光譜分析入門(mén)

光譜分析是一種測量技術(shù)；它通過(guò)測量材料與不同波長(cháng)光的相互作用情況來(lái)檢查材料的屬性。有幾種不同的交互作用可被測量，包括材料對光的吸收、反射和透射。

材 料的特性可通過(guò)測量有多少光能被吸收以及哪些波長(cháng)的能量被吸收進(jìn)行分析。吸收的波長(cháng)取決于材料成分——脂肪、蛋白質(zhì)和不同類(lèi)型的糖分子——而吸收的強度由 材料的內部成分的濃度決定。根據由材料表面層反射光的強度和波長(cháng)，也可以對材料進(jìn)行定性分析，而反射光的強度和波長(cháng)由成分和表面本身的屬性決定。

在某些情況下，當被外部能量源照亮時(shí)，材料能夠發(fā)射出一個(gè)或多個(gè)獨特波長(cháng)的光。這些可以包括熒光分子或物質(zhì)，而這些分子或物質(zhì)存在于多種植物和動(dòng)物體內。

很多光譜分析應用中的一個(gè)常見(jiàn)特性就是需要快速獲得分析結果。目前，大多數光譜分析儀器不是不太適合于現場(chǎng)環(huán)境，就是不適用于數據處理系統，諸如計算機和其它精密系統，對便攜性具有一定的限制。

一個(gè)將高性能實(shí)驗室系統的精度與功能性和便攜性組合在一起的系統將極大地提高近紅外 （NIR） 光譜分析作為強大、實(shí)時(shí)分析工具的效用。例如，我們可以想象一臺具有實(shí)驗室儀器的性能的、由電池供電的手持式光譜分析儀。屆時(shí)，很多目前無(wú)法支持的應用都能夠被實(shí)現。

傳統光譜分析方法

大多數色散紅外（IR）光譜測量在開(kāi)始時(shí)都采用同樣的測量方式。將被分析的光穿過(guò)一個(gè)小狹縫，它與控制儀器分辨率的光柵組合在一起。這個(gè)衍射光柵是一個(gè)專(zhuān)門(mén)設計用于以已知角度反射不同波長(cháng)光的元件。這些波長(cháng)的空間分離使得其它系統能夠以波長(cháng)為基礎測量光強度。

光譜測量的傳統架構的主要差別在于色散光的測量方式。兩個(gè)最常見(jiàn)的傳統方法為1. 與色散光的物理掃面組合在一起的單個(gè)元件（或單點(diǎn)）探測器，以及2. 將色散光成像于一個(gè)探測器陣列上。

在 第一種方法中，來(lái)自光柵的色散光被聚焦在單個(gè)探測器上。為了分析多個(gè)波長(cháng)上的功率，光柵（通常情況下如此）或者聚焦元件必須適當地旋轉，以便將來(lái)自每個(gè)波 長(cháng)的光調節到探測器上。要執行掃描，與探測器相關(guān)的電子元器件必須與光柵的運動(dòng)同步，這樣的話(huà)，測得的功率就與正確的波長(cháng)相一致。這就要求機械旋轉系統非 常精確，并因此在體積方面變得十分龐大，而這也限制了這個(gè)方法在實(shí)驗室之外的實(shí)用性。此外，為了實(shí)現高波長(cháng)分辨率，這個(gè)方法需要小區域探測器。較小的探測 器區域能夠減少總體光采集，并因此降低了靈敏度。

在第二種方法中，衍射光柵和聚焦目 標的位置是固定的，并且色散光聚焦在一個(gè)探測器的線(xiàn)性陣列上。由于這些波長(cháng)在空間上被光柵隔離開(kāi)來(lái)，探測器陣列中的每個(gè)探測器采集小波長(cháng)范圍內的光，而作 為離散波長(cháng)函數的功率的獲得方法與在數碼相機上進(jìn)行圖像采集的方法相類(lèi)似。這就免除了對于機械系統和精密同步電子元器件的需要。此外，這個(gè)方法利用與數碼 相機中所使用的算法相類(lèi)似的圖像處理算法，以最大限度地提高性能。然而，系統的波長(cháng)分辨率取決于陣列中探測器元件的尺寸和間隔；在這個(gè)陣列中，更小、排列 更加緊密的元件提供更高的分辨率。大多數近紅外（NIR）波長(cháng)敏感的陣列探測器需要價(jià)格高且稀缺的材料；這些材料在多元件陣列配置中的十分昂貴。因此，為 了降低儀器成本，陣列的分辨率通常較低，或者根本就不可用。為了提高性能，針對較高波長(cháng)所設計的探測器需要冷卻至環(huán)境溫度以下，從而增加了對系統成本、尺 寸和功率的要求，而這也不利于在實(shí)驗室以外使用這個(gè)方法。

一個(gè)強大的使用MEMS技術(shù)的新方法

可以使用一個(gè)具有單點(diǎn)探測器的基于光學(xué)微機電系統 （MEMS）陣列技術(shù)的全新方法來(lái)克服傳統光譜分析方法的很多問(wèn)題和限制。一個(gè)固態(tài)光學(xué)MEMS陣列用一個(gè)簡(jiǎn)單、空間波長(cháng)濾波器取代了基于單點(diǎn)探測器的系統內的傳統電動(dòng)光柵。這個(gè)方法在消除精細控制電動(dòng)系統問(wèn)題的同時(shí)，利用了單點(diǎn)探測器的性能優(yōu)勢。近些年，此類(lèi)系統已經(jīng)被生產(chǎn)出來(lái)；在這些系統中，將每個(gè)特定波長(cháng)過(guò)濾到單點(diǎn)探測器中的MEMS器件取代了掃描光柵。這個(gè)方法已經(jīng)被證明，在實(shí)現更加小巧且耐用的光譜分析儀的同時(shí)，可以產(chǎn)生出高性能。

相對于線(xiàn)性陣列探測器架構來(lái)說(shuō)，光學(xué)MEMS陣列具有幾個(gè)優(yōu)勢。首先，可以使用較大的單個(gè)元件探測器，這就增加了光采集，并且極大地降低了探測器的成本和復雜度，特別是對于紅外系統更是如此。此外，由于不再使用陣列探測器，像素到像素噪聲也被消除了。消除了這個(gè)像素到像素噪聲是對信噪比 （SNR）性能的大幅提升。SNR性能的增加可以在更短的時(shí)間內獲得更加精確的測量值。

圖1顯示了一個(gè)使用MEMS技術(shù)的光譜分析系統的一般工作原理。衍射光柵和聚焦元件的功能不變， 不過(guò)來(lái)自聚焦元件的光被成像在MEMS陣列上。為了選擇一個(gè)針對此分析的波長(cháng)，光譜響應的一個(gè)特定波段被激活，以便將光引向用于光采集和測量的單點(diǎn)探測器元件。

圖1

這一優(yōu)勢能夠實(shí)現的前提是MEMS器件本身是可靠的，并且能夠產(chǎn)生出可預計且在時(shí)間與溫度范圍內恒定的濾波器響應。

通過(guò)將一個(gè)數字微鏡器件（DMD）用作一個(gè)空間光調制器，可以克服在光譜分析儀應用中采用MEMS時(shí)遇到的數個(gè)難題。首先，通過(guò)使用一個(gè)鋁制MEMS微鏡陣列，進(jìn)入單點(diǎn)探測器的光被打開(kāi)和關(guān)閉；而鋁這一材質(zhì)在大范圍的波長(cháng)范圍內光學(xué)有效。第二，數字MEMS的打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)由機械停止和一個(gè)互補金屬氧化物半導體（CMOS）靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）單元的鎖存電路控制，從而提供固定電壓微鏡控制。這就確保了這個(gè)系統不需要機械掃描和模擬控制環(huán)路，從而簡(jiǎn)化了分光鏡系統的校準。它還使得系統對于溫度、老化或抖動(dòng)等誤差源具有很強的抑制能力。

DMD的可編程屬性具有很多優(yōu)勢；這些優(yōu)勢能夠在根據一個(gè)可編程濾波器列的可尋址屬性進(jìn)行架構設計時(shí)實(shí)現。由于DMD的分辨率通常高于所需要的頻譜，DMD區域會(huì )填充不足，而頻譜會(huì )被過(guò)度采樣。這就使得波長(cháng)選擇完全可編程，并且可以在光引擎出現極度機械位移時(shí)的情況下，將額外的微鏡用作重新校準列。

最后，DMD是 一個(gè)二維的可編程陣列，從而為用戶(hù)提供了高度的靈活性。通過(guò)選擇不同數量的列，可以調節分辨率和數據吞吐量。掃描時(shí)間能夠動(dòng)態(tài)變化，這樣相對于那些不太關(guān) 注的波長(cháng)，對于感興趣的波長(cháng)可以進(jìn)行時(shí)間更長(cháng)、更加詳細地檢查，從而更好地使用儀器的處理時(shí)間和功能。此外，與固定濾波器器具相比，諸如哈達瑪（Hadamard）圖形應用等高級狹縫編碼技術(shù)可實(shí)現高度靈活性，并且提高性能。這就在儀器或處理過(guò)程中極大地降低了分光鏡功能的實(shí)現成本。

總之，一個(gè)基于DMD的解決方案實(shí)現了一個(gè)比當前光譜分析系統具有更高分辨率、更大靈活性、更經(jīng)久耐用、外形尺寸更小、成本更低的分光器件，從而使它們對于更加廣泛的商業(yè)和工業(yè)應用具有極大吸引力。

性能

目前，基于線(xiàn)性陣列的光譜儀的性能主要受到兩方面因素的限制。首先，提供探測器的波長(cháng)選擇受到像素開(kāi)口大小的限制。常見(jiàn)銦鎵砷 （InGaAs）256像素線(xiàn)性陣列的大小，比如說(shuō)Hamamatsu G9203-256，為50µm x 500µm，將決定采集到的光量，以及SNR的范圍。相反地，如圖2中所見(jiàn)，一個(gè)數字微鏡陣列是一個(gè)完全可編程矩陣，其中的列數和掃描技術(shù)可以針對很多應用進(jìn)行配置。這使得較大信號能夠出現在一個(gè)通常與DMD一同使用的1mm x 2mm單點(diǎn)探測器上。在更大程度上，將窄波段光過(guò)濾到通常為50微米像素寬的線(xiàn)性陣列上，會(huì )出現串擾問(wèn)題。像素到像素干擾會(huì )成為讀數中噪聲的主要原因。這些都可以由單探測器架構消除。此外，通過(guò)利用1kHz-4kHz之間的數字微鏡掃描技術(shù)所具有的優(yōu)勢，單點(diǎn)掃描能夠達到與并行多點(diǎn)采樣相類(lèi)似的駐留時(shí)間。對于基于超小型、緊湊DLP MEMS的光譜儀引擎來(lái)說(shuō)，測試結果已經(jīng)顯示SNR的范圍大于10000:1。

圖2

使用最小的、高分辨率2D MEMS陣列來(lái)實(shí)現超級移動(dòng)光譜儀

為了盡可能地提高性能，用戶(hù)需要考慮可被用來(lái)將光反射至探測器的總體MEMS面積。然后將這個(gè)數值與可用單點(diǎn)探測器開(kāi)口尺寸進(jìn)行仔細匹配。

最近，一個(gè)具有超過(guò)400000可用像素，采用5.4微米微鏡的全新DMD針對700納米至2500納米之間的波長(cháng)進(jìn)行了優(yōu)化。DLP2010NIR采用一個(gè)被稱(chēng)為T(mén)RP的全新像素架構。如圖3中所見(jiàn)，這個(gè)像素提供一個(gè)有效的 +/- 17度傾斜。這個(gè)全新的微鏡架構已經(jīng)提供了一個(gè)以評估模塊方式實(shí)現的獨特光學(xué)架構。使用+/- 17度角度的光路徑實(shí)現了小巧的高性能引擎，從而最大限度地減少了漫射光。

圖3. TRP

為了使用戶(hù)能夠評估這一全新架構，這一獨特光引擎的插圖被繪制出來(lái)（如圖4中所示）；這幅插圖中也展現了將一個(gè)高效MEMS用作一個(gè)針對光譜分析的高速2D濾 波器所具有的全部?jì)?yōu)勢。它是一款緊湊、堅固耐用且具有高度自適應性的系統，它能夠使光譜分析走出實(shí)驗室，直接應用于現場(chǎng)測量。很明顯，這個(gè)架構的功能性和 便攜性通過(guò)仔細設計得以實(shí)現。用同一個(gè)器件，通過(guò)互換測量頭端來(lái)執行不同測量的功能可以實(shí)現相對于傳統光譜儀的性能基準測試。

圖4

為了進(jìn)一步探究在這樣小的型封裝內實(shí)現如此高性能的詳細原因，對于光路徑的簡(jiǎn)要概述會(huì )有所幫助。如圖4中所示，這個(gè)系統被設計用來(lái)優(yōu)化整條光路徑內的光信號的使用；這個(gè)優(yōu)化從光的采集方式開(kāi)始。

光 通過(guò)輸入開(kāi)口上的一個(gè)狹縫進(jìn)入系統。這個(gè)狹縫控制進(jìn)入系統的光的物理尺寸。在控制儀器的波長(cháng)分辨率方面，狹縫的寬度是重要的考量因素。較小的狹縫會(huì )增加分 辨率，但是會(huì )減少可用于測量的光功率的數量。相對于傳統方法，系統光效率的增加有助于抵消功率的減少，并因此增加實(shí)現同樣測量分辨率的可用光數量。此外， 借助于基于DMD的系統，通過(guò)在每個(gè)波長(cháng)上設定一個(gè)更長(cháng)的探測器駐留時(shí)間，可以對功率減少進(jìn)行進(jìn)一步補償。

可 選模塊可被安裝在用于透射、反射、以及基于光纖采樣的狹縫的前面。例如，透射模塊包含一個(gè)光源和一個(gè)光析管固定器；這個(gè)固定器用于放置隨模塊一同提供的光 析管。根據測量所需的波長(cháng)范圍可以選擇光源。然后，來(lái)自狹縫的準直光通過(guò)一個(gè)帶通濾波器。這個(gè)濾波器限制了進(jìn)入系統的波長(cháng)范圍，從而減少了來(lái)自環(huán)境或背景 光源的噪聲，并且限制了目標測量所需要的波長(cháng)范圍。

德州儀器（TI）和Optecks公司已經(jīng)在工程和設計領(lǐng)域開(kāi)展協(xié)作，開(kāi)發(fā)出數款其它照明模塊。OTM（Optecks傳輸模塊）包含一個(gè)光源、光析管固定器、高精度光析管和其它安裝硬件，使得對于透射樣本的吸收和散射屬性的測量更加簡(jiǎn)單。NIR透 射測量已經(jīng)被用于測量液體樣本的屬性，諸如果汁水含量，以及目標復合物是否存在，比如說(shuō)氣體簽名。這些測量值能夠提供與果汁原產(chǎn)地相關(guān)的大量信息。在固態(tài) 樣本方面，它能夠測量塑料管的不透光度，而這個(gè)測量值是觀(guān)察氣體和液體傳輸線(xiàn)路內流量的重要參數。線(xiàn)路內的透射測量值也被用來(lái)測量黃油在生產(chǎn)期間內的水含 量，實(shí)現對黃油生產(chǎn)過(guò)程的及時(shí)調整，從而節省了時(shí)間、最大限度地降低成本，并且提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

OHPRM（Optecks高性能反射模塊）還使用一個(gè)遠心光學(xué)設計，以便將SNR提高到比標準反射模塊的SNR高將近10倍?；诜瓷涞墓庾V分析已經(jīng)被應用于奶酪成分分析、肉品質(zhì)量分析，更是在近期被用于識別乳制品內的微生物，以及在大型醫院、藥品生產(chǎn)和制造行業(yè)，以及釀造廠(chǎng)內識別微生物。OHPRM的高SNR可實(shí)現更加快速和準確的微生物識別，在培養之后的僅僅2至3天里就能夠產(chǎn)生準確結果，從而減少了采樣與采取正確操作之間的時(shí)間。ONIRM（Optecks分侵入式反射模塊）使得樣本無(wú)需接觸光譜儀窗口的反射率測量變得更加簡(jiǎn)便。這就使得用戶(hù)能夠在距離模塊幾厘米遠的地方靈活地執行掃描操作。這樣的功能可以實(shí)現對銷(xiāo)售中的塑料包裝肉品的質(zhì)量監控。諸如對皮膚進(jìn)行漫反射測量來(lái)預測血糖的健康方面應用也可以在NIR區域內進(jìn)行特性化分析。

OFCM（Optecks光 纖耦合模塊）通過(guò)光纖提供透射或反射測量。它可以在光譜儀與樣本無(wú)法直接接觸的情況下實(shí)現測量。此類(lèi)采樣包括對工業(yè)過(guò)程的監控、測量正在處理容器內進(jìn)行管 道輸送的液體、測量雞肉、牛肉和豬肉內的水分、脂肪和蛋白質(zhì)含量。由于這個(gè)系統的功能可以提供增強型測量性能，這些模塊極大地擴展了應用范圍。

光譜分析邁出實(shí)驗室

DLP®NIRscan™ Nano 評估模塊（EVM） 的能力和功能性實(shí)現了利用光譜分析的全新方法；在這方法中，實(shí)驗室被帶到了樣本附近，而不再是將樣本送到實(shí)驗室進(jìn)行分析。儀器的便攜性，與其和多種器件進(jìn) 行遠程對接的功能組合在一起，意味著(zhù)可以在現場(chǎng)或者生產(chǎn)場(chǎng)所內進(jìn)行重要測量，甚至是在收割或處理前進(jìn)行，以確保質(zhì)量和成分符合使用標準或必要條件。

將NIRscan Nano EVM的功能與NIR光 譜分析的固有非侵入式屬性組合在一起，實(shí)現了對動(dòng)物活體進(jìn)行分析和測量的可能性。例如，在剪羊毛前，能夠確定山羊皮毛的纖維特性，這樣的話(huà)就可以決定剪取 的合適長(cháng)度。這款儀器可以帶到現場(chǎng)來(lái)分析食物的成熟度，以?xún)?yōu)化采摘操作，分析谷物和其它農作物來(lái)檢測健康狀況和蟲(chóng)害的可能性，分析土壤成分，這樣的話(huà)，就 可以采取及時(shí)有效的方法來(lái)進(jìn)行正確的土壤管理和治理。

這個(gè)系統的大小和緊湊性還使其能夠被輕松地集成到整個(gè)生產(chǎn)或處理設施的多種食品質(zhì)量控制監視系統中。NIRscan Nano光譜分析系統也因此成為一個(gè)多用途和強大工具；它將當前實(shí)驗室系統的準確性與功能性和控制與使用的便攜性與靈活性組合在一起，或者它本身的準確度和功能性已經(jīng)超過(guò)了目前的實(shí)驗室系統，以便在現場(chǎng)執行及時(shí)測量，這一組合有可能大大提高NIR光譜分析在農業(yè)和食品行業(yè)應用領(lǐng)域內的效用。

參考文獻

Pruett, E., 德州儀器 (TI) DLP® 近紅外光譜儀的最新發(fā)展可實(shí)現下一代嵌入式緊湊、便攜式系統，SPIE 9482-13 2015年4月