CN208902595U - 一种主动照明的光谱探测仪 - Google Patents

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何志平
陈小文
徐睿
姬忠鹏
刘军
李春来
袁立银
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舒嵘
王建宇
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Abstract

本专利公开了一种主动照明的光谱探测仪。该专利基于声光可调滤光器或液晶可调滤光器等可电控分光器件的分光功能，利用主动照明光源将被测物照亮，被测物的散射光经过准直透镜组准直，再利用声光可调滤光器对准直光进行光谱滤光，从而探测散射光的光谱特性，利用散射光的光谱曲线与标准光谱定标板的光谱曲线进行比对，从而分析被测物的成份信息。该专利适用于光谱检测与分析等领域，该光谱探测仪结构简单，光谱探测定标方法简单、价格低廉。

Description

一种主动照明的光谱探测仪
技术领域
本专利涉及一种光谱分析仪器，特别指一种主动照明的光谱探测仪，该专利适用于光谱检测与分析领域，特别适用于食品、药品等成份检测等领域。
背景技术
光谱仪器从其出现以来就在实验室中扮演着至关重要的角色。各类光谱分析技术被应用在过程监控、化合物识别、化学结构测定等任务中。近年来，随着各地方政府对环境/污染监控政策的日趋严厉，使得监测仪器的需求不断增加，未来光谱仪器需求的放开也成了大势所趋。与传统的分析方法和手段相比，近红外光谱仪器可与计算机结合进行分析，不但能大大加快检测速度，而且可减少了人为分析的误差，也避免了化学分析法产生的污染对操作人员健康的损害。因此，近红外非常适合于各类指标同时检测、在线检测及商检，具有快速、无损、多指标同步检测的优点，应用前景广阔。
红外光谱仪的应用领域包括了如牛奶和粮食的食品产业、制药业、生物技术、细胞分析及塑料循环利用产业。与化学湿法和液相色谱技术相比，近红外光谱技术被认为是定量分析的理想工具，可用于过程控制，质量鉴定、探测原始材料和过程副产品、混合物的化学定量分析。红外光谱仪在其他如食品生产方面也有特殊应用，如测量啤酒中水和酒精含量，奶酪中油和水的含量及其他食品。其他应用包括了塑料处理、精细化学品、制药及农业以测量各式各样的参数。随着我国经济的迅速发展，人们的生活水平得到了很大的提高，对于食品的营养、保健及安全给予了越来越多的关注。近年来由于一系列食品原料的化学污染、畜牧业中抗生素的应用、基因工程技术的应用，使食品污染导致的食源性疾病呈上升趋势。我国三鹿奶粉事件或者说三聚氰胺食品安全事故，更是对整个食品行业甚至对中国食品和农产品加工业在世界范围的品质声誉构成了负面影响，对消费者所造成的生理和心理伤害则是无法弥补的。近红外光谱分析技术目前已经在肉类、食用油、奶制品、酒类、饮料等食品领域监察不法商贩制假掺假、预防食源性疾病、以及预防由于改变的原料、技术和工艺可能产生安全问题等方面得到大量的应用。近红外成分分析仪器主要类型有：酒精分析仪；乳品分析仪；肉品分析仪；聚合物分析仪；近红外分析仪。其应用类型包括：饮料，乳品，肉制品，聚合物，糖果，水果，化妆品，药品，化学品。
本专利利用声光可调谐滤光器的波长可选择性,从而实现对物质的光谱探测。声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)是一种窄带可调谐滤光器，它是根据声光作用原理制成的分光器件。通过改变施加在晶体上的射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描。目前该技术已广泛应用于非成像及成像光谱仪器。
发明内容
本专利的目的是提供了一种主动照明的光谱探测仪及其光谱探测方法，该专利基于声光可调滤光器等可电控分光器件的分光功能，利用主动照明光源将被测物照亮，被测物的散射光经过准直透镜组准直，再利用声光可调滤光器对准直光进行光谱滤光，从而探测散射光的光谱特性，利用散射光的光谱曲线与标准光谱定标板的光谱曲线进行比对，从而分析被测物的成份信息。
该专利的关键部件为声光可调滤光器，声光可调谐滤光器(Acousto-optictunable filter，AOTF)是一种窄带可调谐滤光器，它是根据声光作用原理制成的分光器件。通过改变施加在晶体上的射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描。目前该技术已广泛应用于非成像及成像光谱仪器。声光可调滤光器(AOTF)的分光原理：当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一定角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接投射过晶体，由此达到分光的目的。当晶体振动频率改变时，可透射单色光的波长也相应改变。
本专利为一种主动照明的光谱探测仪，它包括防尘遮光模块1、光谱分析模块2、数据采集与控制模块3；其基本特征在于：
防尘遮光模块1由仪器上盖101和仪器下盖102组成；仪器上盖101保护防止灰尘污染光路并方便待测样品的放置；仪器下盖102保护防止外界因素污染电路并同时固定封装电路；当仪器探测时直接通过仪器上盖101上预留的样品孔放置样品进行探测。
光谱分析模块2由主动会聚光源201、载物台202、待测物203、垂直反射镜204、准直透镜组205、起偏格兰棱镜206、声光可调滤光器207、检偏格兰棱镜208、会聚透镜组209、水平反射镜210、探测器211、光学底板212和支撑柱213组成；光谱探测仪工作时，将待测物203放置于载物台202上，开启主动会聚光源201，主动会聚光源201出射的光线经过垂直反射镜204向上会聚于载物台202上的待测物203上，主动会聚光源201的会聚光束经过待测物203后产生散射光，散射光经过垂直反射镜204进入准直透镜组205准直，准直光经过起偏格兰棱镜206后形成水平或竖直方向线偏光，该线偏光经过声光可调滤光器207后再经过检偏格兰棱镜208，检偏格兰棱镜208的方向与起偏格兰棱镜206的方向正交；当声光可调滤光器207未工作时，准直光无法通过检偏格兰棱镜208，当声光可调滤光器207在某一射频频率下工作时，某一波长的光会发生衍射，衍射光的偏振方向与检偏格兰棱镜208的方向一致，该衍射光经过检偏格兰棱镜208、会聚透镜组209后，再通过水平反射镜210将光线水平折返，被探测器211探测到，通过改变射频驱动信号的频率实现对不同波长的探测，从而完成散射光的光谱曲线探测；光学零件都固定在光学底板212上，载物台202通过支撑柱213固定在光学底板212上。
数据采集与控制模块3由电源及控制电路板3-1、射频功率放大器3-2、支撑结构3-3、散热风扇3-4组成，电源及控制电路板3-1由电源电路311、FPGA电路312、射频驱动信号发生电路313、光源调节控制电路314、信号处理电路315、探测器温控电路316、温度信息采集电路317和通信电路318组成；其中电源电路311将供电转化为二次电源，满足数据采集与控制模块3各单元的供电需求；由通信电路318接收指令通过FPGA电路312控制光谱采集系统工作；FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313产生所需频率的射频信号，通过射频功率放大器3-2放大，施加于声光可调滤光器207；FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313产生射频通道选择信号至射频功率放大器3-2选择射频信号输出通道，满足仪器光谱选择的需求；FPGA电路312控制光源调节控制电路314实现对光源强度的调节；FPGA电路312控制信号处理电路315处理并采集来自于探测器211的红外光谱信号，并通过通信电路318输出；FPGA电路312控制探测器温控电路316稳定探测器211的制冷温度；FPGA电路312控制温度信息采集电路317和温度信息收集电路319获取重要部件的实时温度。
一种主动照明的光谱探测仪及其光谱探测方法，其特征在于方法步骤如下：
1)设备上电自检
通过电源适配器给电源电路311供电，电源电路311给设备上电，散热风扇3-4工作，FPGA电路312控制温度信息采集电路317工作，获取设备关键模块的实时温度，并经由通信电路318传输至上位机。其他电路模块处于待机状态；
2)设备预热，工作前准备
2-1)光源调节控制电路314工作，开启宽光谱的主动会聚光源201并按需设定光源强度，该主动会聚光源201会聚于载物台202上，检查会聚点是否异常；
2-2)开启探测器211，探测器温控电路316工作，控制探测器211制冷至工作温度，由于此时无衍射光，同时检偏格兰棱镜208的方向与起偏格兰棱镜206的方向正交，无光信号进入探测器211，测试主动会聚光源201开启情况下探测器211的暗电平，并进行记录；
2-3)在声光可调滤光器207上加载射频信号，测试探测器211是否有响应，记录响应结果。
3)标准定标板定标
3-1)当待测物203为标准定标板时，放置于载物台202上；
3-2)FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313工作，产生所需频率的射频信号，经射频功率放大器3-2放大后加载至声光可调滤光器207，对被测物的不同波长散射光的光谱进行扫描，探测器211,探测经过声光可调滤光器207后的衍射光信号并传输至信号处理电路315，经由通信电路318传输至上位机；
3-3)通过定标的频率与光谱之间的关系，记录并保存散射光经声光可调滤光器207后的衍射光信号强度，该光谱曲线为基准光谱曲线。
4)被测物光谱采集
4-1)当待测物203为被检测物体时，放置于载物台202上；FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313工作，产生所需频率的射频信号，经射频功率放大器3-2放大后加载至声光可调滤光器207，对被测物的不同波长散射光的光谱进行扫描，通过探测器211探测经过声光可调滤光器207后的衍射光信号强度；
4-2)通过定标的频率与光谱之间的关系，记录并保存散射光经声光可调滤光器207后的衍射光信号强度，该光谱曲线为被测物的散射光谱曲线。
5)数据分析及处理
5-1)通过比对被测物及标准定标板的散射光谱曲线，计算出被测物对不同波长光源的散射率；
5-2)通过被测物波长散射率关系曲线，通过与标准模型进行比对判断被测物物质成份及含量。
该专利的特点主要体现在：
a)该光谱探测仪结构简单
b)该专利的光谱探测定标方法简单、价格低廉
附图说明
图1为实施例中仪器内部示意图。
图2为实施例中仪器整机结构。
图3为实施例中光谱分析模块2示意图。
图4为实施例中红外钨灯光源的光谱响应曲线。
图5为实施例中InGaAs光电二极管光谱响应曲线
图6为实施例中数据采集与控制模块3示意图。
具体实施方式
本专利为一种主动照明的光谱探测仪及其光谱探测方法，该光谱探测仪由防尘遮光模块1、光谱分析模块2、数据采集与控制模块3组成，以下结合附图对本专利方法的实施实例进行详细的描述。本专利中所采用的主要器件描述如下：
1)主动会聚光源201:本实施方案中主动会聚光源201采用Thorlabs公司稳定型红外钨光源，型号为SLS202L的光纤输出光源，并辅以会聚镜来组合使用，其光谱范围为450-5500nm；
2)载物台202:本实施方案中采用双面抛光的蓝宝石作为载物台，可以保证900-2500nm波长的光源可以通过蓝宝石窗口照亮被测物体，蓝宝石的双面抛光面面型精度要求为RMS值小于λ/10@632.8nm；
3)准直透镜组205、会聚透镜组209：本实施方案中采用的准直透镜组205与会聚透镜组209为自行设计的组件，其使用波长范围为900-2500nm，准直透镜组205对主动会聚光源201经过待测物203后的散射宽光谱进行准直，会聚透镜组209将平行衍射光会聚于探测器211的表面；
4)起偏格兰棱镜206、检偏格兰棱镜208：本实施方案中采用Thorlabs公司的GL15Glan-Laser Calcite Polarizers，消光比优于10000:1，光谱范围在350nm-2300n m之间，实现宽谱段测试；
5)声光可调滤光器207：本实施例中所用声光可调滤光器207选用中国电子科技集团第26研究所定制产品，其主要技术指标为：
a)工作波长：850nm-2400nm
b)光谱分辨率：2nm-12nm
c)一级偏转角：2.6°
d)分离角：>＝6.1°
e)衍射效率：>＝60％
f)尺寸：560mm*400mm*315mm
g)驱动功率：<＝2W
h)驱动频率范围：37MHz-112MHz
6)探测器211：本实施方案中选用Judson公司J23TE2-66C型InGaAs红外探测器件，主要技术指标为：其感光面积为φ1mm，光谱响应范围为0.9～1.7μm，暗电流最大值为1.0E-5A；探测率：8.4E11cmHz1/2W-1,2级TEC制冷。
本专利为一种主动照明的光谱探测仪及其光谱探测方法。该专利适用于光谱检测与分析领域，特别适用于食品、药品等成份检测等领域，该方法的具体步骤如下：
1)设备上电自检
开启电源电路311给设备上电，FPGA电路312控制温度信息采集电路317工作，获取设备关键模块的实时温度，并经由通信电路318传输至上位机。其他电路模块处于待机状态；
2)设备预热，工作前准备
2-1)光源调节控制电路314工作，开启宽光谱的主动会聚光源201—红外钨光源，并按需设定光源强度。，该主动会聚光源201将光斑会聚于载物台202上，检查会聚点是否异常；
2-2)开启探测器211，探测器温控电路316工作，控制探测器211制冷至工作温度，由于此时无衍射光，同时检偏格兰棱镜208的方向与起偏格兰棱镜206的方向正交，无光信号进入探测器211，测试主动会聚光源201开启情况下探测器211的暗电平，并进行记录；
2-3)在声光可调滤光器207上加载射频信号，测试探测器211是否有响应，记录响应结果。
3)标准定标板定标
3-1)当待测物203为标准定标板时，放置于载物台202上；
3-2)FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313工作，在声光可调滤光器207上加载不同射频信号，对被测物的不同波长散射光的光谱进行扫描，探测器211及前放电路探测经过声光可调滤光器207后的衍射光信号并传输至信号处理电路(放大、滤波、采集)315，经由通信电路318传输至上位机；
3-3)通过定标的频率与光谱之间的关系，记录并保存散射光经声光可调滤光器207后的衍射光信号强度，该光谱曲线为基准光谱曲线。
4)被测物光谱采集
4-1)当待测物203为被检测物体时，放置于载物台202上；
4-2)FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313工作，在声光可调滤光器207上加载不同射频信号，对被测物的不同波长散射光的光谱进行扫描，通过探测器211探测经过声光可调滤光器207后的衍射光信号强度；
4-3)通过定标的频率与光谱之间的关系，记录并保存散射光经声光可调滤光器207后的衍射光信号强度，该光谱曲线为被测物的散射光谱曲线。
5)数据分析及处理
5-1)通过比对被测物及标准定标板的散射光谱曲线，计算出被测物对不同波长光源的散射率；
5-2)通过被测物波长散射率关系曲线，通过与标准模型进行比对判断被测物物质成份及含量。

Claims (8)

1.一种主动照明的光谱探测仪，它包括防尘遮光模块(1)、光谱分析模块(2)、数据采集与控制模块(3)；其特征在于：
所述的防尘遮光模块(1)由仪器上盖(101)和仪器下盖(102)组成；仪器上盖(101)保护防止灰尘污染光路并方便待测样品的放置；仪器下盖(102)保护防止外界因素污染电路并同时固定封装电路；当仪器探测时直接通过仪器上盖(101)上预留的样品孔放置样品进行探测；
所述的光谱分析模块(2)由主动会聚光源(201)、载物台(202)、待测物(203)、垂直反射镜(204)、准直透镜组(205)、起偏格兰棱镜(206)、声光可调滤光器(207)、检偏格兰棱镜(208)、会聚透镜组(209)、水平反射镜(210)、探测器(211)、光学底板(212)和支撑柱(213)组成；
光谱探测仪工作时，将待测物(203)放置于载物台(202)上，开启主动会聚光源(201)，主动会聚光源(201)出射的光线经过垂直反射镜(204)向上会聚于载物台(202)上的待测物(203)上，主动会聚光源(201)的会聚光束经过待测物或标准板(203)后产生散射光，散射光经过垂直反射镜(204)进入准直透镜组(205)准直，准直后的光经过起偏格兰棱镜(206)后形成水平或竖直方向线偏光，该线偏光经过声光可调滤光器(207)后再经过检偏格兰棱镜(208)，检偏格兰棱镜(208)的方向与起偏格兰棱镜(206)的方向正交；当声光可调滤光器(207)未工作时，准直光无法通过检偏格兰棱镜(208)，当声光可调滤光器(207)在某一射频频率下工作时，某一波长的光会发生衍射，衍射光的偏振方向与检偏格兰棱镜(208)的方向一致，该衍射光经过检偏格兰棱镜(208)、会聚透镜组(209)后，再通过水平反射镜(210)将光线水平折返，被探测器(211)探测到，通过改变射频驱动信号的频率实现对不同波长的探测，从而完成散射光的光谱曲线探测；光学零件都固定在光学底板(212)上，载物台(202)通过支撑柱(213)固定在光学底板(212)上；
所述的数据采集与控制模块(3)由电源及控制电路板(3-1)、射频功率放大器(3-2)、支撑结构(3-3)、散热风扇(3-4)组成，电源及控制电路板(3-1)由电源电路(311)、FPGA电路(312)、射频驱动信号发生电路(313)、光源调节控制电路(314)、信号处理电路(315)、探测器温控电路(316)、温度信息采集电路(317)和通信电路(318)组成；其中电源电路(311)将供电转化为二次电源，满足数据采集与控制模块(3)各单元的供电需求；由通信电路(318)接收指令通过FPGA电路(312)控制光谱采集系统工作；FPGA电路(312)控制射频驱动信号发生电路(313)产生所需频率的射频信号，通过射频功率放大器(3-2)放大，施加于声光可调滤光器(207)；FPGA电路(312)控制射频驱动信号发生电路(313)产生射频通道选择信号至射频功率放大器(3-2)选择射频信号输出通道，满足仪器光谱选择的需求；FPGA电路(312)控制光源调节控制电路(314)实现对光源强度的调节；FPGA电路(312)控制信号处理电路(315)处理并采集来自于探测器(211)的红外光谱信号，并通过通信电路(318)输出；FPGA电路(312)控制探测器温控电路(316)稳定探测器(210)的制冷温度；FPGA电路(312)控制温度信息采集电路(317)和温度信息收集电路(319)获取重要部件的实时温度。
2.根据权利要求1所述的一种主动照明的光谱探测仪，其特征在于：所述的主动会聚光源(201)为宽光谱光源，其光谱曲线覆盖待测光谱的波长范围。
3.根据权利要求1所述的一种主动照明的光谱探测仪，其特征在于：所述的声光可调滤光器(207)的工作光谱覆盖待测光谱的范围。
4.根据权利要求1所述的一种主动照明的光谱探测仪，其特征在于：所述的探测器(211)的工作光谱覆盖待测光谱的范围。
5.根据权利要求1所述的一种主动照明的光谱探测仪，其特征在于：所述的载物台(202)为透射玻璃窗口，该透射玻璃窗口波长透射曲线需要覆盖待测光谱的波长范围，载物台(202)的平行度优于10″,通光面面形偏差RMS值优于λ/10@632.8nm。
6.根据权利要求1所述的一种主动照明的光谱探测仪，其特征在于：所述的待测物(203)为标准定标板时，系统处于定标模式，光谱探测模式采集的光谱曲线与定标模式的光谱曲线需要进行比对，比对结果反映被测物的光谱特性。
7.根据权利要求1所述的一种主动照明的光谱探测仪，其特征在于：所述的起偏格兰棱镜(206)的光谱响应范围覆盖待测光谱的波长范围，消光比优于1000:1。
8.根据权利要求1所述的一种主动照明的光谱探测仪，其特征在于：所述的检偏格兰棱镜(208)的光谱响应范围覆盖待测光谱的波长范围，消光比优于1000:1。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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