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针对农业和食品行业应用的移动式光谱分析
供稿/ 德州仪器（TI）
光谱分析入门
光谱分析是一种测量技术,它通过测量材料与不同波长光的相互作用情况来检查材料的属性.有几种不同的交互作用可被测量,包括材料对光的吸收、反射和透射.
材料的特性可通过测量有多少光能被吸收以及哪些波长的能量被吸收进行分析.吸收的波长取决于材料成分——脂肪、蛋白质和不同类型的糖分子——而吸收的强度由材料的内部成分的浓度决定.根据由材料表面层反射光的强度和波长,也可以对材料进行定性分析,而反射光的强度和波长由成分和表面本身的属性决定.
在某些情况下,当被外部能量源照亮时,材料能够发射出一个或多个独特波长的光.这些可以包括荧光分子或物质,而这些分子或物质存在于多种植物和动物体内.
很多光谱分析应用中的一个常见特性就是需要快速获得分析结果.目前,大多数光谱分析仪器不是不太适合于现场环境,就是不适用于数据处理系统,诸如计算机和其它精密系统,对便携性具有一定的限制.
一个将高性能实验室系统的精度与功能性和便携性组合在一起的系统将极大地提高近红外（NIR）光谱分析作为强大、实时分析工具的效用.例如,我们可以想象一台具有实验室仪器的性能的、由电池供电的手持式光谱分析仪.届时,很多目前无法支持的应用都能够被实现.
传统光谱分析方法
大多数色散红外（IR）光谱测量在开始时都采用同样的测量方式.将被分析的光穿过一个小狭缝,它与控制仪器分辨率的光栅组合在一起.这个衍射光栅是一个专门设计用于以已知角度反射不同波长光的元件.这些波长的空间分离使得其它系统能够以波长为基础测量光强度.
光谱测量的传统架构的主要差别在于色散光的测量方式.两个最常见的传统方法为是：与色散光的物理扫面组合在一起的单个元件（或单点）探测器,以及将色散光成像于一个探测器阵列上.
在第一种方法中,来自光栅的色散光被聚焦在单个探测器上.为了分析多个波长上的功率,光栅（通常情况下如此）或者聚焦元件必须适当地旋转,以便将来自每个波长的光调节到探测器上.要执行扫描,与探测器相关的电子元器件必须与光栅的运动同步,这样的话,测得的功率就与正确的波长相一致.这就要求机械旋转系统非常精确,并因此在体积方面变得十分庞大,而这也限制了这个方法在实验室之外的实用性.此外,为了实现高波长分辨率,这个方法需要小区域探测器.较小的探测器区域能够减少总体光采集,并因此降低了灵敏度.
在第二种方法中,衍射光栅和聚焦目标的位置是固定的,并且色散光聚焦在一个探测器的线性阵列上.由于这些波长在空间上被光栅隔离开来,探测器阵列中的每个探测器采集小波长范围内的光,而作为离散波长函数的功率的获得方法与在数码相机上进行图像采集的方法相类似.这就免除了对于机械系统和精密同步电子元器件的需要.此外,这个方法利用与数码相机中所使用的算法相类似的图像处理算法,以最大限度地提高性能.然而,系统的波长分辨率取决于阵列中探测器元件的尺寸和间隔；在这个阵列中,更小、排列更加紧密的元件提供更高的分辨率.大多数近红外（NIR）波长敏感的阵列探测器需要高且稀缺的材料；这些材料在多元件阵列配置中的十分昂贵.因此,为了降低仪器成本,阵列的分辨率通常较低,或者根本就不可用.为了提高性能,针对较高波长所设计的探测器需要冷却至环境温度以下,从而增加了对系统成本、尺寸和功率的要求,而这也不利于在实验室以外使用这个方法.
一个强大的使用MEMS 技术的新方法
可以使用一个具有单点探测器的基于光学微机电系统（MEMS）阵列技术的全新方法来克服传统光谱分析方法的很多问题和限制.一个固态光学MEMS 阵列用一个简单、空间波长滤波器取代了基于单点探测器的系统内的传统电动光栅.这个方法在消除精细控制电动系统问题的同时,利用了单点探测器的性能优势.近些年,此类系统已经被生产出来；在这些系统中,将每个特定波长过滤到单点探测器中的MEMS 器件取代了扫描光栅.这个方法已经被证明,在实现更加小巧且耐用的光谱分析仪的同时,可以产生出高性能.
相对于线性阵列探测器架构来说,光学MEMS 阵列具有几个优势.首先,可以使用较大的单个元件探测器,这就增加了光采集,并且极大地降低了探测器的成本和复杂度,特别是对于红外系统更是如此.此外,由于不再使用阵列探测器,像素到像素噪声也被消除了.消除了这个像素到像素噪声是对信噪比（SNR）性能的大幅提升.SNR 性能的增加可以在更短的时间内获得更加精确的测量值.
图1 显示了一个使用MEMS 技术的光谱分析系统的一般工作原理.衍射光栅和聚焦元件的功能不变,不过来自聚焦元件的光被成像在MEMS 阵列上.为了选择一个针对此分析的波长,光谱响应的一个特定波段被激活,以便将光引向用于光采集和测量的单点探测器元件.
这一优势能够实现的前提是MEMS器件本身是可靠的,并且能够产生出可预计且在时间与温度范围内恒定的滤波器响应.
通过将一个数字微镜器件（DMD）用作一个空间光调制器,可以克服在光谱分析仪应用中采用MEMS 时遇到的数个难题.首先,通过使用一个铝制MEMS 微镜阵列,进入单点探测器的光被打开和关闭；而铝这一材质在大范围的波长范围内光学有效.第二,数字MEMS 的打开和关闭状态由机械停止和一个互补金属氧化物半导体（CMOS）静态随机存取存储器（SRAM）单元的锁存电路控制,从而提供固定电压微镜控制.这就确保了这个系统不需要机械扫描和模拟控制环路,从而简化了分光镜系统的校准.它还使得系统对于温度、老化或抖动等误差源具有很强的抑制能力.
DMD 的可编程属性具有很多优势；这些优势能够在根据一个可编程滤波器列的可寻址属性进行架构设计时实现.
由于DMD 的分辨率通常高于所需要的频谱,DMD 区域会填充不足,而频谱会被过度采样.这就使得波长选择完全可编程,并且可以在光引擎出现极度机械位移时的情况下,将额外的微镜用作重新校准列.
最后,DMD 是一个二维的可编程阵列,从而为用户提供了高度的灵活性.通过选择不同数量的列,可以调节分辨率和数据吞吐量.扫描时间能够动态变化,这样相对于那些不太关注的波长,对于感兴趣的波长可以进行时间更长、更加详细地检查,从而更好地使用仪器的处理时间和功能.此外,与固定滤波器器具相比,诸如哈达玛（Hadamard）图形应用等高级狭缝编码技术可实现高度灵活性,并且提高性能.这就在仪器或处理过程中极大地降低了分光镜功能的实现成本.
总之,一个基于DMD 的解决方案实现了一个比当前光谱分析系统具有更高分辨率、更大灵活性、更经久耐用、外形尺寸更小、成本更低的分光器件,从而使它们对于更加广泛的商业和工业应用具有极大吸引力.
性能
目前,基于线性阵列的光谱仪的性能主要受到两方面因素的限制.首先,提供探测器的波长选择受到像素开口大小的限制.常见铟镓砷（InGaAs）256 像素线性阵列的大小,比如说Hamamatsu G9203-256, 为50μm×500μm, 将决定采集到的光量,以及SNR 的范围.相反地,如图2 中所见,一个数字微镜阵列是一个完全可编程矩阵,其中的列数和扫描技术可以针对很多应用进行配置.这使得较大信号能够出现在一个通常与DMD 一同使用的1mm×2mm 单点探测器上.在更大程度上,将窄波段光过滤到通常为50 微米像素宽的线性阵列上,会出现串扰问题.像素到像素干扰会成为读数中噪声的主要原因.这些都可以由单探测器架构消除.此外,通过利用1kHz-4kHz 之间的数字微镜扫描技术所具有的优势,单点扫描能够达到与并行多点采样相类似的驻留时间.对于基于超小型、紧凑DLP MEMS 的光谱仪引擎来说,测试结果已经显示SNR 的范围大于10000:1.
使用最小的、高分辨率2D MEMS 阵列来实现超级移动光谱仪
为了尽可能地提高性能,用户需要考虑可被用来将光反射至探测器的总体MEMS 面积.然后将这个数值与可用单点探测器开口尺寸进行仔细匹配.
最近,一个具有超过400000 可用像素,采用5.4 微米微镜的全新DMD 针对700 纳米至2500 纳米之间的波长进行了优化.DLP2010NIR 采用一个被称为TRP 的全新像素架构.如图3 中所见,这个像素提供一个有效的+/- 17 度倾斜.这个全新的微镜架构已经提供了一个以评估模块方式实现的独特光学架构.使用+/- 17 度角度的光路径实现了小巧的高性能引擎,从而最大限度地减少了漫射光.
为了使用户能够评估这一全新架构,这一独特光引擎的插图被绘制出来（如图4 中所示）；这幅插图中也展现了将一个高效MEMS 用作一个针对光谱分析的高速2D 滤波器所具有的全部优势.它是一款紧凑、坚固耐用且具有高度自适应性的系统,它能够使光谱分析走出实验室,直接应用于现场测量.很明显,这个架构的功能性和便携性通过仔细设计得以实现.用同一个器件,通过互换测量头端来执行不同测量的功能可以实现相对于传统光谱仪的性能基准测试.
为了进一步探究在这样小的型封装内实现如此高性能的详细原因,对于光路径的简要概述会有所帮助.如图4 中所示,这个系统被设计用来优化整条光路径内的光信号的使用；这个优化从光的采集方式开始.
光通过输入开口上的一个狭缝进入系统.这个狭缝控制进入系统的光的物理尺寸.在控制仪器的波长分辨率方面,狭缝的宽度是重要的考量因素.较小的狭缝会增加分辨率,但是会减少可用于测量的光功率的数量.相对于传统方法,系统光效率的增加有助于抵消功率的减少,并因此增加实现同样测量分辨率的可用光数量.此外,借助于基于DMD 的系统,通过在每个波长上设定一个更长的探测器驻留时间,可以对功率减少进行进一步补偿.
可选模块可被安装在用于透射、反射、以及基于光纤采样的狭缝的前面.例如,透射模块包含一个光源和一个光析管固定器；这个固定器用于放置随模块一同提供的光析管.根据测量所需的波长范围可以选择光源.然后,来自狭缝的准直光通过一个带通滤波器.这个滤波器限制了进入系统的波长范围,从而减少了来自环境或背景光源的噪声,并且限制了目标测量所需要的波长范围.
德州仪器（TI）和Optecks 公司已经在工程和设计领域开展协作,开发出数款其它照明模块.OTM（Optecks 传输模块）包含一个光源、光析管固定器、高精度光析管和其它安装硬件,使得对于透射样本的吸收和散射属性的测量更加简单.NIR 透射测量已经被用于测量液体样本的属性,诸如果汁水含量,以及目标复合物是否存在,比如说气体签名.这些测量值能够提供与果汁原产地相关的大量信息.在固态样本方面,它能够测量塑料管的不透光度,而这个测量值是观察气体和液体传输线路内流量的重要参数.线路内的透射测量值也被用来测量黄油在生产期间内的水含量,实现对黄油生产过程的及时调整,从而节省了时间、最大限度地降低成本,并且提高最终产品的质量.
OHPRM（Optecks 高性能反射模块）还使用一个远心光学设计,以便将SNR 提高到比标准反射模块的SNR 高将近10 倍.基于反射的光谱分析已经被应用于奶酪成分分析、肉品质量分析,更是在近期被用于识别乳制品内的微生物,以及在大型医院、药品生产和制造行业,以及酿造厂内识别微生物.OHPRM 的高SNR 可实现更加快速和准确的微生物识别,在培养之后的仅仅2 至3 天里就能够产生准确结果,从而减少了采样与采取正确操作之间的时间.ONIRM（Optecks 分侵入式反射模块）使得样本无需接触光谱仪窗口的反射率测量变得更加简便.这就使得用户能够在距离模块几厘米远的地方灵活地执行扫描操作.这样的功能可以实现对销售中的塑料包装肉品的质量监控.诸如对皮肤进行漫反射测量来预测血糖的健康方面应用也可以在NIR 区域内进行特性化分析.
OFCM（Optecks 光纤耦合模块）通过光纤提供透射或反射测量.它可以在光谱仪与样本无法直接接触的情况下实现测量.此类采样包括对工业过程的监控、测量正在处理容器内进行管道输送的液体、测量鸡肉、牛肉和猪肉内的水分、脂肪和蛋白质含量.由于这个系统的功能可以提供增强型测量性能,这些模块极大地扩展了应用范围.
光谱分析迈出实验室
DLP?NIRscan ? Nano 评估模块（EVM）的能力和功能性实现了利用光谱分析的全新方法；在这方法中,实验室被带到了样本附近,而不再是将样本送到实验室进行分析.仪器的便携性,与其和多种器件进行远程对接的功能组合在一起,意味着可以在现场或者生产场所内进行重要测量,甚至是在收割或处理前进行,以确保质量和成分符合使用标准或必要条件.
将NIRscan Nano EVM 的功能与NIR 光谱分析的固有非侵入式属性组合在一起,实现了对动物活体进行分析和测量的可能性.例如,在剪羊毛前,能够确定山羊皮毛的纤维特性,这样的话就可以决定剪取的合适长度.这款仪器可以带到现场来分析食物的成熟度,以优化采摘操作,分析谷物和其它农作物来检测健康状况和虫害的可能性,分析土壤成分,这样的话,就可以采取及时有效的方法来进行正确的土壤管理和治理.
这个系统的大小和紧凑性还使其能够被轻松地集成到整个生产或处理设施的多种食品质量控制监视系统中.NIRscan Nano 光谱分析系统也因此成为一个多用途和强大工具；它将当前实验室系统的准确性与功能性和控制与使用的便携性与灵活性组合在一起,或者它本身的准确度和功能性已经超过了目前的实验室系统,以便在现场执行及时测量,这一组合有可能大大提高NIR 光谱分析在农业和食品行业应用领域内的效用.IM
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