一种基于数字光处理技术的便携式液体食物近红外光谱分析仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及食品添加剂检测技术领域，具体涉及一种基于数字光处理技术的便携 式液体食物近红外光谱分析仪。
【背景技术】
[0002] 防腐剂是各种流体食物(如果汁、酒、乳制品）中常用的食品添加剂，可有效延长含 水量较高的流体食物的保质期。其中苯甲酸类防腐剂在国内食品加工业中尤为常见。流体 食物中过量的苯甲酸类防腐剂容易引发严重过的中毒现象，因此，苯甲酸含量是食品检测 中一个重要的检测项目。现常用近红外光谱仪检测食物中防腐剂的含量。
[0003] 近红外光（Near Infrared，NIR)是介于可见光（VIS)和中红外（MIR)之间的电磁 辐射波，美国材料检测协会（ASTM)将近红外光谱区定义为780~2526nm的区域，是人们 在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。近红外光谱区与有机分子中含氢基团（〇H、NH、CH) 振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机 分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确 和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，近红外光谱仪已广泛应用 于农产业、石化产品、临床诊断、环境检测等领域。
[0004] 在食品工业中，近红外光谱仪很多时候用于携带到现场进行分析，因此需要体积 小巧、方便携带的近红外光谱仪，现有的便携式近红外光谱仪的种类有很多，根据光路结 构不同可分为：滤光片型、光栅型、傅里叶变换型、基于数字微镜元件（DMD)的微机电系统 (MEMS)型。
[0005] Zeltex公司的ZX-50系列手持式近红外粮食分析仪是滤光片型的典型代表，其 缺点是波长数目有限，准确度和精度不高。
[0006] 南京中地仪器的ZDJIPB-I近红外光谱仪是光栅扫描型光谱仪的典型代表，但因 有移动部件导致仪器的抗震性差，扫描速度相对较慢。
[0007] 傅里叶变换型光谱仪的光通量大、分辨率高，但抗震性差，很难做成便携式仪器。
[0008] DLP是"Digital Light Procession"的缩写，B卩为数字光处理，也就是说这种技术 要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI (美国德州仪器)公司开 发的数字微镜元件-DMD (Digital Micromirror Device)来完成可视数字信息显示的 技术。使用数字微镜元件（DMD)进行光谱选择的仪器以低成本的数字微镜元件（DMD)芯 片和单点探测器代替光栅阵列型光谱仪中的线阵列探测器，成本大为降低，仪器结构简单， 制作容易，以不同的组合(阿达玛模板）选通多列微镜实现阿达玛变换，信噪比较不使用变 换大大提升。波长精度〇. 6nm，仪器经过各种工业现场试验，稳定性较好，但是受单个探测 器性能的限制，其对微弱光谱的探测能力有限。为解决这一问题，申请号为2014101058442 的中国发明专利申请提供了一种近红外光谱仪，包括光源、抛物面反射镜、闪耀光栅、数字 微镜器件、线性探测器、单光子探测器、光谱信息处理系统；所述光源设置在抛物面反射镜 的焦点处，光源经抛物面反射镜准直后投射样品中，未被吸收的光经闪耀光栅在一级闪耀 角上分开成单色平行光投射到数字微镜器件上；数字微镜器件中的微镜产生+ 12°和一 12°的偏转，将单色平行光分别反射到线性探测器和单光子探测器上；光谱信息处理系统 对线性探测器和单光子探测器接收的光谱信息进行融合、阿达玛变换处理，得到原始光谱 信号的光谱强度。为提高检测精度，其光源需为点光源，但受限于检测仪的体积，现有的点 光源强度难以满足流体食物检测的需求（因流体食物浊度较高，且常悬浮用果胶、蛋白质等 高分子物质，将干扰光线在样品中的传递，使光线减弱，进而使进入闪耀光栅的光信号强度 不足)。矩阵式LED能耗低而可以被制作为较小的体积，且足够多的LED可以提供满足测试 需求的光强。但过多的LED芯片组成的光源其面积较大，无法形成点光源。采用可作为点 光源的激光发生器作为光源时，其较高的耗能以及智能产生单色光的性质将使近红外光谱 仪体积无法得到控制。
[0009] 如何克服上述现有技术的不足已成为现有光电分析领域亟待解决的重点难题。
【发明内容】
[0010] 有鉴于此，本发明公开一种高精度、便携的近红外光谱仪。
[0011] 本发明的目的通过以下技术方案实现： 一种基于数字光处理技术的便携式液体食物近红外光谱分析仪，包括LED光源组件、 反光镜、闪耀光栅、数字微镜组件、单光子探测器、线性探测器以及光谱信息处理系统，所述 光谱信息处理系统与所述数字微镜组件、单光子探测器、线性探测器通信连接；所述LED光 源组件包括散热基板、覆盖在散热基板上的线路板以及安装于线路板上的多个LED芯片； 所述线路板表面覆盖有遮光层；所述反光镜为抛物面反光镜，所述LED光源组件设置在抛 物面反光镜的焦点处。
[0012] 所述光源组件还可以采用下述封装结构，该封装结构包括载体，该载体上设有型 腔，该型腔底部设有所述线路板和LED芯片，该型腔内填充有热隔离材料，该型腔表面设有 荧光粉层；该荧光粉层包括有机红色荧光粉层与YAG荧光粉层，该有机红色荧光粉层层叠 在荧光粉层上。该YAG荧光粉层由YAG荧光粉制成，且该YAG荧光粉为YAG黄色荧光粉或 YAG绿色荧光粉。该热隔离材料可以是硅胶或其他同时具有很好热隔离效果和透光率的材 料，以保证荧光粉的高量子效率。在本实施例中，均采用硅胶作为热隔离材料。有机红色荧 光粉层与YAG荧光粉层均为单层，且均为长形薄膜，该有机红色荧光粉层层叠在YAG荧光 粉层上形成双层膜结构。上述技术不但能提高白光LED的高显色指数，同时能保证发光效 率低衰减，从而保证良好的发光效率。本技术在于跳出传统白光LED中无机红色荧光粉发 光效率低的局限而使用有机红色荧光粉，因有机发光材料具备分子设计灵活、种类繁多、结 构和光谱易控、更宽的发光颜色选择、发光效率高、易于大面积成膜、成本低、工艺简单等一 系列优势。这些优势使得有机红色荧光粉在材料本身的制备和改进方面具有很大的优势， 能够为白光LED提供更高的显色指数的同时保证高发光效率。另外，本技术可以使用于不 同的远场封装形式或热隔离封装形式，以保证荧光粉的高量子转换效率同时实现白光LED 的高显色指数及长寿命。
[0013] 进一步的，所述数字微镜器件中的微镜可±12°旋转；所述单光子探测器与微镜 + 12°旋转时的反射光处于同一直线上；所述线性探测器与微镜负12°旋转时的反射光 处于同一直线上；所述单光子探测器为单光子雪崩二极管探测器；所述线性探测器为硫化 铅光电探测器。所述光谱信息处理系统为德州仪器所产的DLP 4500 NIR芯片组 更进一步的，本发明选用DLP 4500 NIR芯片组作为所述光谱信息处理系统，这是一款 优化用于近红外光技术的DLP芯片组。可支持快速、可编程模式速率，以及通过使用可靠的 本发明的数字微镜器件的反射微电机械系统（MEMS)微镜技术完成数字切换，并对所述线 性探测器及单光子探测器的数据进行手机和处理，形成光谱结果。同时，该芯片组可满足本 发明所需提供工厂及现场使用的高性能、经济的近红外光谱仪的各式需求。
[0014] 同时，上述芯片组可借助现有的SDK工具包，将所述数字微镜器件（DMD)技术与摄 像机、传感器、汽车或其他外围设备整合，从而轻松实现3D点云的构建。SDK的主要优势在 于能快速实现可编程模式速率，及使用可靠的反射MEMS微镜技术完成数字切换。
[0015] 所述LED光源组件还包括设置在LED芯片外侧的聚光透镜；所述聚光透镜包括覆 盖在LED芯片外侧的透明圆锥体；所述透明圆锥体侧面包裹有遮光层，遮光层的高度低于 圆锥体顶部的高度。所述聚光透镜为高透光聚碳酸酯材