一種近紅外光譜儀及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種近紅外光譜儀，包括光源、拋物面反射鏡、閃耀光柵、數(shù)字微鏡器件、線性探測器、單光子探測器、光譜信息處理系統(tǒng)；所述光源設(shè)置在拋物面反射鏡的焦點(diǎn)處，光源經(jīng)拋物面反射鏡準(zhǔn)直后投射到閃耀光柵上，經(jīng)閃耀光柵在一級閃耀角上分開成單色平行光投射到數(shù)字微鏡器件上；數(shù)字微鏡器件中的微鏡產(chǎn)生＋12°和－12°的偏轉(zhuǎn)，將單色平行光分別反射到線性探測器和單光子探測器上；光譜信息處理系統(tǒng)對該發(fā)明中兩個探測器接收的光譜信息進(jìn)行融合處理得到原始光譜信號的光譜強(qiáng)度。本發(fā)明還公開了一種近紅外光譜儀的測量方法。本發(fā)明將單光子探測器引入到近紅外光譜儀中，提高對微量物質(zhì)和微弱光譜的檢測能力、增加靈敏度和精度且結(jié)構(gòu)簡單。
【專利說明】一種近紅外光譜儀及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電分析領(lǐng)域，特別是一種近紅外光譜儀及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近紅外光(Near Infrared, NIR)是介于可見光(VIS)和中紅外(MIR)之間的電磁輻射波，美國材料檢測協(xié)會(ASTM)將近紅外光譜區(qū)定義為780~2526nm的區(qū)域，是人們在吸收光譜中發(fā)現(xiàn)的第一個非可見光區(qū)。近紅外光譜區(qū)與有機(jī)分子中含氫基團(tuán)(OH、NH、CH)振動的合頻和各級倍頻的吸收區(qū)一致，通過掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機(jī)分子含氫基團(tuán)的特征信息，而且利用近紅外光譜技術(shù)分析樣品具有方便、快速、高效、準(zhǔn)確和成本較低，不破壞樣品，不消耗化學(xué)試劑，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，近紅外光譜儀已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)業(yè)、石化產(chǎn)品、臨床診斷、環(huán)境檢測等領(lǐng)域。
[0003]近紅外光譜儀很多時候用于攜帶到現(xiàn)場進(jìn)行分析，因此需要體積小巧、方便攜帶的近紅外光譜儀，現(xiàn)有的便攜式近紅外光譜儀的種類有很多，根據(jù)光路結(jié)構(gòu)不同可分為--濾光片型、光柵型、傅里葉變換型、基于數(shù)字微鏡元件(DMD)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)型。
[0004]Zeltex公司的ZX-50系列手持式近紅外糧食分析儀是濾光片型的典型代表，該儀器采用12個LED作為光源，對應(yīng)12個波長的窄帶濾光片，波長范圍893~1045nm ;此類儀器的缺點(diǎn)是波長數(shù)目有限，準(zhǔn)確度和精度不高。
[0005]南京中地儀器的ZDJIPB-1近紅外光譜儀是光柵掃描型光譜儀的典型代表，分辨率優(yōu)于7nm，信噪比(RMS) 8000:1，但因有移動部件導(dǎo)致儀器的抗震性差，掃描速度相對較慢。
[0006]傅里葉變換型光譜儀的光通量大、分辨率高，中紅外波段的大型儀器較多，而近紅外波段的便攜式儀器則較少，原因是近紅外分析的現(xiàn)場應(yīng)用一般不要求很高的分辨率，而其一般都有可移動部件，抗震性差，很難做成便攜式儀器。
[0007]使用數(shù)字微鏡元件(DMD)進(jìn)行光譜選擇的儀器以低成本的數(shù)字微鏡元件(DMD)芯片和單點(diǎn)探測器代替光柵陣列型光譜儀中的線陣列探測器，成本大為降低，儀器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易。典型的代表有華夏科創(chuàng)的HT100型便攜式阿達(dá)瑪變換光譜儀，儀器選取100組微鏡進(jìn)行光譜選通，以不同的組合(阿達(dá)瑪模板)選通多列微鏡實現(xiàn)阿達(dá)瑪變換，信噪比較不使用變換大大提升。波長精度0.6nm，儀器經(jīng)過各種工業(yè)現(xiàn)場試驗，穩(wěn)定性較好，但是受單個探測器性能的限制，其對微弱光譜的探測能力有限。
[0008]如何克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足已成為現(xiàn)有光電分析領(lǐng)域亟待解決的重點(diǎn)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種近紅外光譜儀及測量方法，提供一種檢測微量元素的近紅外光譜儀，將單光子探測器引入到光譜儀中，與線性探測器融合的方法提高了對微量物質(zhì)和微弱光譜的檢測能力，提高了光譜儀掃描的速度和精度。[0010]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0011] 根據(jù)本發(fā)明提出的一種近紅外光譜儀，包括光源、拋物面反射鏡、閃耀光柵、數(shù)字微鏡器件、線性探測器、單光子探測器、光譜信息處理系統(tǒng)；所述光源設(shè)置在拋物面反射鏡的焦點(diǎn)處，光源經(jīng)拋物面反射鏡準(zhǔn)直后投射到閃耀光柵上，經(jīng)閃耀光柵在一級閃耀角上分開成單色平行光投射到數(shù)字微鏡器件上；數(shù)字微鏡器件中的微鏡產(chǎn)生+ 12°和一 12°的偏轉(zhuǎn)，將單色平行光分別反射到線性探測器和單光子探測器上；光譜信息處理系統(tǒng)對線性探測器和單光子探測器接收的光譜信息進(jìn)行融合、阿達(dá)瑪變換處理，得到原始光譜信號的光譜強(qiáng)度。
[0012]作為本發(fā)明的一種近紅外光譜儀的進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述數(shù)字微鏡器件中的微鏡進(jìn)行+12°偏轉(zhuǎn)將光反射到線性探測器上，數(shù)字微鏡器件中的微鏡進(jìn)行一 12°偏轉(zhuǎn)將光反射到單光子探測器上。
[0013]作為本發(fā)明的一種近紅外光譜儀的進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述數(shù)字微鏡器件中的微鏡進(jìn)行+12°偏轉(zhuǎn)將光反射到單光子探測器上，數(shù)字微鏡器件中的微鏡進(jìn)行一 12°偏轉(zhuǎn)將光反射到線性探測器上。
[0014]作為本發(fā)明的一種近紅外光譜儀的進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述線性探測器采用硫化鉛光電探測器。
[0015]作為本發(fā)明的一種近紅外光譜儀的進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述硫化鉛探測器采用德國EOS公司生產(chǎn)的PBS-050-E8硫化鉛線性探測器。
[0016]作為本發(fā)明的一種近紅外光譜儀的進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述單光子探測器采用單
光子雪崩二極管探測器。
[0017]作為本發(fā)明的一種近紅外光譜儀的進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述單光子探測器采用Princeton Lightwave公司的PGA-400單光子探測器。
[0018]根據(jù)本發(fā)明提出的一種近紅外光譜儀的測量方法，包括以下步驟:
[0019]步驟一、入射光被準(zhǔn)直后投射到閃耀光柵上，經(jīng)閃耀光柵后投射到數(shù)字微鏡器件上，數(shù)字微鏡器件中的微鏡可產(chǎn)生+ 12°和一 12°的偏轉(zhuǎn)，將入射光分別反射到線性探測器和單光子探測器上；
[0020]步驟二、將線性探測器測得的光功率？1 (t)和單光子探測器測得的光功率匕(t)進(jìn)行融合:選取線性探測器和單光子探測器測得的信噪比未惡化的光功率重疊區(qū)域作為融合區(qū)間，對該融合區(qū)間內(nèi)的Pi(t)和己(0逐點(diǎn)求差值為AP[t];計算出AP[t]的均方根為AP[t]rms ；^P2(t)減去Λ P [t]MS得到修正后的單光子探測器光功率Fusion [t]，使用修正后的單光子探測器光功率來替換線性探測器融合區(qū)間及其融合區(qū)間對應(yīng)的時間之后的光功率數(shù)據(jù)，最后得到整個融合后的探測光功率數(shù)據(jù)Ptl ;其中，t為時間；
[0021]步驟三、光譜信息處理系統(tǒng)對接收的光譜信息進(jìn)行阿達(dá)瑪變換處理，得到原始光譜信號的光譜強(qiáng)度。
[0022]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:本發(fā)明將單光子探測器引入到近紅外光譜儀中，利用單光子探測技術(shù)極大地提高了光譜儀對微量物質(zhì)和微弱光譜的檢測能力；在光譜選通中采用數(shù)字微鏡器件進(jìn)行光譜選通，取消了光譜儀的移動部件，結(jié)構(gòu)簡單；單光子探測器與線性探測器融合的方法提高了對微量物質(zhì)和微弱光譜的檢測能力，提高了光譜儀掃描的速度、靈敏度和精度。【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的近紅外光譜儀結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖2是波長為1550nm輸入光信號的線性探測器測得的光譜圖。
[0025]圖3是波長為1550nm輸入光信號的單光子探測器測得的光譜圖。
[0026]圖4是線性探測器與單光子探測器光譜數(shù)據(jù)融合示意圖。
[0027]圖5是本發(fā)明的近紅外光譜儀的程序流程圖。
[0028]附圖標(biāo)記:1_光源，2-拋物面反射鏡，3-閃耀光柵，4-數(shù)字微鏡器件，5-線性探測器，6-單光子探測器，7-光譜信息處理系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0030]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種近紅外光譜儀，包括光源1、拋物面反射鏡2、閃耀光柵3、數(shù)字微鏡器件4、線性探測器5、單光子探測器6、光譜信息處理系統(tǒng)7 ;所述光源I設(shè)置在拋物面反射鏡2的焦點(diǎn)處，光源I經(jīng)拋物面反射鏡準(zhǔn)2準(zhǔn)直后投射到閃耀光柵3上，經(jīng)閃耀光柵3在一級閃耀角上分開成單色平行光投射到數(shù)字微鏡器件4上；數(shù)字微鏡器件4中的微鏡產(chǎn)生+12°和一 12°的偏轉(zhuǎn)，將單色平行光分別反射到線性探測器5和單光子探測器6上；光譜信息處理系統(tǒng)7對線性探測器5和單光子探測器6接收的光譜信息進(jìn)行融合、阿達(dá)瑪變換處理，得到原始光譜信號的光譜強(qiáng)度。
[0031]數(shù)字微鏡器件4中的微鏡進(jìn)行+ 12°偏轉(zhuǎn)將光反射到線性探測器5上，數(shù)字微鏡器件4中的微鏡進(jìn)行一 12°偏轉(zhuǎn)將光反射到單光子探測器6上；或者數(shù)字微鏡器件4中的微鏡進(jìn)行+ 12°偏轉(zhuǎn)將光反射到單光子探測器6上，數(shù)字微鏡器件4中的微鏡進(jìn)行一 12°偏轉(zhuǎn)將光反射到線性探測器5上。線性探測器5采用硫化鉛光電探測器，該硫化鉛探測器采用德國EOS公司生產(chǎn)的PBS-050-E8硫化鉛線性探測器。單光子探測器6采用單光子雪崩二極管探測器。
[0032]光源I位于發(fā)出拋物面反射鏡2的焦點(diǎn)處，其發(fā)出的光可近似為點(diǎn)光源發(fā)光，當(dāng)光束入射到拋物面反射鏡2上后變成平行光束；平行光束的光譜經(jīng)閃耀光柵3后在一級閃耀角上分開成單色平行光，單色平行光在數(shù)字微鏡器件(DMD) 4上由微鏡反射，每個微鏡根據(jù)其自身的狀態(tài)(+12°或一 12° )決定將該微鏡處的光反射到線性探測器5或單光子探測器6。對數(shù)字微鏡器件(DMD) 4進(jìn)行阿達(dá)瑪模板的逐行選通，每行獲得一個探測器數(shù)據(jù)，從而得到一個列向量，后經(jīng)反阿達(dá)瑪變換得到每個微鏡處的光譜強(qiáng)度。
[0033]本發(fā)明中關(guān)鍵器件配置如下:閃耀光柵3選用300線對平面反射光柵，一級閃耀，閃耀波長1500nm,尺寸30mm*30mm ;數(shù)字微鏡器件4采用Texas Instruments的DLP Discovery4100開發(fā)套件，其核心是DLP7000DMD，1024x768的鋁鏡陣列，微鏡元尺寸13.68um, 土 12°微鏡傾斜角；線性探測器5采用德國EOS公司的PBS-050-E8硫化鉛線性探測器，該探測器的主要工作波長為1.0um?2.8um,相應(yīng)度106V/W，等效噪聲功率7xlO_12W/Hz172 ;單光子探測器6采用Princeton Lightwave公司的PGA-400單光子探測器,該單光子雪崩二極管是以InGaAs/InP APD為核心，波長范圍0.95-1.65um，最大輸入連續(xù)光功率lmW，工作在線性探測模式。[0034]如圖2所示是波長為1550nm輸入光信號的線性探測器5測得的光譜圖，輸入光是一個波長為1550nm且功率隨時間指數(shù)衰減的高動態(tài)范圍信號；圖3是波長為1550nm輸入光信號的單光子探測6器測得的光譜圖，圖4是線性探測器5與單光子探測器6光譜數(shù)據(jù)融合示意圖；圖中橫坐標(biāo)為時間，單位微秒，縱坐標(biāo)為光功率，單位dBm。從圖2中可以看出，在700微秒之后因輸入光功率變?nèi)?，信號淹沒在線性探測器5的基底噪聲中，無法判斷真實的輸入光功率，而因輸入光功率衰減到單光子探測器6工作的閾值功率Pspad= - 40dBm時，單光子探測器6開機(jī)工作得到圖3的單光子探測器數(shù)據(jù)曲線。兩組數(shù)據(jù)融合的過程如下:Pspad= - 40dBm對應(yīng)圖2中的橫坐標(biāo)約為650微秒，將650微秒到700微秒的區(qū)間定為數(shù)據(jù)融合區(qū)間；在融合區(qū)間內(nèi)對應(yīng)有一組線性探測器數(shù)據(jù)和一組單光子探測器數(shù)據(jù)，將融合區(qū)間內(nèi)每個時間點(diǎn)對應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)逐點(diǎn)求差值，然后再求得這些差值的均方根；將單光子探測器6的全部數(shù)據(jù)減去該均方根得到一組修正的單光子探測器數(shù)據(jù)；使用修正后的單光子探測器6的數(shù)據(jù)替換線性探測器5融合區(qū)域及其后的數(shù)據(jù)，最后得到整個融合后的探測數(shù)據(jù)，即圖4表示線性探測器5與單光子探測器6光譜數(shù)據(jù)融合示意圖。
[0035]選取10個時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)舉例說明數(shù)據(jù)融合的過程，P1⑴表示在t時刻線性探測器5的數(shù)據(jù)，單位dBm, P2 (t)表示t時刻單光子探測器6的數(shù)據(jù),單位dBm,選取t=650us、655us、660us、665us、670us、675us、680us、685us、690us、695us 對應(yīng)的 P1 (t)和 P2 (t)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。
[0036]P1 (t) = {-39.3230，-39.2158，-39.6464，-40.2474，-39.7707，-40.6027，-40.4476，-41.3034, -41.3903, -41.5558}
[0037]P2 (t) = {-33.9675，-34.3875，-34.5840，-34.9390，-35.3027，-35.4350，-35.6087，-35.9852，-36.3788，-36.7076}
[0038]Δ P [t] =P2 (t) — P1 (t)表示t時刻兩探測器的數(shù)據(jù)差值，得到:
[0039]Λ P[t] = {5.3555，4.8283，3.0624，5.3084，4.4680，5.1677，4.8389，5.3182，5.0il5，4.8482}
[0040]AP[t]的均方根可以計算為
[0041]
ADUl
【權(quán)利要求】
1.一種近紅外光譜儀，其特征在于:包括光源、拋物面反射鏡、閃耀光柵、數(shù)字微鏡器件、線性探測器、單光子探測器、光譜信息處理系統(tǒng)；所述光源設(shè)置在拋物面反射鏡的焦點(diǎn)處，光源經(jīng)拋物面反射鏡準(zhǔn)直后投射到閃耀光柵上，經(jīng)閃耀光柵在一級閃耀角上分開成單色平行光投射到數(shù)字微鏡器件上；數(shù)字微鏡器件中的微鏡產(chǎn)生+ 12°和一 12°的偏轉(zhuǎn)，將單色平行光分別反射到線性探測器和單光子探測器上；光譜信息處理系統(tǒng)對線性探測器和單光子探測器接收的光譜信息進(jìn)行融合、阿達(dá)瑪變換處理，得到原始光譜信號的光譜強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜儀，其特征在于:所述數(shù)字微鏡器件中的微鏡進(jìn)行+12°偏轉(zhuǎn)將光反射到線性探測器上，數(shù)字微鏡器件中的微鏡進(jìn)行一 12°偏轉(zhuǎn)將光反射到單光子探測器上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜儀，其特征在于:所述數(shù)字微鏡器件中的微鏡進(jìn)行+12°偏轉(zhuǎn)將光反射到單光子探測器上，數(shù)字微鏡器件中的微鏡進(jìn)行一 12°偏轉(zhuǎn)將光反射到線性探測器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種近紅外光譜儀，其特征在于:所述線性探測器采用硫化鉛光電探測器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種近紅外光譜儀，其特征在于:所述硫化鉛探測器采用德國EOS公司生產(chǎn)的PBS-050-E8硫化鉛線性探測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜儀，其特征在于:所述單光子探測器采用單光子雪崩二極管探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外光譜儀，其特征在于:所述單光子探測器采用Princeton Lightwave公司的PGA-400單光子探測器。
8.—種如權(quán)利要求1所述的近紅外光譜儀的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、入射光被準(zhǔn)直后投射到閃耀光柵上，經(jīng)閃耀光柵后投射到數(shù)字微鏡器件上，數(shù)字微鏡器件中的微鏡產(chǎn)生+ 12°和一 12°的偏轉(zhuǎn)，將入射光分別反射到線性探測器和單光子探測器上； 步驟二、將線性探測器測得的光功率P1U)和單光子探測器測得的光功率P2 (t)進(jìn)行融合:選取線性探測器和單光子探測器測得的信噪比未惡化的光功率重疊區(qū)域作為融合區(qū)間，對該融合區(qū)間內(nèi)的P1U)和己⑴逐點(diǎn)求差值為AP[t];計算出AP[t]的均方根為AP[t]rms ；^P2(t)減去Λ P [t]MS得到修正后的單光子探測器光功率Fusion [t]，使用修正后的單光子探測器光功率來替換線性探測器融合區(qū)間及其融合區(qū)間對應(yīng)的時間之后的光功率數(shù)據(jù)，最后得到整個融合后的探測光功率數(shù)據(jù)Ptl ;其中，t為時間； 步驟三、光譜信息處理系統(tǒng)對接收的光譜信息進(jìn)行阿達(dá)瑪變換處理，得到原始光譜信號的光譜強(qiáng)度。
【文檔編號】G01J3/28GK103940509SQ201410105844
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】張益昕, 張旭蘋, 楊歡, 王順, 王光輝 申請人:南京大學(xué)