[发明专利]基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器技术领域。具体讲，涉及基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪。

背景技术

近红外光谱(NIRS)是介于可见光和中红外之间的电磁辐射波段，根据美国材料检测协会(ASTM)的定义，NIRS的波长范围为780-2526nm。当一束具有连续波长的近红外光(NIR)照射物质，物质分子中的某个基团的振动频率或转动频率和NIR的频率一样时，物质分子会吸收对应频率NIR的能量，物质分子的振动能级或转动能级将由基态跃迁至某一激发态。根据物质分子对NIR的选择性吸收的现象，可以对物质的分子结构和分子组成进行分析，定性地获取物质的成分信息，并且，由于物质分子对NIR的吸收系数与物质分子的含量或浓度有关，可以实现对物质成分的定量分析，因此，形成了近红外光谱检测技术，可以广泛地用于物质成分检测领域。

近红外光谱检测技术主要是根据物质的近红外吸收光谱进行分析的，属于分子光谱的范畴。近红外吸收光谱记录了物质分子对不同频率的NIR的不同吸收系数，反映了物质分子的结构和组成，结合不断发展的化学计量学方法，可以通过对吸收光谱的数据建立数学模型，定量地分析物质成分含量信息。近红外光谱检测技术具有鲜明的特点，包括：对样品不接触、无损害，无需预处理、不污染环境，分析速度快、效率高、实时性好，设备简单、操作方便等。目前，近红外光谱检测技术在医学和药学、化学和材料科学、食品科学、环境保护、地质考古、刑侦鉴定等领域有着广泛的应用，提供了先进的分析和检测技术。

近红外光谱检测技术的实现载体是近红外光谱仪，随着技术的不断发展和进步，近红外光谱仪已经具有较高的检测水平，包括：较高的信噪比、较高的光谱分辨率、较高的稳定性和较高的精确度。然而，近红外光谱仪中狭缝的设置问题依然需要进一步解决，因为在使用近红外光谱仪的时候，需要考虑信噪比和光谱分辨率的权衡，较窄的狭缝，有利于分辨率的提高，但是，降低了近红外光束的光通量，限制了信噪比，因此，需要引入新的技术——虚拟狭缝技术，在较窄的狭缝时，增加光通量，提高信噪比，突破信噪比与光谱分辨率的相互限制。同时，近红外光谱仪的微型固化设计为近红外光谱仪的发展提供了新的思路，通过数字微镜元件DMD、固定衍射光栅和单点式探测器的组合，完成近红外光谱仪的分光检测任务，可以使得内部元器件固定且小型化，配以紧凑的光路设计，实现微型固化的特点，提高稳定性。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，增大狭缝处的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光谱分辨率之间的相互限制；实现微型固化，提高稳定性，为此，本发明采取的技术方案是，基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪，包括：狭缝(8)，准直透镜(9)，衍射光栅(10)，第四会聚透镜(11)，数字微镜元件DMD(12)，数字微镜元件控制器(13)，第五会聚透镜(14)，单点式探测器(15)，放大器(16)，模数转换器(ADC)(17)，计算机(18)；此外还包括采样模块，采样模块使用透射采样方式并包括：光源(1)，抛物面反射镜(2)，第一会聚透镜(3)、第二会聚透镜(4)，柱面会聚透镜(5)，样品池(6)，第三会聚透镜(7)；

由光源(1)产生近红外光束；

抛物面反射镜(2)对近红外光束进行离轴反射，产生平行光束；

第一会聚透镜(3)、第二会聚透镜(4)组合调节近红外光束的直径，与狭缝(8)高度相匹配；

柱面会聚透镜(5)将圆状近红外光束会聚成线状光束，与线状狭缝(8)相匹配，实现虚拟狭缝的设置，减小狭缝(8)对近红外光束的限制，增大狭缝(8)处近红外光束的光通量；

样品池(6)放置待测样品，收集透射近红外光束；

第三会聚透镜(7)将样品池(6)处的线状入射光斑成像在狭缝(8)处，样品池(6)和狭缝(8)呈物像共轭关系；

狭缝(8)限制近红外光束通过的尺寸；

准直透镜(9)对通过狭缝(8)的近红外光束进行准直；

衍射光栅(10)通过衍射作用对近红外光束进行分光；

第四会聚透镜(11)将经过衍射光栅(10)分光的近红外光束按不同波长入射到数字微镜元件DMD(12)微镜面的不同位置；

数字微镜元件DMD(12)对已分光的近红外光束进行谱面分割；

数字微镜元件控制器(13)通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD(12)各个微镜的偏转；