光谱剖析入门
光谱剖析是一种丈量技能;它经过丈量资料与不同波长光的相互作用状况来查看资料的特点。有几种不同的交互作用可被丈量，包含资料对光的吸收、反射和透射。
资料的特性可经过丈量有多少光能被吸收以及哪些波长的能量被吸收进行剖析。吸收的波长取决于资料成分——脂肪、蛋白质和不同类型的糖分子——而吸收的强度由资料的内部成分的浓度决议。依据由资料外表层反射光的强度和波长，也可以对资料进行定性剖析，而反射光的强度和波长由成分和外表自身的特点决议。
在某些状况下，当被外部能量源照亮时，资料可以发射出一个或多个共同波长的光。这些可以包含荧光分子或物质，而这些分子或物质存在于多种植物和动物体内。
许多光谱剖析运用中的一个常见特性便是需求快速取得剖析成果。现在，大多数光谱剖析仪器不是不太适合于现场环境，便是不适用于数据处理体系，比如计算机和其它精密体系，对便携性具有必定的约束。
一个将高功用实验室体系的精度与功用性和便携性组合在一起的体系将极大地进步近红外 (NIR) 光谱剖析作为强壮、实时剖析东西的功效。例如，咱们可以幻想一台具有实验室仪器的功用的、由电池供电的手持式光谱剖析仪。到时，许多现在无法支撑的运用都可以被完成。
传统光谱剖析办法
大多数色散红外(IR)光谱丈量在开端时都选用相同的丈量办法。将被剖析的光穿过一个小狭缝，它与操控仪器分辨率的光栅组合在一起。这个衍射光栅是一个专门规划用于以已知视点反射不同波长光的元件。这些波长的空间别离使得其它体系可以以波长为根底丈量光强度。
光谱丈量的传统架构的首要不同在于色散光的丈量办法。两个最常见的传统办法为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。
在榜首种办法中，来自光栅的色散光被聚集在单个探测器上。为了剖析多个波长上的功率，光栅(一般状况下如此)或许聚集元件有必要适当地旋转，以便将来自每个波长的光调理到探测器上。要履行扫描，与探测器相关的电子元器材有必要与光栅的运动同步，这样的话，测得的功率就与正确的波长相一致。这就要求机械旋转体系非常精确，并因而在体积方面变得非常巨大，而这也约束了这个办法在实验室之外的实用性。此外，为了完成高波长分辨率，这个办法需求小区域探测器。较小的探测器区域可以削减整体光收集，并因而下降了灵敏度。
在第二种办法中，衍射光栅和聚集方针的方位是固定的，而且色散光聚集在一个探测器的线性阵列上。因为这些波长在空间上被光栅阻隔开来，探测器阵列中的每个探测器收集小波长规模内的光，而作为离散波长函数的功率的取得办法与在数码相机进步行图画收集的办法相相似。这就免除了关于机械体系和精密同步电子元器材的需求。此外，这个办法运用与数码相机中所运用的算法相相似的图画处理算法，以最大极限地进步功用。可是，体系的波长分辨率取决于阵列中探测器元件的尺度和间隔;在这个阵列中，更小、摆放愈加严密的元件供给更高的分辨率。大多数近红外(NIR)波长灵敏的阵列探测器需求价格高且稀缺的资料;这些资料在多元件阵列装备中的非常贵重。因而，为了下降仪器本钱，阵列的分辨率一般较低，或许底子就不可用。为了进步功用，针对较高波长所规划的探测器需求冷却至环境温度以下，然后添加了对体系本钱、尺度和功率的要求，而这也不利于在实验室以外运用这个办法。
一个强壮的运用MEMS技能的新办法
可以运用一个具有单点探测器的依据光学微机电体系 (MEMS)阵列技能的全新办法来战胜传统光谱剖析办法的许多问题和约束。一个固态光学MEMS阵列用一个简略、空间波长滤波器替代了依据单点探测器的体系内的传统电动光栅。这个办法在消除精密操控电动体系问题的一起，运用了单点探测器的功用优势。近些年，此类体系现已被出产出来;在这些体系中，将每个特定波长过滤到单点探测器中的MEMS器材替代了扫描光栅。这个办法现已被证明，在完成愈加细巧且经用的光谱剖析仪的一起，可以发生出高功用。
相关于线性阵列探测器架构来说，光学MEMS阵列具有几个优势。首要，可以运用较大的单个元件探测器，这就添加了光收集，而且极大地下降了探测器的本钱和复杂度，特别是关于红外体系更是如此。此外，因为不再运用阵列探测器，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)功用的大幅进步。SNR功用的添加可以在更短的时刻内取得愈加精确的丈量值。
图1显现了一个运用MEMS技能的光谱剖析体系的一般作业原理。衍射光栅和聚集元件的功用不变， 不过来自聚集元件的光被成像在MEMS阵列上。为了挑选一个针对此剖析的波长，光谱呼应的一个特定波段被激活，以便将光引向用于光收集和丈量的单点探测器元件。
图1
这一优势可以完成的条件是MEMS器材自身是牢靠的，而且可以发生出可估计且在时刻与温度规模内稳定的滤波器呼应。
经过将一个数字微镜器材(DMD)用作一个空间光调制器，可以战胜在光谱剖析仪运用中选用MEMS时遇到的数个难题。首要，经过运用一个铝制MEMS微镜阵列，进入单点探测器的光被翻开和封闭;而铝这一原料在大规模的波长规模内光学有用。第二，数字MEMS的翻开和封闭状况由机械中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)单元的锁存电路操控，然后供给固定电压微镜操控。这就保证了这个体系不需求机械扫描和模仿操控环路，然后简化了分光镜体系的校准。它还使得体系关于温度、老化或颤动等差错源具有很强的按捺才能。
DMD的可编程特点具有许多优势;这些优势可以在依据一个可编程滤波器列的可寻址特点进行架构规划时完成。因为DMD的分辨率一般高于所需求的频谱，DMD区域会填充缺乏，而频谱会被过度采样。这就使得波长挑选彻底可编程，而且可以在光引擎呈现极度机械位移时的状况下，将额定的微镜用作从头校准列。
终究，DMD是一个二维的可编程阵列，然后为用户供给了高度的灵敏性。经过挑选不同数量的列，可以调理分辨率和数据吞吐量。扫描时刻可以动态改变，这样相关于那些不太重视的波长，关于感兴趣的波长可以进行时刻更长、愈加具体地查看，然后更好地运用仪器的处理时刻和功用。此外，与固定滤波器用具比较，比如哈达玛(Hadamard)图形运用等高档狭缝编码技能可完成高度灵敏性，而且进步功用。这就在仪器或处理进程中极大地下降了分光镜功用的完本钱钱。
总归，一个依据DMD的解决方案完成了一个比当时光谱剖析体系具有更高分辨率、更大灵敏性、更经久经用、外形尺度更小、本钱更低的分光器材，然后使它们关于愈加广泛的商业和工业运用具有极大吸引力。
功用
现在，依据线性阵列的光谱仪的功用首要遭到两方面要素的约束。首要，供给探测器的波长挑选遭到像素开口巨细的约束。常见铟镓砷 (InGaAs)256像素线性阵列的巨细，比如说Hamamatsu G9203-256，为50µm x 500µm，将决议收集到的光量，以及SNR的规模。相反地，如图2中所见，一个数字微镜阵列是一个彻底可编程矩阵，其间的列数和扫描技能可以针对许多运用进行装备。这使得较大信号可以呈现在一个一般与DMD一起运用的1mm x 2mm单点探测器上。在更大程度上，将窄波段光过滤到一般为50微米像素宽的线性阵列上，会呈现串扰问题。像素到像素搅扰会成为读数中噪声的首要原因。这些都可以由单探测器架构消除。此外，经过运用1kHz-4kHz之间的数字微镜扫描技能所具有的优势，单点扫描可以到达与并行多点采样相相似的驻留时刻。关于依据超小型、紧凑DLP MEMS的光谱仪引擎来说，测验成果现已显现SNR的规模大于10000:1。
图2
运用最小的、高分辨率2D MEMS阵列来完成超级移动光谱仪
为了尽或许地进步功用，用户需求考虑可被用来将光反射至探测器的整体MEMS面积。然后将这个数值与可用单点探测器开口尺度进行细心匹配。
最近，一个具有超越400000可用像素，选用5.4微米微镜的全新DMD针对700纳米至2500纳米之间的波长进行了优化。DLP2010NIR选用一个被称为TRP的全新像素架构。如图3中所见，这个像素供给一个有用的 +/- 17度歪斜。这个全新的微镜架构现已供给了一个以评价模块办法完成的共同光学架构。运用+/- 17度视点的光途径完成了细巧的高功用引擎，然后最大极限地削减了漫射光。
图3. TRP
为了运用户可以评价这一全新架构，这一共同光引擎的插图被制作出来(如图4中所示);这幅插图中也展示了将一个高效MEMS用作一个针对光谱剖析的高速2D滤波器所具有的悉数优势。它是一款紧凑、坚固经用且具有高度自适应性的体系，它可以使光谱剖析走出实验室，直接运用于现场丈量。很明显，这个架构的功用性和便携性经过细心规划得以完成。用同一个器材，经过交换丈量头端来履行不同丈量的功用可以完成相关于传统光谱仪的功用基准测验。
图4
为了进一步探求在这样小的型封装内完成如此高功用的具体原因，关于光途径的扼要概述会有所协助。如图4中所示，这个体系被规划用来优化整条光途径内的光信号的运用;这个优化从光的收集办法开端。
光经过输入开口上的一个狭缝进入体系。这个狭缝操控进入体系的光的物理尺度。在操控仪器的波长分辨率方面，狭缝的宽度是重要的考量要素。较小的狭缝会添加分辨率，可是会削减可用于丈量的光功率的数量。相关于传统办法，体系光功率的添加有助于抵消功率的削减，并因而添加完成相同丈量分辨率的可用光数量。此外，借助于依据DMD的体系，经过在每个波长上设定一个更长的探测器驻留时刻，可以对功率削减进行进一步补偿。
可选模块可被装置在用于透射、反射、以及依据光纤采样的狭缝的前面。例如，透射模块包含一个光源和一个光析管固定器;这个固定器用于放置随模块一起供给的光析管。依据丈量所需的波长规模可以挑选光源。然后，来自狭缝的准直光经过一个带通滤波器。这个滤波器约束了进入体系的波长规模，然后削减了来自环境或布景光源的噪声，而且约束了方针丈量所需求的波长规模。
德州仪器(TI)和Optecks公司现已在工程和规划范畴展开协作，开宣布数款其它照明模块。OTM(Optecks传输模块)包含一个光源、光析管固定器、高精度光析管和其它装置硬件，使得关于透射样本的吸收和散射特点的丈量愈加简略。NIR透射丈量现已被用于丈量液体样本的特点，比如果汁水含量，以及方针复合物是否存在，比如说气体签名。这些丈量值可以供给与果汁原产地相关的很多信息。在固态样本方面，它可以丈量塑料管的不透光度，而这个丈量值是调查气体和液体传输线路内流量的重要参数。线路内的透射丈量值也被用来丈量黄油在出产期间内的水含量，完成对黄油出产进程的及时调整，然后节省了时刻、最大极限地下降本钱，而且进步终究产品的质量。
OHPRM(Optecks高功用反射模块)还运用一个远心光学规划，以便将SNR进步到比规范反射模块的SNR高将近10倍。依据反射的光谱剖析现已被运用于奶酪成分剖析、肉品质量剖析，更是在近期被用于辨认乳制品内的微生物，以及在大型医院、药品出产和制作职业，以及酿制厂内辨认微生物。OHPRM的高SNR可完成愈加快速和精确的微生物辨认，在培育之后的只是2至3天里就可以发生精确成果，然后削减了采样与采纳正确操作之间的时刻。ONIRM(Optecks分侵入式反射模块)使得样本无需触摸光谱仪窗口的反射率丈量变得愈加简洁。这就使得用户可以在间隔模块几厘米远的当地灵敏地履行扫描操作。这样的功用可以完成对出售中的塑料包装肉品的质量监控。比如对皮肤进行漫反射丈量来猜测血糖的健康方面运用也可以在NIR区域内进行特性化剖析。
OFCM(Optecks光纤耦合模块)经过光纤供给透射或反射丈量。它可以在光谱仪与样本无法直触摸摸的状况下完成丈量。此类采样包含对工业进程的监控、丈量正在处理容器内进行管道运送的液体、丈量鸡肉、牛肉和猪肉内的水分、脂肪和蛋白质含量。因为这个体系的功用可以供给增强型丈量功用，这些模块极大地扩展了运用规模。
光谱剖析迈出实验室
DLP®NIRscan™ Nano 评价模块(EVM)的才能和功用性完成了运用光谱剖析的全新办法;在这办法中，实验室被带到了样本邻近，而不再是将样本送到实验室进行剖析。仪器的便携性，与其和多种器材进行长途对接的功用组合在一起，意味着可以在现场或许出产场所内进行重要丈量，乃至是在收割或处理前进行，以保证质量和成分契合运用规范或必要条件。
将NIRscan Nano EVM的功用与NIR光谱剖析的固有非侵入式特点组合在一起，完成了对动物活体进行剖析和丈量的或许性。例如，在剪羊毛前，可以确认山羊皮裘的纤维特性，这样的话就可以决议剪取的适宜长度。这款仪器可以带到现场来剖析食物的成熟度，以优化采摘操作，剖析谷物和其它农作物来检测健康状况和虫灾的或许性，剖析土壤成分，这样的话，就可以采纳及时有用的办法来进行正确的土壤办理和管理。
这个体系的巨细和紧凑性还使其可以被轻松地集成到整个出产或处理设备的多种食品质量操控监督体系中。NIRscan Nano光谱剖析体系也因而成为一个多用途和强壮东西;它将当时实验室体系的精确性与功用性和操控与运用的便携性与灵敏性组合在一起，或许它自身的精确度和功用性现已超越了现在的实验室体系，以便在现场履行及时丈量，这一组合有或许大大进步NIR光谱剖析在农业和食品职业运用范畴内的功效。
