針對(duì)農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)應(yīng)用的移動(dòng)式光譜分析

光譜分析入門

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

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

在某些情況下，當(dāng)被外部能量源照亮?xí)r，材料能夠發(fā)射出一個(gè)或多個(gè)獨(dú)特波長(zhǎng)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(nèi)。

很多光譜分析應(yīng)用中的一個(gè)常見特性就是需要快速獲得分析結(jié)果。目前，大多數(shù)光譜分析儀器不是不太適合于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，就是不適用于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，諸如計(jì)算機(jī)和其它精密系統(tǒng)，對(duì)便攜性具有一定的限制。

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

傳統(tǒng)光譜分析方法

大多數(shù)色散紅外(IR)光譜測(cè)量在開始時(shí)都采用同樣的測(cè)量方式。將被分析的光穿過一個(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)專門設(shè)計(jì)用于以已知角度反射不同波長(zhǎng)光的元件。這些波長(zhǎng)的空間分離使得其它系統(tǒng)能夠以波長(zhǎng)為基礎(chǔ)測(cè)量光強(qiáng)度。

光譜測(cè)量的傳統(tǒng)架構(gòu)的主要差別在于色散光的測(cè)量方式。兩個(gè)最常見的傳統(tǒng)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(cè)器，以及2. 將色散光成像于一個(gè)探測(cè)器陣列上。

在第一種方法中，來自光柵的色散光被聚焦在單個(gè)探測(cè)器上。為了分析多個(gè)波長(zhǎng)上的功率，光柵(通常情況下如此)或者聚焦元件必須適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)，以便將來自每個(gè)波長(zhǎng)的光調(diào)節(jié)到探測(cè)器上。要執(zhí)行掃描，與探測(cè)器相關(guān)的電子元器件必須與光柵的運(yùn)動(dòng)同步，這樣的話，測(cè)得的功率就與正確的波長(zhǎng)相一致。這就要求機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)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(yàn)室之外的實(shí)用性。此外，為了實(shí)現(xiàn)高波長(zhǎng)分辨率，這個(gè)方法需要小區(qū)域探測(cè)器。較小的探測(cè)器區(qū)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(biāo)的位置是固定的，并且色散光聚焦在一個(gè)探測(cè)器的線性陣列上。由于這些波長(zhǎng)在空間上被光柵隔離開來，探測(cè)器陣列中的每個(gè)探測(cè)器采集小波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，而作為離散波長(zhǎng)函數(shù)的功率的獲得方法與在數(shù)碼相機(jī)上進(jìn)行圖像采集的方法相類似。這就免除了對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)和精密同步電子元器件的需要。此外，這個(gè)方法利用與數(shù)碼相機(jī)中所使用的算法相類似的圖像處理算法，以最大限度地提高性能。然而，系統(tǒng)的波長(zhǎng)分辨率取決于陣列中探測(cè)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(shù)近紅外(NIR)波長(zhǎng)敏感的陣列探測(cè)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(duì)較高波長(zhǎng)所設(shè)計(jì)的探測(cè)器需要冷卻至環(huán)境溫度以下，從而增加了對(duì)系統(tǒng)成本、尺寸和功率的要求，而這也不利于在實(shí)驗(yàn)室以外使用這個(gè)方法。

一個(gè)強(qiáng)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(cè)器的基于光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)陣列技術(shù)的全新方法來克服傳統(tǒng)光譜分析方法的很多問題和限制。一個(gè)固態(tài)光學(xué)MEMS陣列用一個(gè)簡(jiǎn)單、空間波長(zhǎng)濾波器取代了基于單點(diǎn)探測(cè)器的系統(tǒng)內(nèi)的傳統(tǒng)電動(dòng)光柵。這個(gè)方法在消除精細(xì)控制電動(dòng)系統(tǒng)問題的同時(shí)，利用了單點(diǎn)探測(cè)器的性能優(yōu)勢(shì)。近些年，此類系統(tǒng)已經(jīng)被生產(chǎn)出來;在這些系統(tǒng)中，將每個(gè)特定波長(zhǎng)過濾到單點(diǎn)探測(cè)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(xiàn)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(duì)于線性陣列探測(cè)器架構(gòu)來說，光學(xué)MEMS陣列具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，可以使用較大的單個(gè)元件探測(cè)器，這就增加了光采集，并且極大地降低了探測(cè)器的成本和復(fù)雜度，特別是對(duì)于紅外系統(tǒng)更是如此。此外，由于不再使用陣列探測(cè)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(duì)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(nèi)獲得更加精確的測(cè)量值。

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

圖1

這一優(yōu)勢(shì)能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是MEMS器件本身是可靠的，并且能夠產(chǎn)生出可預(yù)計(jì)且在時(shí)間與溫度范圍內(nèi)恒定的濾波器響應(yīng)。

通過將一個(gè)數(shù)字微鏡器件(DMD)用作一個(gè)空間光調(diào)制器，可以克服在光譜分析儀應(yīng)用中采用MEMS時(shí)遇到的數(shù)個(gè)難題。首先，通過使用一個(gè)鋁制MEMS微鏡陣列，進(jìn)入單點(diǎn)探測(cè)器的光被打開和關(guān)閉;而鋁這一材質(zhì)在大范圍的波長(zhǎng)范圍內(nèi)光學(xué)有效。第二，數(shù)字MEMS的打開和關(guān)閉狀態(tài)由機(jī)械停止和一個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(tǒng)不需要機(jī)械掃描和模擬控制環(huán)路，從而簡(jiǎn)化了分光鏡系統(tǒng)的校準(zhǔn)。它還使得系統(tǒng)對(duì)于溫度、老化或抖動(dòng)等誤差源具有很強(qiáng)的抑制能力。

DMD的可編程屬性具有很多優(yōu)勢(shì);這些優(yōu)勢(shì)能夠在根據(jù)一個(gè)可編程濾波器列的可尋址屬性進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)。由于DMD的分辨率通常高于所需要的頻譜，DMD區(qū)域會(huì)填充不足，而頻譜會(huì)被過度采樣。這就使得波長(zhǎng)選擇完全可編程，并且可以在光引擎出現(xiàn)極度機(jī)械位移時(shí)的情況下，將額外的微鏡用作重新校準(zhǔn)列。

最后，DMD是一個(gè)二維的可編程陣列，從而為用戶提供了高度的靈活性。通過選擇不同數(shù)量的列，可以調(diào)節(jié)分辨率和數(shù)據(jù)吞吐量。掃描時(shí)間能夠動(dòng)態(tài)變化，這樣相對(duì)于那些不太關(guān)注的波長(zhǎng)，對(duì)于感興趣的波長(zhǎng)可以進(jìn)行時(shí)間更長(zhǎng)、更加詳細(xì)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(dá)瑪(Hadamard)圖形應(yīng)用等高級(jí)狹縫編碼技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高度靈活性，并且提高性能。這就在儀器或處理過程中極大地降低了分光鏡功能的實(shí)現(xiàn)成本。

總之，一個(gè)基于DMD的解決方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)比當(dāng)前光譜分析系統(tǒng)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(duì)于更加廣泛的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用具有極大吸引力。

性能

目前，基于線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(cè)器的波長(zhǎng)選擇受到像素開口大小的限制。常見銦鎵砷 (InGaAs)256像素線性陣列的大小，比如說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，一個(gè)數(shù)字微鏡陣列是一個(gè)完全可編程矩陣，其中的列數(shù)和掃描技術(shù)可以針對(duì)很多應(yīng)用進(jìn)行配置。這使得較大信號(hào)能夠出現(xiàn)在一個(gè)通常與DMD一同使用的1mm x 2mm單點(diǎn)探測(cè)器上。在更大程度上，將窄波段光過濾到通常為50微米像素寬的線性陣列上，會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_問題。像素到像素干擾會(huì)成為讀數(shù)中噪聲的主要原因。這些都可以由單探測(cè)器架構(gòu)消除。此外，通過利用1kHz-4kHz之間的數(shù)字微鏡掃描技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)，單點(diǎn)掃描能夠達(dá)到與并行多點(diǎn)采樣相類似的駐留時(shí)間。對(duì)于基于超小型、緊湊DLP MEMS的光譜儀引擎來說，測(cè)試結(jié)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陣列來實(shí)現(xiàn)超級(jí)移動(dòng)光譜儀

為了盡可能地提高性能，用戶需要考慮可被用來將光反射至探測(cè)器的總體MEMS面積。然后將這個(gè)數(shù)值與可用單點(diǎn)探測(cè)器開口尺寸進(jìn)行仔細(xì)匹配。

最近，一個(gè)具有超過400000可用像素，采用5.4微米微鏡的全新DMD針對(duì)700納米至2500納米之間的波長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化。DLP2010NIR采用一個(gè)被稱為TRP的全新像素架構(gòu)。如圖3中所見，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(gòu)已經(jīng)提供了一個(gè)以評(píng)估模塊方式實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特光學(xué)架構(gòu)。使用+/- 17度角度的光路徑實(shí)現(xiàn)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

為了使用戶能夠評(píng)估這一全新架構(gòu)，這一獨(dú)特光引擎的插圖被繪制出來(如圖4中所示);這幅插圖中也展現(xiàn)了將一個(gè)高效MEMS用作一個(gè)針對(duì)光譜分析的高速2D濾波器所具有的全部?jī)?yōu)勢(shì)。它是一款緊湊、堅(jiān)固耐用且具有高度自適應(yīng)性的系統(tǒng)，它能夠使光譜分析走出實(shí)驗(yàn)室，直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。很明顯，這個(gè)架構(gòu)的功能性和便攜性通過仔細(xì)設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。用同一個(gè)器件，通過互換測(cè)量頭端來執(zhí)行不同測(cè)量的功能可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)光譜儀的性能基準(zhǔn)測(cè)試。

圖4

為了進(jìn)一步探究在這樣小的型封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)如此高性能的詳細(xì)原因，對(duì)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(tǒng)被設(shè)計(jì)用來優(yōu)化整條光路徑內(nèi)的光信號(hào)的使用;這個(gè)優(yōu)化從光的采集方式開始。

光通過輸入開口上的一個(gè)狹縫進(jìn)入系統(tǒng)。這個(gè)狹縫控制進(jìn)入系統(tǒng)的光的物理尺寸。在控制儀器的波長(zhǎng)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(cè)量的光功率的數(shù)量。相對(duì)于傳統(tǒng)方法，系統(tǒng)光效率的增加有助于抵消功率的減少，并因此增加實(shí)現(xiàn)同樣測(cè)量分辨率的可用光數(shù)量。此外，借助于基于DMD的系統(tǒng)，通過在每個(gè)波長(zhǎng)上設(shè)定一個(gè)更長(zhǎng)的探測(cè)器駐留時(shí)間，可以對(duì)功率減少進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)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(jù)測(cè)量所需的波長(zhǎng)范圍可以選擇光源。然后，來自狹縫的準(zhǔn)直光通過一個(gè)帶通濾波器。這個(gè)濾波器限制了進(jìn)入系統(tǒng)的波長(zhǎng)范圍，從而減少了來自環(huán)境或背景光源的噪聲，并且限制了目標(biāo)測(cè)量所需要的波長(zhǎng)范圍。

德州儀器(TI)和Optecks公司已經(jīng)在工程和設(shè)計(jì)領(lǐng)域開展協(xié)作，開發(fā)出數(shù)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(duì)于透射樣本的吸收和散射屬性的測(cè)量更加簡(jiǎn)單。NIR透射測(cè)量已經(jīng)被用于測(cè)量液體樣本的屬性，諸如果汁水含量，以及目標(biāo)復(fù)合物是否存在，比如說氣體簽名。這些測(cè)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(cè)量塑料管的不透光度，而這個(gè)測(cè)量值是觀察氣體和液體傳輸線路內(nèi)流量的重要參數(shù)。線路內(nèi)的透射測(cè)量值也被用來測(cè)量黃油在生產(chǎn)期間內(nèi)的水含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)黃油生產(chǎn)過程的及時(shí)調(diào)整，從而節(jié)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(yuǎn)心光學(xué)設(shè)計(jì)，以便將SNR提高到比標(biāo)準(zhǔn)反射模塊的SNR高將近10倍?；诜瓷涞墓庾V分析已經(jīng)被應(yīng)用于奶酪成分分析、肉品質(zhì)量分析，更是在近期被用于識(shí)別乳制品內(nèi)的微生物，以及在大型醫(yī)院、藥品生產(chǎn)和制造行業(yè)，以及釀造廠內(nèi)識(shí)別微生物。OHPRM的高SNR可實(shí)現(xiàn)更加快速和準(zhǔn)確的微生物識(shí)別，在培養(yǎng)之后的僅僅2至3天里就能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確結(jié)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)使得樣本無需接觸光譜儀窗口的反射率測(cè)量變得更加簡(jiǎn)便。這就使得用戶能夠在距離模塊幾厘米遠(yuǎn)的地方靈活地執(zhí)行掃描操作。這樣的功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)銷售中的塑料包裝肉品的質(zhì)量監(jiān)控。諸如對(duì)皮膚進(jìn)行漫反射測(cè)量來預(yù)測(cè)血糖的健康方面應(yīng)用也可以在NIR區(qū)域內(nèi)進(jìn)行特性化分析。

OFCM(Optecks光纖耦合模塊)通過光纖提供透射或反射測(cè)量。它可以在光譜儀與樣本無法直接接觸的情況下實(shí)現(xiàn)測(cè)量。此類采樣包括對(duì)工業(yè)過程的監(jiān)控、測(cè)量正在處理容器內(nèi)進(jìn)行管道輸送的液體、測(cè)量雞肉、牛肉和豬肉內(nèi)的水分、脂肪和蛋白質(zhì)含量。由于這個(gè)系統(tǒng)的功能可以提供增強(qiáng)型測(cè)量性能，這些模塊極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用范圍。

光譜分析邁出實(shí)驗(yàn)室

DLP®NIRscan™ Nano 評(píng)估模塊(EVM)的能力和功能性實(shí)現(xiàn)了利用光譜分析的全新方法;在這方法中，實(shí)驗(yàn)室被帶到了樣本附近，而不再是將樣本送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。儀器的便攜性，與其和多種器件進(jìn)行遠(yuǎn)程對(duì)接的功能組合在一起，意味著可以在現(xiàn)場(chǎng)或者生產(chǎn)場(chǎng)所內(nèi)進(jìn)行重要測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)了對(duì)動(dòng)物活體進(jìn)行分析和測(cè)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，這樣的話就可以決定剪取的合適長(zhǎng)度。這款儀器可以帶到現(xiàn)場(chǎng)來分析食物的成熟度，以優(yōu)化采摘操作，分析谷物和其它農(nóng)作物來檢測(cè)健康狀況和蟲害的可能性，分析土壤成分，這樣的話，就可以采取及時(shí)有效的方法來進(jìn)行正確的土壤管理和治理。

這個(gè)系統(tǒng)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(shè)施的多種食品質(zhì)量控制監(jiān)視系統(tǒng)中。NIRscan Nano光譜分析系統(tǒng)也因此成為一個(gè)多用途和強(qiáng)大工具;它將當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的準(zhǔn)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(zhǔn)確度和功能性已經(jīng)超過了目前的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，以便在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行及時(shí)測(cè)量，這一組合有可能大大提高NIR光譜分析在農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的效用。