储模块用于显示光谱分析模组的信息存储。

作为优选，所述探测器选用QHYCCDD的一款QHY5-II型号，采用QHY5-II相机1/2英寸黑白版传感器。

本发明的另一个目的是提供一种利用基于光谱调制法的光谱芯片的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：开启光谱芯片的光谱显示及控制模块，所述光谱显示及控制模块的光谱芯片系统控制模块开始工作，所述光谱芯片系统控制模块控制光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组的工作参数；

步骤2：利用光谱显示及控制模块控制所述光谱显示及控制模块中的光谱芯片系统控制模块对所述驱动光学聚焦镜器件进行控制，使所述驱动光学聚焦镜器进入工作状态；

步骤3：在步骤2中的所述驱动光学聚焦镜器进入工作状态后，将待测物质放置到所述驱动光学聚焦镜器件上，所述光学聚集镜器件接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

步骤4：将步骤3中所述光学聚焦镜接收到的光谱信号传递至光谱调制模组，所述光谱调制模组控制所述光谱调制模组的光谱材料模块，所述光谱材料模块调制光谱信息强度和对应像素位置信息；其中，由于光谱调制材料的调制特性已知，通过不同光谱调制材料后，入射光谱信号会产生不同的光谱信息，上述光谱强度信息由所述探测器接收；

步骤5：利用探测器探测经过步骤4中所述光谱材料模块调制的光谱信号强度；

步骤6：利用探测器接收到的光谱信息传递给光谱解调模组，所述光谱解调模组的光谱强度及位置采集模块接收到光谱信息传递至所述光谱解调模组的光谱信息解调算法模块，所述光谱信息解调算法模块对光谱解调，得到对应入射光光谱信息，其中，由于光谱调制材料的调制特性已知，根据不同区域光谱调制材料光谱特性和探测器接收到的不同区域光谱调制后强度，计算反演出入射光谱信息；

步骤7：将步骤6解调后的待测光谱信息传递至光谱显示控制模，所述光谱显示控制模的光谱数据显示模块显示其波长和对应强度信息，所述光谱显示控制模的光谱数据存储模块存储对应光谱数据；

步骤8：光谱分析模组利用光谱数据处理算法对待测物质光谱进行分析，给出光谱分析结果，最终由分析结果显示模组的数据显示模块显示，并且由分析结果显示模组的数据结果存储模块存储数据。

本发明的优点及积极效果是：

1、本发明基于光谱调制法的光谱芯片，利用光谱调制元件，硅基探测器作为光子探测装置，最终所构成的系统可实现光谱的在线检测。由于光谱调制芯片厚度仅为微米量级，其大小可依照需求探测器调整，解决了传统光谱仪重量和体积大、测试操作不灵活、造价高等缺点。另外，光谱芯片的光谱探测范围可覆盖紫外、可见到近红外波段，检测范围广泛。

2、本发明具有能量利用率高、光谱范围广、体积小、具有较高光谱分辨率的同时具有空间分辨率，重量轻、结构简单、操作便捷、检测速度快，通过解调待测物质光谱信息获取了物质的化学组成成分，为人们选择日常生活用品以及食品安全等方面提供科学、有力的技术支持。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的基于光谱调制法的光谱芯片的示意框图。

图2为根据本发明实施例的基于光谱调制法的光谱芯片的流程图。

图3为根据本发明实施例2的基于光谱调制法的光谱芯片的光谱图。

图4为根据本发明实施例3的基于光谱调制法的光谱芯片的光谱图。

图5为根据本发明实施例4的基于光谱调制法的光谱芯片的光谱图。

其中的附图标记包括：待测物质发射光谱1、光学聚集镜器件2、光谱调制模组3、探测器4、光谱解调模组5、光谱显示模组6、光谱分析模组7、分析结果显示模组8。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

实施例1

图1-5示出了根据本发明实施例的整体结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的基于光谱调制法的光谱芯片，包括：待测物质发射光谱1、光学聚集镜器件2、光谱调制模组3、探测器4、光谱解调模组5、光谱显示模组6、光谱分析模组7、分析结果显示模组8；其中，光学聚集镜器件2、光谱调制模组3、探测器4、光谱解调模组5依次连接组成光谱探测硬件部分；光谱解调模组5、光谱显示控制模组6、光谱分析模组7和分析结果显示模组8组成光谱探测软件部分；光学聚集镜器件2和待测物质发射光谱1链接。

其中，所述光学聚集镜器件2用于接收经过外界光源激发向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

其中，所述光谱调制模组3包括：光谱材料模块，所述光谱材料模块用于调制光谱信息强度和对应像素位置信息以及接收待测物质发射光谱信号，将接收到的光谱信号进行区域化光谱调制，不同区域会得到不同的光谱调制信息，其中，所述光谱材料模块所使用的光谱调制材料根据调制材料的调制特性，通过不同光谱调制材料后，入射光谱信号会产生不同的光谱信息，上述光谱强度信息由探测器接收；

其中，所述探测器4用于探测所述光谱调制模组中经光谱材料模块调制后光谱信息强度和对应像素位置信息；

其中，所述光谱解调模组5包括光谱强度及位置采集模块和光谱信息解调模块，所述光谱强度及位置采集模块用于获取所述探测器探测到的光谱信息，所述光谱信息解调模块用于反演待测物光谱信息，其中，反演待测物光谱信息采用现有的光谱反演模型的效验方法的公式为

总均方根差为RMSE，y1和y2分别表示第i个剑魔样本因变量特征值的实测值和预测值，n为样本总数，k为自变量数；

其中，所述光谱显示控制模组6包括光谱芯片系统控制模块、光谱数据显示模块、光谱数据存储模块，所述光谱芯片系统控制模块用于控制整个系统开关及工作参数，所述光谱数据显示模块用于实时显示探测光谱曲线，所述光谱数据存储模块用于存储探测到的光谱信息原始数据；

其中，所述光谱分析模组7利用光谱数据处理算法处理光谱显示及控制模组中采集到的光谱数据，所述光谱数据处理算法包括：

其中，i为标注光谱中光谱信息强度，n为总波段数，mij为光谱库中的对应像素位置信息，x为采集到的光谱数据,k为自变量数；

其中，所述分析结果显示模组8，包括数据显示模块和数据结果存储模块，所述数据显示模块用于显示光谱分析模组的结果显示，所述数据结果存储模块用于显示光谱分析模组的信息存储。

其中，所述探测器选用QHYCCDD的一款QHY5-II型号，采用QHY5-II相机1/2英寸黑白版传感器。

实施例2

参阅图3，激发光源为溴钨灯，照度100Lux光源均匀度为70％以上，光源的辐射光波长从紫外、可见到近红外波段，当光源光斑大于待测物质，该光源发射光信号与待测物质1发生相互作用后反射，此时反射光谱获取了待测物质1的物化信息；

当待测物质1红色A4纸张的反射光经光谱芯片光谱调制模组3调制后，经探测器4探测，由光谱解调模组进行光谱解调，最终显示待测物质光谱信息，给出分析结果，获取待测物质光谱信息如图2所示；

实施例3

参阅图4，激发光源为溴钨灯，照度100Lux光源均匀度为70％以上，光源的辐射光波长从紫外、可见到近红外波段，当光源光斑大于待测物质，该光源发射光信号与待测物质1发生相互作用后反射，此时反射光谱获取了待测物质1的物化信息；

当待测物质2绿色A4纸张的反射光经光谱芯片光谱调制模组3调制后，经探测器4探测，由光谱解调模组进行光谱解调，最终显示待测物质光谱信息，给出分析结果，获取待测物质光谱信息如图3所示；

实施例4

参阅图5，激发光源为溴钨灯，照度100Lux光源均匀度为70％以上，光源的辐射光波长从紫外、可见到近红外波段，当光源光斑大于待测物质，该光源发射光信号与待测物质1发生相互作用后反射，此时反射光谱获取了待测物质1的物化信息；

当待测物质3青色A4纸张的反射光经光谱芯片光谱调制模组3调制后，经探测器4探测，由光谱解调模组进行光谱解调，最终显示待测物质光谱信息，给出分析结果，获取待测物质光谱信息如图4所示；

实施例5

如图2所示，结合硬件操作流程并说明本发明的光谱芯片对待测物质光谱检测的步骤如下：

步骤1：开启光谱芯片的光谱显示及控制模块，所述光谱显示及控制模块的光谱芯片系统控制模块开始工作，所述光谱芯片系统控制模块控制光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组的工作参数；

步骤2：利用光谱显示及控制模块控制所述光谱显示及控制模块中的光谱芯片系统控制模块对所述驱动光学聚焦镜器件进行控制，使所述驱动光学聚焦镜器进入工作状态；

步骤3：在步骤2中的所述驱动光学聚焦镜器进入工作状态后，将待测物质放置到所述驱动光学聚焦镜器件上，所述光学聚集镜器件接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

步骤4：将步骤3中所述光学聚焦镜接收到的光谱信号传递至光谱调制模组，所述光谱调制模组控制所述光谱调制模组的光谱材料模块，所述光谱材料模块调制光谱信息强度和对应像素位置信息；其中，由于光谱调制材料的调制特性已知，通过不同光谱调制材料后，入射光谱信号会产生不同的光谱信息，上述光谱强度信息由所述探测器接收；

步骤5：利用探测器探测经过步骤4中所述光谱材料模块调制的光谱信号强度；

步骤6：利用探测器接收到的光谱信息传递给光谱解调模组，所述光谱解调模组的光谱强度及位置采集模块接收到光谱信息传递至所述光谱解调模组的光谱信息解调算法模块，所述光谱信息解调算法模块对光谱解调，得到对应入射光光谱信息，其中，由于光谱调制材料的调制特性已知，根据不同区域光谱调制材料光谱特性和探测器接收到的不同区域光谱调制后强度，计算反演出入射光谱信息；

步骤7：将步骤6解调后的待测光谱信息传递至光谱显示控制模，所述光谱显示控制模的光谱数据显示模块显示其波长和对应强度信息，所述光谱显示控制模的光谱数据存储模块存储对应光谱数据；

步骤8：光谱分析模组利用光谱数据处理算法对待测物质光谱进行分析，给出光谱分析结果，最终由分析结果显示模组的数据显示模块显示，并且由分析结果显示模组的数据结果存储模块存储数据。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于光谱调制法的光谱芯片，其特征在于，包括：光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组；

其中，所述光学聚集镜器件用于接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

其中，所述光谱调制模组包括：光谱材料模块，所述光谱材料模块用于调制光谱信息强度和对应像素位置信息以及接收待测物质发射光谱信号，将接收到的光谱信号进行区域化光谱调制，不同区域会得到不同的光谱调制信息，其中，所述光谱材料模块所使用的光谱调制材料根据调制材料的调制特性，通过不同光谱调制材料后，入射光谱信号会产生不同的光谱信息，上述光谱强度信息由探测器接收；

其中，所述探测器用于探测所述光谱调制模组中经光谱材料模块调制后光谱信息强度和对应像素位置信息；

其中，所述光谱解调模组包括光谱强度及位置采集模块和光谱信息解调模块，所述光谱强度及位置采集模块用于获取所述探测器探测到的光谱信息，所述光谱信息解调模块用于反演待测物光谱信息；

其中，所述光谱显示控制模组包括光谱芯片系统控制模块、光谱数据显示模块、光谱数据存储模块，所述光谱芯片系统控制模块用于控制整个系统开关及工作参数，所述光谱数据显示模块用于实时显示探测光谱曲线，所述光谱数据存储模块用于存储探测到的光谱信息原始数据；

其中，所述光谱分析模组利用光谱数据处理算法处理光谱显示及控制模组中采集到的光谱数据，所述光谱数据处理算法包括：

其中，i为标注光谱中光谱信息强度，n为总波段数，mij为光谱库中的对应像素位置信息，x为采集到的光谱数据,k为自变量数；

其中，所述分析结果显示模组，包括数据显示模块和数据结果存储模块，所述数据显示模块用于显示光谱分析模组的结果显示，所述数据结果存储模块用于显示光谱分析模组的信息存储。

2.根据权利要求1所述的一种基于光谱调制法的光谱芯片，其特征在于，所述探测器选用QHYCCDD的一款QHY5-II型号，采用QHY5-II相机1/2英寸黑白版传感器。

3.一种利用基于光谱调制法的光谱芯片的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：开启光谱芯片的光谱显示及控制模块，所述光谱显示及控制模块的光谱芯片系统控制模块开始工作，所述光谱芯片系统控制模块控制光学聚集镜器件、光谱调制模组、探测器、光谱解调模组、光谱显示控制模组、光谱分析模组和分析结果显示模组的工作参数；

步骤2：利用光谱显示及控制模块控制所述光谱显示及控制模块中的光谱芯片系统控制模块对所述驱动光学聚焦镜器件进行控制，使所述驱动光学聚焦镜器进入工作状态；

步骤3：在步骤2中的所述驱动光学聚焦镜器进入工作状态后，将待测物质放置到所述驱动光学聚焦镜器件上，所述光学聚集镜器件接收经过外界光源激发或者自身向外辐射光信号的待测物质发射光谱的光谱信号；

步骤4：将步骤3中所述光学聚焦镜接收到的光谱信号传递至光谱调制模组，所述光谱调制模组控制所述光谱调制模组的光谱材料模块，所述光谱材料模块调制光谱信息强度和对应像素位置信息；其中，由于光谱调制材料的调制特性已知，通过不同光谱调制材料后，入射光谱信号会产生不同的光谱信息，上述光谱强度信息由所述探测器接收；

步骤5：利用探测器探测经过步骤4中所述光谱材料模块调制的光谱信号强度；

步骤6：利用探测器接收到的光谱信息传递给光谱解调模组，所述光谱解调模组的光谱强度及位置采集模块接收到光谱信息传递至所述光谱解调模组的光谱信息解调算法模块，所述光谱信息解调算法模块对光谱解调，得到对应入射光光谱信息，其中，由于光谱调制材料的调制特性已知，根据不同区域光谱调制材料光谱特性和探测器接收到的不同区域光谱调制后强度，计算反演出入射光谱信息；

步骤7：将步骤6解调后的待测光谱信息传递至光谱显示控制模，所述光谱显示控制模的光谱数据显示模块显示其波长和对应强度信息，所述光谱显示控制模的光谱数据存储模块存储对应光谱数据；

步骤8：光谱分析模组利用光谱数据处理算法对待测物质光谱进行分析，给出光谱分析结果，最终由分析结果显示模组的数据显示模块显示，并且由分析结果显示模组的数据结果存储模块存储数据。

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