针对农业和食品行业应用的移动式光谱分析

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1.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2.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价格高且稀缺的材料;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。

图1

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。