專利名稱：一種聲光可調(diào)濾光型近紅外光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實時光譜分析技術(shù)的改進，具體指一種采用占空比調(diào)控技術(shù)的聲光可調(diào)濾光型近紅外光譜儀，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近紅外光譜(NIR)分析技術(shù)是發(fā)展較為迅速的一種高新分析測試技術(shù)，是光譜測量技術(shù)、計算機技術(shù)、化學計量學技術(shù)與基礎(chǔ)測量技術(shù)的有機結(jié)合。與傳統(tǒng)分析技術(shù)相比，具有無損檢測、分析效率高、分析速度快、分析成本低、重現(xiàn)性好、樣品測量一般勿需預處理、光譜測量方便、適合于現(xiàn)場檢測(如大批量抽檢)和在線分析等獨特優(yōu)勢。聲光可調(diào)濾光(AOTF)型近紅外光譜儀是將近紅外波段光線用AOTF實現(xiàn)掃描分光后，照射樣品(也可先 照射樣品后分光)，檢測分析其透射(反射)光譜來判定樣品成分及含量的儀器。其核心器件AOTF是基于各向異性的雙折射晶體的聲光衍射原理，利用超聲波與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件。與傳統(tǒng)的基于機械調(diào)諧分光元件的光譜儀相比，以AOTF作為分光元件的光譜儀具有明顯的優(yōu)越性它結(jié)構(gòu)簡單，光學系統(tǒng)無移動性部件，體積小，集光能力強，最吸引人之處在于它的波長切換快、重現(xiàn)性好，程序化的波長控制使得這種儀器的應用具有很大的靈活性，特別是在食品及藥品的生產(chǎn)及安全檢測上，該型光譜儀具有其他產(chǎn)品無可取代的優(yōu)勢。但基于AOTF原理的光譜測量技術(shù)在國內(nèi)還處于起步階段，尚無商業(yè)化產(chǎn)品。該產(chǎn)品遲遲未能推廣應用的原因是目前該型光譜儀的技術(shù)狀態(tài)還不成熟，尚不能很好地滿足實際檢測需求，急待開發(fā)新技術(shù)，有效解決其在波長分辨率、檢測靈敏度及多種樣品適應性等方面存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種采用占空比調(diào)控技術(shù)的AOTF型近紅外光譜儀，該儀器在樣品測試中大大提高了精準度及探測范圍，滿足多樣環(huán)境下對樣品光譜準確實時捕獲分析的應用需求。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案如下
一種聲光可調(diào)濾光型近紅外光譜儀，它包括順次設(shè)置在同一光軸上建立光路系統(tǒng)的光源模塊、聚光準直系統(tǒng)I、聲光可調(diào)濾光器、聚光準直系統(tǒng)II、聚光系統(tǒng)和光電探測器，光電探測器的光敏面設(shè)置在聚光系統(tǒng)的焦點上；聚光準直系統(tǒng)II用于將調(diào)整后的出射光入射到需要檢測的樣品，聚光系統(tǒng)用于將照射過樣品的透射光或反射光聚集到光電探測器的光敏面上進行光電信號轉(zhuǎn)換；所述光電探測器的輸出接信號采集處理系統(tǒng)，由信號采集處理系統(tǒng)對光電探測器輸出的電信號進行光譜分析處理并通過顯示器顯示；
所述信號采集處理系統(tǒng)順次接調(diào)控脈沖發(fā)生器和射頻驅(qū)動源，射頻驅(qū)動源輸出接聲光可調(diào)濾光器；信號采集處理系統(tǒng)根據(jù)光譜分析結(jié)果產(chǎn)生數(shù)控信號給調(diào)控脈沖發(fā)生器，由調(diào)控脈沖發(fā)生器產(chǎn)生占空比適宜的調(diào)控脈沖信號輸入到射頻驅(qū)動源進行射頻信號調(diào)制；射頻驅(qū)動源將帶調(diào)制的射頻信號放大到合適的功率以驅(qū)動聲光可調(diào)濾光器，使聲光可調(diào)濾光器按控制要求進行掃描分光，依次輸出工作范圍內(nèi)的近紅外各波長光線。本發(fā)明的有益效果1光譜分辨率高；2檢測靈敏度高；3檢測動態(tài)范圍大，多樣品適應能力強；4能實時處理采集信號，環(huán)境適應能力強。


圖I-本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I、光源模塊；2、聚光準直系統(tǒng)I ;3、聲光可調(diào)濾光器；4、聚光準直系統(tǒng)II ； 5、樣品池；6、聚光系統(tǒng)；7、光電探測器；8、信號采集處理系統(tǒng)；9、調(diào)控脈沖發(fā)生器；10、射頻驅(qū)動源。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明包括光源模塊I、聚光準直系統(tǒng)I 2、聲光可調(diào)濾光器(AOTF)
3、聚光準直系統(tǒng)II 4、樣品池5、聚光系統(tǒng)6、光電探測器7、信號采集處理系統(tǒng)8、調(diào)控脈沖發(fā)生器9、射頻驅(qū)動源10。上述中，光學部件光源模塊I、聚光準直系統(tǒng)I 2、聲光可調(diào)濾光器(AOTF) 3、聚光準直系統(tǒng)II 4、樣品池5、聚光系統(tǒng)6和光電探測器7順次設(shè)置在同一光軸上建立光路系統(tǒng)，該光路系統(tǒng)完成將光源出射的近紅外光線進行程控分光后入射檢測樣品，再通過光電探測器接收樣品透射或反射的信號光。上述信號采集處理系統(tǒng)8、調(diào)控脈沖發(fā)生器9和射頻驅(qū)動源10構(gòu)成電路系統(tǒng)部分，電路系統(tǒng)部分進行光源分光控制及對探測到的光信號進行光譜分析處理并輸出顯示等。本發(fā)明采用覆蓋近紅外波段的光源I (比如鹵鎢燈)，通過聚光準直系統(tǒng)I 2將光束調(diào)節(jié)成光斑大小合適的平行光入射到聲光可調(diào)濾光器(AOTF) 3，經(jīng)過AOTF分光后的衍射光束再通過聚光準直系統(tǒng)II 4調(diào)整成光斑大小合適的平行光入射到樣品池5，樣品池5中擺放需要檢測的樣品，聚光系統(tǒng)6將照射過樣品的透射光(或反射光)聚集到光電探測器7的光敏面上進行光電信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號由信號采集處理系統(tǒng)8對該信號進行光譜分析(對采集數(shù)據(jù)進行讀取、計算、判決和輸出)。信號采集處理系統(tǒng)8同時要根據(jù)初測數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)控信號與調(diào)控脈沖發(fā)生器9配合對光源分光系統(tǒng)進行樣品檢測適應性控制，產(chǎn)生占空比適宜的調(diào)控脈沖信號輸入到射頻驅(qū)動源10進行射頻信號調(diào)制。射頻驅(qū)動源10將帶調(diào)制的射頻信號放大到合適的功率以驅(qū)動聲光可調(diào)濾光器(AOTF) 3，使其按控制要求進行掃描分光，依次輸出工作范圍內(nèi)的近紅外各波長光線。本發(fā)明在聲光可調(diào)濾光(AOTF)型近紅外光譜儀的分光系統(tǒng)中創(chuàng)新性地使用了脈沖占空比調(diào)控技術(shù)。AOTF作為分光器件，是通過改變射頻頻率來調(diào)節(jié)光源的掃描波長。AOTF屬于體聲波器件，電信號轉(zhuǎn)換成聲波在晶體介質(zhì)中傳播通過光孔徑時需要一定的渡越時間。如果這期間改變射頻頻率必然造成多個掃描波長同時通過，影響系統(tǒng)的光譜分辨率指標。設(shè)計AOTF工作于脈沖驅(qū)動方式(由調(diào)控脈沖發(fā)生器產(chǎn)生占空比適宜的脈沖對射頻驅(qū)動信號進行調(diào)制)，脈沖為高電平時，射頻信號啟動，驅(qū)動AOTF工作，該射頻通過換能器轉(zhuǎn)換成聲波，產(chǎn)生對應該頻率的光波；脈沖為低電平時，使射頻信號截止，且低電平時間微大于AOTF的渡越時間，保證前段頻率聲波完全通過光孔徑后再啟動下一個射頻信號，也即前個頻率對應的光波完全消失后再啟動下一個頻率對應的光波。這樣避免了光波在掃描過程中產(chǎn)生的前后波段混雜，由此提高了系統(tǒng)的光譜分辨率。同時，由于檢測樣品復雜多樣，透明程度、粗糙程度各不相同，各種樣品透射(反射)光強弱差異很大。相同強度的入射光照射某樣品其透射(反射)光可能微弱到無法探測，而照射其它樣品其透射(反射)光又可能強到直接使光譜儀的光敏管達到飽和，也無法檢測，所以針對不同樣品輸入光強能自動靈活調(diào)節(jié)在光譜檢測中非常重要。利用AOTF具有固定渡越時間這一特性，如果射頻驅(qū)動信號的脈沖寬度小于AOTF的固定渡越時間，聲波在介質(zhì)中傳播中脈內(nèi)的信號能量是被平均分配到整個渡越時間內(nèi)，脈寬越窄(也即占空比越小)脈內(nèi)能量平均分配后也就被削弱得越多。極限情況，當占空比為零時，射頻驅(qū)動完全截止，AOTF分光強度為零；當分光脈寬與渡越時間完全吻合，也即占空比為50%左右時，AOTF分光強度達最大值。所以可以通過自動控制調(diào)節(jié)AOTF驅(qū)動脈沖占空比來實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)從零開始的全量程分光光強的目的，使光譜儀針對不同樣品的檢測動態(tài)范圍大大改善。另外，AOTF的衍射效率是與射頻驅(qū)動功率其成正比的，通過調(diào)節(jié)AOTF脈內(nèi)射頻驅(qū) 動功率也可以實現(xiàn)分光的強弱控制。由于采用占空比調(diào)控技術(shù)已解決了不同樣品產(chǎn)生的光強差異，這個調(diào)節(jié)途徑就可用于對近紅外不同波長固有響應大幅波動的修正。因為光源(t匕如鹵鎢燈)不同波長的出射光能量差異很大，再加上光電探測器的光敏管對不同波長的光的響應度也有較大波動，還有AOTF對不同波長的衍射效率也不一致，如果不進行修正，對應不同波長的測試數(shù)據(jù)會大幅波動，使數(shù)據(jù)缺乏可比性，嚴重影響測試效果。如果對應光源能量輸出低，光敏響應也低的波長點，設(shè)置為較高的AOTF驅(qū)動功率，則衍射效率提高，使該波長點分光能量加強，從而彌補了光源輸出的不足以及光敏響應的不足；對應光源能量輸出高，光敏響應也高的波長點，設(shè)置為較低的AOTF驅(qū)動功率，則衍射效率降低，該波長點分光能量減弱，從而彌補了光源輸出的過量以及光敏響應的過度……如此類推可以進行全波長范圍內(nèi)的AOTF驅(qū)動功率點的精確設(shè)置，以達到光譜儀對不同波長輸出響應的高度一致。此種調(diào)整可以大大提高樣品光譜特征的準確性和可比性，同時有效改善樣品成分含量檢測的動態(tài)范圍。采用占空比調(diào)控技術(shù)的AOTF型近紅外光譜儀在進行樣品檢測分析時，分辨率、靈敏度、準確性及檢測動態(tài)范圍等性能指標上均有顯著提高，該發(fā)明可廣泛應用于實現(xiàn)食品及藥品等監(jiān)測的光譜分析技術(shù)領(lǐng)域。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1. 一種聲光可調(diào)濾光型近紅外光譜儀，它包括順次設(shè)置在同一光軸上建立光路系統(tǒng)的光源模塊、聚光準直系統(tǒng)I、聲光可調(diào)濾光器、聚光準直系統(tǒng)II、聚光系統(tǒng)和光電探測器，光電探測器的光敏面設(shè)置在聚光系統(tǒng)的焦點上；聚光準直系統(tǒng)II用于將調(diào)整后的出射光入射到需要檢測的樣品，聚光系統(tǒng)用于將照射過樣品的透射光或反射光聚集到光電探測器的光敏面上進行光電信號轉(zhuǎn)換；所述光電探測器的輸出接信號采集處理系統(tǒng)，由信號采集處理系統(tǒng)對光電探測器輸出的電信號進行光譜分析處理并通過顯示器顯示； 其特征在于所述信號采集處理系統(tǒng)順次接調(diào)控脈沖發(fā)生器和射頻驅(qū)動源，射頻驅(qū)動源輸出接聲光可調(diào)濾光器；信號采集處理系統(tǒng)根據(jù)光譜分析結(jié)果產(chǎn)生數(shù)控信號給調(diào)控脈沖發(fā)生器，由調(diào)控脈沖發(fā)生器產(chǎn)生占空比適宜的調(diào)控脈沖信號輸入到射頻驅(qū)動源進行射頻信號調(diào)制；射頻驅(qū)動源將帶調(diào)制的射頻信號放大到合適的功率以驅(qū)動聲光可調(diào)濾光器，使聲光可調(diào)濾光器按控制要求進行掃描分光，依次輸出工作范圍內(nèi)的近紅外各波長光線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲光可調(diào)濾光型近紅外光譜儀，它包括光源模塊、聚光準直系統(tǒng)Ⅰ、聲光可調(diào)濾光器、聚光準直系統(tǒng)Ⅱ、聚光系統(tǒng)、光電探測器和信號采集處理系統(tǒng)，信號采集處理系統(tǒng)順次接調(diào)控脈沖發(fā)生器和射頻驅(qū)動源，射頻驅(qū)動源輸出接聲光可調(diào)濾光器；信號采集處理系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)控信號給調(diào)控脈沖發(fā)生器，由調(diào)控脈沖發(fā)生器產(chǎn)生占空比適宜的調(diào)控脈沖信號輸入到射頻驅(qū)動源進行射頻信號調(diào)制；射頻驅(qū)動源將帶調(diào)制的射頻信號放大到合適的功率以驅(qū)動聲光可調(diào)濾光器。本發(fā)明有益效果1光譜分辨率高；2檢測靈敏度高；3檢測動態(tài)范圍大，多樣品適應能力強；4能實時處理采集信號，環(huán)境適應能力強。
文檔編號G01J3/28GK102928081SQ201210511740
公開日2013年2月13日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者吳冉, 何曉亮, 劉偉, 楊嵩, 吳畏, 謝強, 陳華志, 陳永峰 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所