CN117074326A - 基于SiPM的物质检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，提供了一种基于SiPM的物质检测系统及方法，该基于SiPM的物质检测系统包括：光源模块、滤光片阵列、微阵列透镜、SiPM模组和控制设备；其中，光源模块，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；滤光片阵列，用于对待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到待检测物质的反射光线；微阵列透镜，用于对反射光线进行聚焦并对反射光线的路径进行调整；SiPM模组，用于采集经过微阵列透镜的反射光线，基于反射光线得到待检测物质的光谱图像信息，将光谱图像信息发送至控制设备；控制设备，用于基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息。能够解决弱光条件下物质检测准确性低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及物质检测技术领域，尤其涉及一种基于SiPM的物质检测系统及方法。
背景技术
在物质检测中，由于受周围环境光线的影响，常出现在弱光环境中由于弱光信号检测不准确导致的物质成分检测不准确的现象。
现有的弱光信号检测技术，常采用光电倍增真空管(Photomultiplier Tubes，PMT)技术。然而，PMT不仅结构较大且复杂，需要包含多个打拿极和电子倍增区域，在实际应用中，需要使用真空管和高压电子器件，对电源要求较高，并且对磁场敏感，容易受到外部磁场干扰、以及由于在制造过程中暴露于环境光而导致的光电阴极退化方面具有若干缺点。
因此，需要一种实施起来相对便宜、对于环境相对稳固和/或不受影响，并且与基于PMT的技术具有相当检测灵敏度的弱光检测技术来应用于物质检测中，以提高物质检测的准确性。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于SiPM的物质检测系统及方法，旨在解决弱光条件下物质检测准确性低的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种基于SiPM的物质检测系统，包括：光源模块、滤光片阵列、微阵列透镜、SiPM模组和控制设备；其中，光源模块，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；滤光片阵列，用于对待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到待检测物质的反射光线；微阵列透镜，用于对反射光线进行聚焦并对反射光线的路径进行调整；SiPM模组，用于采集经过微阵列透镜的反射光线，基于反射光线得到待检测物质的光谱图像信息，将光谱图像信息发送至控制设备；控制设备，用于基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息。
在一实施例中，SiPM模组包括：PCB板、SiPM、驱动电路和模数转换单元；其中，SiPM、驱动电路和模数转换单元集成在PCB板上；驱动电路，用于控制SiPM工作；SiPM，用于检测光信号，将光信号转换为电信号；模数转换单元，用于将电信号转换为数字信号，得到待检测物质的光谱图像信息。
在一实施例中，SiPM包括：并列配置的多个光电二极管组成的光电二极管阵列，每个光电二极管为一个光探测单元，对应一个通道数。
在一实施例中，光电二极管阵列的第一通道数分别与微阵列透镜的第二通道数，以及滤光片阵列的第三通道数一一对应。
在一实施例中，基于SiPM的物质检测系统还包括：一整体透镜；该整体透镜设置在光源模块和滤光片阵列之间，用于聚焦反射光线。
在一实施例中，控制设备包括终端设备或者服务器。
在一实施例中，光源模块，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束，包括：光源模块，响应于终端设备的指令，基于终端设备的指令向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束。
在一实施例中，控制设备，用于基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息，包括：终端设备，用于若基于光谱图像信息，判定终端数据库中存在光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据，则输出类别数据；若基于光谱图像信息，判定终端数据库中不存在光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据，则将光谱图像信息发送至服务器；服务器，用于基于光谱图像信息，判断云端数据库中是否存在光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据。
第二方面，本申请实施例提供一种基于SiPM的物质检测方法，应用于如上第一方面所述的基于SiPM的物质检测系统，该方法包括：光源模块向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；滤光片阵列对待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到待检测物质的反射光线；微阵列透镜对反射光线进行聚焦并对反射光线的路径进行调整；SiPM模组采集经过微阵列透镜的反射光线，基于反射光线得到待检测物质的光谱图像信息，将光谱图像信息发送至控制设备；控制设备基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息。
本申请实施例提供了基于SiPM的物质检测系统及方法，其中，基于SiPM的物质检测系统，包括：光源模块、滤光片阵列、微阵列透镜、SiPM模组和控制设备；其中，光源模块，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；滤光片阵列，用于对待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到待检测物质的反射光线；微阵列透镜，用于对反射光线进行聚焦并对反射光线的路径进行调整；SiPM模组，用于采集经过微阵列透镜的反射光线，基于反射光线得到待检测物质的光谱图像信息，将光谱图像信息发送至控制设备；控制设备，用于基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息。该基于SiPM的物质检测系统，通过加入SiPM模组能够解决弱光条件下物质检测准确性低的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的基于SiPM的物质检测系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的SiPM模组的结构示意图；
图3为本申请另一实施例提供的基于SiPM的物质检测系统的结构示意图；
图4为本申请实例提供的基于SiPM的物质检测方法的交互流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本申请实施例通过提供一种基于SiPM的物质检测系统及方法，用于解决现有技术中弱光条件下物质检测准确性低的技术问题。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的基于SiPM的物质检测系统的结构示意图。
由图1可知，本申请一实施例提供的基于SiPM的物质检测系统10包括：光源模块101、滤光片阵列102、微阵列透镜103、SiPM模组104和控制设备105；其中，光源模块101，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；滤光片阵列102，用于对待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到待检测物质的反射光线；微阵列透镜103，用于对反射光线进行聚焦并对反射光线的路径进行调整；SiPM模组104，用于采集经过微阵列透镜的反射光线，基于反射光线得到待检测物质的光谱图像信息，将光谱图像信息发送至控制设备105；控制设备105，用于基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息。
其中，SiPM为silicon photomultiplier的缩写，中文名称为硅光电倍增管。
在具体实施时，光源模块101，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束，包括：光源模块，响应于终端设备的指令，基于终端设备的指令向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束。
具体地，光源模块101可以是多波长LED光源模块，该多波长LED光源模块由多种波长的LED灯构成，为基于SiPM的物质检测系统10提供特定的光强强度以提高成像的质量，使得基于SiPM的物质检测系统10能够在各种检测场景下获得更高质量的图像，并显著提高基于SiPM的物质检测系统10的准确性和可靠性。
需要说明的是，若预先确定了待检测物质的信息，则控制设备可以根据待检测物质的信息控制多波长LED光源模块点亮对应适配的LED灯，以提供检测待检测物质的信息所需波长范围内的光线。若预先不确定待检测物质的信息，则控制设备需要控制多波长LED光源模块逐个点亮各LED灯，以提供检测待检测物质所需波长范围内的光线。若已知待检测物质的信息为茶叶，则根据提供的待检查物质的信息茶叶，可控制开启检测物质所吸收的LED灯的波长包括275nm、310nm、365nm、400nm以及450nm，以完成茶叶的组成成分、产地及生产日期等信息的检测。
滤光片阵列102，可以选择特定波长范围的光通过，同时阻挡其他波长的光线，实现对光信号的选择性增强或减弱，有效地滤除干扰信号，使得基于SiPM的物质检测系统只接收到特定波长范围内的光信号。滤光片阵列102的作用是对光线进行波长选择，因此在基于SiPM的物质检测系统中，可以根据待检测物质所需的检测波长范围，选择对应波长范围内的滤光片组成的滤光片阵列。使得基于SiPM的物质检测系统能够针对特定波长的光信号进行优化，同时阻隔其它波长范围内的光线，从而有效地消除背景干扰和不相关的光信号。
通过滤光片阵列的应用，基于SiPM的物质检测系统可以提高信号与噪声比，增强所需波长范围内的光信号，从而提高基于SiPM的物质检测系统的灵敏度和精度。这种选择性滤波的优势使得基于SiPM的物质检测系统能够更准确地捕获并分析特定波长范围内的光信号，从而提高整体的检测性能和可靠性。
微阵列透镜103，用于优化滤光片阵列102穿过的光线，使得光线能够更好地聚焦到SiPM模组上。微阵列透镜103针对SiPM模组中Sipm的每一个通道进行光学调整，能够调整光线的路径并聚焦光线，从而有效地增强光信号的强度和清晰度。通过微阵列透镜103进行光学聚焦，使得光点更加集中，有助于更精确地确定光源的位置，从而显著提高测量或成像的空间分辨率。
SiPM是一种用于光信号检测的半导体光探测器，它是由许多微小的光电二极管组成的阵列。每个光电二极管都能够探测到单个光子，并将其转化为电信号。当光子击中SiPM的感光面时，会产生电荷，并在其内部形成微弱的电流脉冲。为了有效处理这个微弱的脉冲信号并提高信噪比，通常需要进行放大。在本申请实施例中，通过在定制的PCB版上集成SiPM、驱动电路和模数转换单元，能够将SiPM输出的模拟信号转换为数字信号，即得到待检测物质的光谱图像信息。这些光谱图像信息对应包括波长信号、波长强度以及LED波长，有助于进一步处理和分析光信号。
示例性地，如图2所示，图2为本申请实施例提供的SiPM模组的结构示意图。由图2可知，本申请实施例提供的SiPM104包括：PCB板1041、SiPM1042、驱动电路1043和模数转换单元1044；其中，SiPM1042、驱动电路1043和模数转换单元1044集成在PCB板1041上；驱动电路1043，用于控制SiPM1042工作；SiPM1042，用于检测光信号，将光信号转换为电信号；模数转换单元1044，用于将电信号转换为数字信号，得到待检测物质的光谱图像信息。在实际应用中，驱动电路1043通过IO口控制SiPM1042的各通道的开光状态，实现基于SiPM的物质检测系统对SiPM通道的灵活控制。
具体地，SiPM1042包括：并列配置的多个光电二极管组成的光电二极管阵列，每个光电二极管为一个光探测单元，对应一个通道数。需要说明的是，光电二极管阵列的第一通道数分别与微阵列透镜的第二通道数，以及滤光片阵列的第三通道数一一对应。例如，如果SiPM通道数为3×3，则滤光片阵列和微阵列透镜的通道数也应为3×3。这样的设计保证了每个SiPM通道都能够获得对应的滤光和光学聚焦效果。
控制设备105包括终端设备或者服务器。终设备包括但不限于终端、手持设备、可穿戴智能设备、机器人或者个人计算机等。服务器包括本地服务器或者云端服务器等
示例性地，控制设备，用于基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息，包括：终端设备，用于若基于光谱图像信息，判定终端数据库中存在光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据，则输出类别数据；若基于光谱图像信息，判定终端数据库中不存在光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据，则将光谱图像信息发送至服务器；服务器，用于基于光谱图像信息，判断云端数据库中是否存在光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据。
需要说明的是，终端数据库和云端数据库中均关联存储有光谱图像信息和物质信息，终端数据库中存储的光谱图像信息与物质信息的关联信息少于云端数据库中存储的光谱图像信息与物质信息的关联信息。
终端设备获取到待检测物质的光谱图像信息后，若判定终端数据库中已关联存储有该待检测物质的光谱图像信息和物质信息，则优先在终端设备中完成处理。否则，终端设备需将待检测物质的光谱图像信息发送至服务器，服务器通过比对云端数据库中关联存储的光谱图像信息和物质信息来得到检测结果信息。此外，若用户对终端设备的检测结果不满意，可以自行选择由服务器完成物质的检测，以获取更加精确的检测结果。例如，终端设备得到茶叶的检测结果为“普洱茶，2000年”，而通过服务器得到更为详细的检测结果为“普洱茶，2000年10月，云南昆明”等。
通过上述分析可知，本申请实施例提供的基于SiPM的物质检测系统，包括：光源模块、滤光片阵列、微阵列透镜、SiPM模组和控制设备；其中，光源模块，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；滤光片阵列，用于对待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到待检测物质的反射光线；微阵列透镜，用于对反射光线进行聚焦并对反射光线的路径进行调整；SiPM模组，用于采集经过微阵列透镜的反射光线，基于反射光线得到待检测物质的光谱图像信息，将光谱图像信息发送至控制设备；控制设备，用于基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息。该基于SiPM的物质检测系统，通过加入SiPM模组能够解决弱光条件下物质检测准确性低的技术问题。
此外，本申请实施例提供的基于SiPM的物质检测系统，除了包括SiPM、微阵列透镜和滤光片外，还可以通过添加一块整体的透镜，进一步优化光线的传输和聚焦效果，将光线聚焦在SiPM上，从而进一步增强光信号的强度，使得SiPM能够更加敏感地检测光信号。
请参阅图3所示，图3为本申请另一实施例提供的基于SiPM的物质检测系统的结构示意图。
由图3可知，本实施例提供的基于SiPM的物质检测系统10与图2所示的基于SiPM的物质检测系统10相比，还包括：一整体透镜106；该整体透镜106设置在光源模块101和滤光片阵列102之间，用于聚焦反射光线。能够将光线聚焦在SiPM上，从而进一步增强光信号的强度，使得SiPM能够更加敏感地检测光信号。
请参阅图4所示，图4为本申请实例提供的基于SiPM的物质检测方法的交互流程示意图。如图4所示，该基于SiPM的物质检测方法的交互流程包括如下步骤S401至步骤S404。详述如下：
S401：光源模块向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束。
S402：滤光片阵列对待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到待检测物质的反射光线。
S403：微阵列透镜对反射光线进行聚焦并对反射光线的路径进行调整。
S404：SiPM模组采集经过微阵列透镜的反射光线，基于反射光线得到待检测物质的光谱图像信息，将光谱图像信息发送至控制设备。
S405：控制设备基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息。
需要说明的是，上述各步骤的具体实现过程，可具体参见图1至图3实施例各对应部分的实现过程，在此不再赘述。
本申请实施例提供的基于SiPM的物质检测方法，首先通过光源模块向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；然后通过滤光片阵列对待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到待检测物质的反射光线；再通过微阵列透镜对反射光线进行聚焦并对反射光线的路径进行调整，以及SiPM模组采集经过微阵列透镜的反射光线，基于反射光线得到待检测物质的光谱图像信息，将光谱图像信息发送至控制设备；最后控制设备基于光谱图像信息得到待检测物质的检测结果信息。能够有效保证弱光下物质检测的灵敏度，提高在弱光条件下物质检测的准确性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于SiPM的物质检测系统，其特征在于，包括：光源模块、滤光片阵列、微阵列透镜、SiPM模组和控制设备；
所述光源模块，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；
所述滤光片阵列，用于对所述待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到所述待检测物质的反射光线；
所述微阵列透镜，用于对所述反射光线进行聚焦并对所述反射光线的路径进行调整；
所述SiPM模组，用于采集经过所述微阵列透镜的所述反射光线，基于所述反射光线得到所述待检测物质的光谱图像信息，将所述光谱图像信息发送至所述控制设备；
所述控制设备，用于基于所述光谱图像信息得到所述待检测物质的检测结果信息。
2.根据权利要求1所述的基于SiPM的物质检测系统，其特征在于，所述SiPM模组包括：PCB板、SiPM、驱动电路和模数转换单元；
所述SiPM、所述驱动电路和所述模数转换单元集成在所述PCB板上；
所述驱动电路，用于控制所述SiPM工作；
所述SiPM，用于检测光信号，将所述光信号转换为电信号；
所述模数转换单元，用于将所述电信号转换为数字信号，得到所述待检测物质的光谱图像信息。
3.根据权利要求2所述的基于SiPM的物质检测系统，其特征在于，所述SiPM包括：并列配置的多个光电二极管组成的光电二极管阵列，每个所述光电二极管为一个光探测单元，对应一个通道数。
4.根据权利要求3所述的基于SiPM的物质检测系统，其特征在于，所述光电二极管阵列的第一通道数分别与所述微阵列透镜的第二通道数，以及所述滤光片阵列的第三通道数一一对应。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于SiPM的物质检测系统，其特征在于，所述系统还包括：一整体透镜；
所述整体透镜设置在所述光源模块和所述滤光片阵列之间，用于聚焦所述反射光线。
6.根据权利要求5所述的基于SiPM的物质检测系统，其特征在于，所述控制设备包括终端设备或者服务器。
7.根据权利要求6所述的基于SiPM的物质检测系统，其特征在于，所述光源模块，用于向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束，包括：
所述光源模块，响应于所述终端设备的指令，基于所述终端设备的指令向所述待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束。
8.根据权利要求6所述的基于SiPM的物质检测系统，其特征在于，所述控制设备，用于基于所述光谱图像信息得到所述待检测物质的检测结果信息，包括：
所述终端设备，用于若基于所述光谱图像信息，判定终端数据库中存在所述光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据，则输出所述类别数据；
若基于所述光谱图像信息，判定所述终端数据库中不存在所述光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据，则将所述光谱图像信息发送至所述服务器；
所述服务器，用于基于所述光谱图像信息，判断云端数据库中是否存在所述光谱图像信息对应的待检测物质的类别数据。
9.一种基于SiPM的物质检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8任一项所述的基于SiPM的物质检测系统，所述方法包括：
光源模块向待检测物质发射至少一个预设波长的第一光束；
滤光片阵列对所述待检测物质反射回的第二光束进行选择性透射，得到所述待检测物质的反射光线；
微阵列透镜对所述反射光线进行聚焦并对所述反射光线的路径进行调整；
SiPM模组采集经过所述微阵列透镜的所述反射光线，基于所述反射光线得到所述待检测物质的光谱图像信息，将所述光谱图像信息发送至控制设备；
所述控制设备基于所述光谱图像信息得到所述待检测物质的检测结果信息。
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| CN202311095113.XA Pending CN117074326A (zh) | 2023-08-27 | 2023-08-27 | 基于SiPM的物质检测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117074326A (zh) |
-
2023
- 2023-08-27 CN CN202311095113.XA patent/CN117074326A/zh active Pending
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