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

1、食品質(zhì)量問(wèn)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(guó)內(nèi)產(chǎn)生了極其惡劣的影響,引起了社會(huì)極大關(guān)注。食品質(zhì)量檢測(cè)問(wèn)題不僅是一個(gè)單純的技術(shù)問(wèn)題,還是一個(gè)重大的社會(huì)問(wèn)題,因此盡快探索適合我國(guó)國(guó)情的快速食品質(zhì)量檢測(cè)儀器,以填補(bǔ)食品質(zhì)量快速檢測(cè)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(guó)儀器工作者的社會(huì)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(shí)產(chǎn)權(quán)的MOEMS近紅外光譜探測(cè)方法及系統(tǒng)具有極大的應(yīng)用價(jià)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(cè)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(cè)新方法。針對(duì)該方法提出了光譜探測(cè)系統(tǒng)的基本理論體系,分別建立了空間域波長(zhǎng)分離與合成；時(shí)間域

3、光譜編碼與重構(gòu)的原理模型及設(shè)計(jì)理論。完成了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真；完成了信號(hào)控制,采集及處理的軟硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成了對(duì)典型食品的檢測(cè)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(zhǎng)分離與合成；光柵光調(diào)制器,單點(diǎn)近紅外探測(cè)器和信號(hào)控制、采集及處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間域光譜編碼與重構(gòu)的近紅外光譜探測(cè)新方法。
　　 2)利用標(biāo)量衍射理論分別針對(duì)

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(cè)系統(tǒng)建立了在空間域?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)分離與合成的基本理論。推導(dǎo)了光線斜入射時(shí),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(zhǎng)分離原理,得到了波長(zhǎng)分離與各結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系。分析了會(huì)聚成像系統(tǒng)的波長(zhǎng)合成原理,得到了采用會(huì)聚成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)探測(cè)器對(duì)各波長(zhǎng)零級(jí)反射光探測(cè)的條件。
　　 3)利用有限口徑嚴(yán)格耦合波理論對(duì)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(hào)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(dòng)電壓編碼三種在時(shí)間域的光譜編碼方式。分別針對(duì)這三種編碼方式,建立了光譜信號(hào)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(duì)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(jì)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了照明系統(tǒng)。利用Zemax軟件對(duì)基于平面光柵和光柵光調(diào)制器近紅外光譜探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì),得到了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。從系統(tǒng)微小型化角度出發(fā)

6、,采用平場(chǎng)凹面全息光柵替代平面光柵和光柵光調(diào)制器光譜探測(cè)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(duì)基于凹面光柵和光柵光調(diào)制器近紅外光譜探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì),得到了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。
　　 5)為了實(shí)現(xiàn)本光譜探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)控制、采集及處理,對(duì)探測(cè)器數(shù)據(jù)采集模塊,光柵光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)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(jì)；對(duì)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(jì)。
　　 6)利用光柵光調(diào)制器,凹面光柵,會(huì)聚成像透鏡,單點(diǎn)探測(cè)器等核心光電器件搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在1300～1398.64nm的近紅外波段進(jìn)行了光譜探測(cè),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(zhǎng)準(zhǔn)確性小于1nm,系統(tǒng)穩(wěn)定性?xún)?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(dòng)電壓的光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明相鄰16個(gè)像素共享相同驅(qū)動(dòng)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