基于光柵光調(diào)制器的近紅外光譜探測方法及系統(tǒng)探索.pdf

1、食品質(zhì)量問題頻現(xiàn),摻雜、摻假、劣質(zhì)食品極大地危害著人民群眾的身體健康,在國內(nèi)產(chǎn)生了極其惡劣的影響,引起了社會極大關(guān)注。食品質(zhì)量檢測問題不僅是一個單純的技術(shù)問題,還是一個重大的社會問題,因此盡快探索適合我國國情的快速食品質(zhì)量檢測儀器,以填補(bǔ)食品質(zhì)量快速檢測儀器匱乏這一近似空白,是當(dāng)前分析儀器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn),更是我國儀器工作者的社會責(zé)任。將微光機(jī)電系統(tǒng)(micro-opto-electro-mechanical system,MOEM

2、S)技術(shù)和近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合,從原理上突破,探索具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MOEMS近紅外光譜探測方法及系統(tǒng)具有極大的應(yīng)用價值,重要的科學(xué)意義和突出的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文抓住食品質(zhì)量檢測中有機(jī)物主成分分析這一關(guān)鍵,以近紅外光譜技術(shù)和微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的交叉為突破點(diǎn),在課題組前期光柵光調(diào)制器器件研究基礎(chǔ)上,提出了一種基于光柵光調(diào)制器的近紅外光譜探測新方法。針對該方法提出了光譜探測系統(tǒng)的基本理論體系,分別建立了空間域波長分離與合成；時間域

3、光譜編碼與重構(gòu)的原理模型及設(shè)計理論。完成了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與仿真；完成了信號控制,采集及處理的軟硬件設(shè)計。通過搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成了對典型食品的檢測實(shí)驗(yàn),初步驗(yàn)證了該方法的可靠性和理論的正確性。主要內(nèi)容包括:
　　 1)提出了一種利用衍射光柵,光柵光調(diào)制器和透鏡組實(shí)現(xiàn)空間域波長分離與合成；光柵光調(diào)制器,單點(diǎn)近紅外探測器和信號控制、采集及處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時間域光譜編碼與重構(gòu)的近紅外光譜探測新方法。
　　 2)利用標(biāo)量衍射理論分別針對

4、基于平面光柵和光柵光調(diào)制器以及基于凹面光柵和光柵光調(diào)制器的光譜探測系統(tǒng)建立了在空間域?qū)崿F(xiàn)波長分離與合成的基本理論。推導(dǎo)了光線斜入射時,光柵光調(diào)制器像素的衍射特性。分析了色散成像系統(tǒng)的波長分離原理,得到了波長分離與各結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系。分析了會聚成像系統(tǒng)的波長合成原理,得到了采用會聚成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)探測器對各波長零級反射光探測的條件。
　　 3)利用有限口徑嚴(yán)格耦合波理論對光柵光調(diào)制器像素的衍射效率進(jìn)行了矢量光學(xué)修正。利用信號分析與

5、處理理論,提出了單通道編碼,阿達(dá)瑪編碼和相鄰M像素共享相同驅(qū)動電壓編碼三種在時間域的光譜編碼方式。分別針對這三種編碼方式,建立了光譜信號編碼與重構(gòu)的原理模型,并利用信噪比增益這一參數(shù)對三種編碼方式下的光譜重構(gòu)精度進(jìn)行了分析比較。
　　 4)建立了照明系統(tǒng)光學(xué)模型,利用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件優(yōu)化設(shè)計了照明系統(tǒng)。利用Zemax軟件對基于平面光柵和光柵光調(diào)制器近紅外光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計,得到了優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。從系統(tǒng)微小型化角度出發(fā)

6、,采用平場凹面全息光柵替代平面光柵和光柵光調(diào)制器光譜探測系統(tǒng)中的準(zhǔn)直系統(tǒng),色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的功能,利用Zemax軟件對基于凹面光柵和光柵光調(diào)制器近紅外光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計,得到了優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。
　　 5)為了實(shí)現(xiàn)本光譜探測系統(tǒng)的信號控制、采集及處理,對探測器數(shù)據(jù)采集模塊,光柵光調(diào)制器驅(qū)動模塊,光源穩(wěn)定性控制模塊,單片機(jī)控制模塊進(jìn)行了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計；對人機(jī)界面模塊,光柵光調(diào)制器控制模塊,主控模塊,光譜分析軟件進(jìn)行了系統(tǒng)軟

7、件設(shè)計。
　　 6)利用光柵光調(diào)制器,凹面光柵,會聚成像透鏡,單點(diǎn)探測器等核心光電器件搭建了實(shí)驗(yàn)平臺,在1300～1398.64nm的近紅外波段進(jìn)行了光譜探測,實(shí)驗(yàn)證明了本系統(tǒng)在該波段具有小于10nm的分辨本領(lǐng),波長準(zhǔn)確性小于1nm,系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于0.5％。在M取不同值的情況下,進(jìn)行了基于相鄰M像素共享相同驅(qū)動電壓的光譜探測實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明相鄰16個像素共享相同驅(qū)動電壓可以在保證系統(tǒng)具有較好光譜重構(gòu)精度條件下,有效降低系統(tǒng)所需要的