針對農業和食品行業應用的移動式光譜分析

光譜分析入門

光譜分析是一種測量技術;它通過測量材料與不同波長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量,包括材料對光的吸收、反射和透射。

材料的特性可通過測量有多少光能被吸收以及哪些波長的能量被吸收進行分析。吸收的波長取決於材料成分——脂肪、蛋白質和不同類型的糖分子——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,也可以對材料進行定性分析,而反射光的強度和波長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,材料能夠發射出一個或多個獨特波長的光。這些可以包括螢光分子或物質,而這些分子或物質存在於多種植物和動物體內。

很多光譜分析應用中的一個常見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於現場環境,就是不適用於數據處理系統,諸如計算機和其它精密系統,對便攜性具有一定的限制。

一個將高性能實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、實時分析工具的效用。例如,我們可以想像一台具有實驗室儀器的性能的、由電池供電的手持式光譜分析儀。屆時,很多目前無法支持的應用都能夠被實現。

傳統光譜分析方法

大多數色散紅外(IR)光譜測量在開始時都採用同樣的測量方式。將被分析的光穿過一個小狹縫,它與控制儀器分辨率的光柵組合在一起。這個衍射光柵是一個專門設計用於以已知角度反射不同波長光的元件。這些波長的空間分離使得其它系統能夠以波長為基礎測量光強度。

光譜測量的傳統架構的主要差別在於色散光的測量方式。兩個最常見的傳統方法為1. 與色散光的物理掃面組合在一起的單個元件(或單點)探測器,以及2. 將色散光成像於一個探測器陣列上。
在第一種方法中,來自光柵的色散光被聚焦在單個探測器上。為了分析多個波長上的功率,光柵(通常情況下如此)或者聚焦元件必須適當地旋轉,以便將來自每個波長的光調節到探測器上。要執行掃瞄,與探測器相關的電子元器件必須與光柵的運動同步,這樣的話,測得的功率就與正確的波長相一致。這就要求機械旋轉系統非常精確,並因此在體積方面變得十分龐大,而這也限制了這個方法在實驗室之外的實用性。此外,為了實現高波長分辨率,這個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採集,並因此降低了靈敏度。

在第二種方法中,衍射光柵和聚焦目標的位置是固定的,並且色散光聚焦在一個探測器的線性陣列上。由於這些波長在空間上被光柵隔離開來,探測器陣列中的每個探測器採集小波長範圍內的光,而作為離散波長函數的功率的獲得方法與在數碼相機上進行圖像採集的方法相類似。這就免除了對於機械系統和精密同步電子元器件的需要。此外,這個方法利用與數碼相機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,系統的波長分辨率取決於陣列中探測器元件的尺寸和間隔;在這個陣列中,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)波長敏感的陣列探測器需要價格高且稀缺的材料;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,針對較高波長所設計的探測器需要冷卻至環境溫度以下,從而增加了對系統成本、尺寸和功率的要求,而這也不利於在實驗室以外使用這個方法。

一個強大的使用MEMS技術的新方法

可以使用一個具有單點探測器的基於光學微機電系統 (MEMS)陣列技術的全新方法來克服傳統光譜分析方法的很多問題和限制。一個固態光學MEMS陣列用一個簡單、空間波長濾波器取代了基於單點探測器的系統內的傳統電動光柵。這個方法在消除精細控制電動系統問題的同時,利用了單點探測器的性能優勢。近些年,此類系統已經被生產出來;在這些系統中,將每個特定波長過濾到單點探測器中的MEMS器件取代了掃瞄光柵。這個方法已經被證明,在實現更加小巧且耐用的光譜分析儀的同時,可以產生出高性能。

相對於線性陣列探測器架構來說,光學MEMS陣列具有幾個優勢。首先,可以使用較大的單個元件探測器,這就增加了光採集,並且極大地降低了探測器的成本和複雜度,特別是對於紅外系統更是如此。此外,由於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間內獲得更加精確的測量值。

圖1顯示了一個使用MEMS技術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, 不過來自聚焦元件的光被成像在MEMS陣列上。為了選擇一個針對此分析的波長,光譜響應的一個特定波段被激活,以便將光引向用於光採集和測量的單點探測器元件。

圖一 (所有圖片來源:德州儀器)


這一優勢能夠實現的前提是MEMS器件本身是可靠的,並且能夠產生出可預計且在時間與溫度範圍內恆定的濾波器響應。

通過將一個數字微鏡器件(DMD)用作一個空間光調製器,可以克服在光譜分析儀應用中採用MEMS時遇到的數個難題。首先,通過使用一個鋁製MEMS微鏡陣列,進入單點探測器的光被打開和關閉;而鋁這一材質在大範圍的波長範圍內光學有效。第二,數字MEMS的打開和關閉狀態由機械停止和一個互補金屬氧化物半導體(CMOS)靜態隨機存取存儲器(SRAM)單元的鎖存電路控制,從而提供固定電壓微鏡控制。這就確保了這個系統不需要機械掃瞄和模擬控制環路,從而簡化了分光鏡系統的校準。它還使得系統對於溫度、老化或抖動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勢;這些優勢能夠在根據一個可編程濾波器列的可尋址屬性進行架構設計時實現。由於DMD的分辨率通常高於所需要的頻譜,DMD區域會填充不足,而頻譜會被過度採樣。這就使得波長選擇完全可編程,並且可以在光引擎出現極度機械位移時的情況下,將額外的微鏡用作重新校準列。

最後,DMD是一個二維的可編程陣列,從而為用戶提供了高度的靈活性。通過選擇不同數量的列,可以調節分辨率和數據吞吐量。掃瞄時間能夠動態變化,這樣相對於那些不太關注的波長,對於感興趣的波長可以進行時間更長、更加詳細地檢查,從而更好地使用儀器的處理時間和功能。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可實現高度靈活性,並且提高性能。這就在儀器或處理過程中極大地降低了分光鏡功能的實現成本。
總之,一個基於DMD的解決方案實現了一個比當前光譜分析系統具有更高分辨率、更大靈活性、更經久耐用、外形尺寸更小、成本更低的分光器件,從而使它們對於更加廣泛的商業和工業應用具有極大吸引力。

性能

目前,基於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,提供探測器的波長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,將決定採集到的光量,以及SNR的範圍。相反地,如圖2中所見,一個數字微鏡陣列是一個完全可編程矩陣,其中的列數和掃瞄技術可以針對很多應用進行配置。這使得較大信號能夠出現在一個通常與DMD一同使用的1mm x 2mm單點探測器上。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,會出現串擾問題。像素到像素干擾會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,通過利用1kHz-4kHz之間的數字微鏡掃瞄技術所具有的優勢,單點掃瞄能夠達到與並行多點採樣相類似的駐留時間。對於基於超小型、緊湊DLP MEMS的光譜儀引擎來說,測試結果已經顯示SNR的範圍大於10000:1。

圖二

使用最小的、高分辨率2D MEMS陣列來實現超級移動光譜儀

圖三
圖四

為了儘可能地提高性能,用戶需要考慮可被用來將光反射至探測器的總體MEMS面積。然後將這個數值與可用單點探測器開口尺寸進行仔細匹配。

最近,一個具有超過400000可用像素,採用5.4微米微鏡的全新DMD針對700納米至2500納米之間的波長進行了優化。DLP2010NIR採用一個被稱為TRP的全新像素架構。如圖3中所見,這個像素提供一個有效的 +/- 17度傾斜。這個全新的微鏡架構已經提供了一個以評估模塊方式實現的獨特光學架構。使用+/- 17度角度的光路徑實現了小巧的高性能引擎,從而最大限度地減少了漫射光。

為了使用戶能夠評估這一全新架構,這一獨特光引擎的插圖被繪製出來(如圖4中所示);這幅插圖中也展現了將一個高效MEMS用作一個針對光譜分析的高速2D濾波器所具有的全部優勢。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驗室,直接應用於現場測量。很明顯,這個架構的功能性和便攜性通過仔細設計得以實現。用同一個器件,通過互換測量頭端來執行不同測量的功能可以實現相對於傳統光譜儀的性能基準測試。
為了進一步探究在這樣小的型封裝內實現如此高性能的詳細原因,對於光路徑的簡要概述會有所幫助。如圖4中所示,這個系統被設計用來優化整條光路徑內的光信號的使用;這個優化從光的採集方式開始。
光通過輸入開口上的一個狹縫進入系統。這個狹縫控制進入系統的光的物理尺寸。在控制儀器的波長分辨率方面,狹縫的寬度是重要的考量因素。較小的狹縫會增加分辨率,但是會減少可用於測量的光功率的數量。相對於傳統方法,系統光效率的增加有助於抵消功率的減少,並因此增加實現同樣測量分辨率的可用光數量。此外,借助於基於DMD的系統,通過在每個波長上設定一個更長的探測器駐留時間,可以對功率減少進行進一步補償。

可選模塊可被安裝在用於透射、反射、以及基於光纖採樣的狹縫的前面。例如,透射模塊包含一個光源和一個光析管固定器;這個固定器用於放置隨模塊一同提供的光析管。根據測量所需的波長範圍可以選擇光源。然後,來自狹縫的準直光通過一個帶通濾波器。這個濾波器限制了進入系統的波長範圍,從而減少了來自環境或背景光源的噪聲,並且限制了目標測量所需要的波長範圍。

德州儀器(TI)和Optecks公司已經在工程和設計領域開展協作,開發出數款其它照明模塊。OTM(Optecks傳輸模塊)包含一個光源、光析管固定器、高精度光析管和其它安裝硬件,使得對於透射樣本的吸收和散射屬性的測量更加簡單。NIR透射測量已經被用於測量液體樣本的屬性,諸如果汁水含量,以及目標複合物是否存在,比如說氣體簽名。這些測量值能夠提供與果汁原產地相關的大量信息。在固態樣本方面,它能夠測量塑料管的不透光度,而這個測量值是觀察氣體和液體傳輸線路內流量的重要參數。線路內的透射測量值也被用來測量黃油在生產期間內的水含量,實現對黃油生產過程的及時調整,從而節省了時間、最大限度地降低成本,並且提高最終產品的質量。

OHPRM(Optecks高性能反射模塊)還使用一個遠心光學設計,以便將SNR提高到比標準反射模塊的SNR高將近10倍。基於反射的光譜分析已經被應用於奶酪成分分析、肉品質量分析,更是在近期被用於識別乳製品內的微生物,以及在大型醫院、藥品生產和製造行業,以及釀造廠內識別微生物。OHPRM的高SNR可實現更加快速和準確的微生物識別,在培養之後的僅僅2至3天裡就能夠產生準確結果,從而減少了採樣與採取正確操作之間的時間。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量變得更加簡便。這就使得用戶能夠在距離模塊幾釐米遠的地方靈活地執行掃瞄操作。這樣的功能可以實現對銷售中的塑料包裝肉品的質量監控。諸如對皮膚進行漫反射測量來預測血糖的健康方面應用也可以在NIR區域內進行特性化分析。

OFCM(Optecks光纖耦合模塊)通過光纖提供透射或反射測量。它可以在光譜儀與樣本無法直接接觸的情況下實現測量。此類採樣包括對工業過程的監控、測量正在處理容器內進行管道輸送的液體、測量雞肉、牛肉和豬肉內的水分、脂肪和蛋白質含量。由於這個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範圍。

光譜分析邁出實驗室    

DLP®NIRscan™ Nano 評估模塊(EVM)的能力和功能性實現了利用光譜分析的全新方法;在這方法中,實驗室被帶到了樣本附近,而不再是將樣本送到實驗室進行分析。儀器的便攜性,與其和多種器件進行遠程對接的功能組合在一起,意味著可以在現場或者生產場所內進行重要測量,甚至是在收割或處理前進行,以確保質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,實現了對動物活體進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,這樣的話就可以決定剪取的合適長度。這款儀器可以帶到現場來分析食物的成熟度,以優化採摘操作,分析穀物和其它農作物來檢測健康狀況和蟲害的可能性,分析土壤成分,這樣的話,就可以採取及時有效的方法來進行正確的土壤管理和治理。

這個系統的大小和緊湊性還使其能夠被輕鬆地集成到整個生產或處理設施的多種食品質量控制監視系統中。NIRscan Nano光譜分析系統也因此成為一個多用途和強大工具;它將當前實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超過了目前的實驗室系統,以便在現場執行及時測量,這一組合有可能大大提高NIR光譜分析在農業和食品行業應用領域內的效用。

作者:Mike Walker,德州儀器(TI); Hakki Refai,Optecks,LLC

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