基于光柵光調制器的近紅外光譜探測方法及系統(tǒng)探索.pdf

1、食品質量問題頻現,摻雜、摻假、劣質食品極大地危害著人民群眾的身體健康,在國內產生了極其惡劣的影響,引起了社會極大關注。食品質量檢測問題不僅是一個單純的技術問題,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量檢測儀器,以填補食品質量快速檢測儀器匱乏這一近似空白,是當前分析儀器領域的研究熱點和難點,更是我國儀器工作者的社會責任。將微光機電系統(tǒng)(micro-opto-electro-mechanical system,MOEM

2、S)技術和近紅外光譜技術相結合,從原理上突破,探索具有自主知識產權的MOEMS近紅外光譜探測方法及系統(tǒng)具有極大的應用價值,重要的科學意義和突出的現實意義。
　　 本文抓住食品質量檢測中有機物主成分分析這一關鍵,以近紅外光譜技術和微光機電系統(tǒng)技術的交叉為突破點,在課題組前期光柵光調制器器件研究基礎上,提出了一種基于光柵光調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、光譜編碼與重構的原理模型及設計理論。完成了光學系統(tǒng)的設計與仿真；完成了信號控制,采集及處理的軟硬件設計。通過搭建實驗系統(tǒng)完成了對典型食品的檢測實驗,初步驗證了該方法的可靠性和理論的正確性。主要內容包括:
　　 1)提出了一種利用衍射光柵,光柵光調制器和透鏡組實現空間域波長分離與合成；光柵光調制器,單點近紅外探測器和信號控制、采集及處理系統(tǒng)實現時間域光譜編碼與重構的近紅外光譜探測新方法。
　　 2)利用標量衍射理論分別針對

4、基于平面光柵和光柵光調制器以及基于凹面光柵和光柵光調制器的光譜探測系統(tǒng)建立了在空間域實現波長分離與合成的基本理論。推導了光線斜入射時,光柵光調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構參數間的關系。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)實現單點探測器對各波長零級反射光探測的條件。
　　 3)利用有限口徑嚴格耦合波理論對光柵光調制器像素的衍射效率進行了矢量光學修正。利用信號分析與

5、處理理論,提出了單通道編碼,阿達瑪編碼和相鄰M像素共享相同驅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的原理模型,并利用信噪比增益這一參數對三種編碼方式下的光譜重構精度進行了分析比較。
　　 4)建立了照明系統(tǒng)光學模型,利用Zemax光學設計軟件優(yōu)化設計了照明系統(tǒng)。利用Zemax軟件對基于平面光柵和光柵光調制器近紅外光譜探測系統(tǒng)進行了光學設計,得到了優(yōu)化設計結果。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制器光譜探測系統(tǒng)中的準直系統(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制器近紅外光譜探測系統(tǒng)進行了光學設計,得到了優(yōu)化設計結果。
　　 5)為了實現本光譜探測系統(tǒng)的信號控制、采集及處理,對探測器數據采集模塊,光柵光調制器驅動模塊,光源穩(wěn)定性控制模塊,單片機控制模塊進行了系統(tǒng)硬件電路設計；對人機界面模塊,光柵光調制器控制模塊,主控模塊,光譜分析軟件進行了系統(tǒng)軟

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