近红外无创生化分析中高效双复合抛物面聚光系统设计

近红外无创生化分析中,要获得准确的血液生化成分信息,需要非常高的系统信噪比。为提高分析系统的信噪比,开展了以增大系统光能利用率为目标的高效双复合抛物面聚光(DCPC)系统研究。首先,针对近红外无创生化分析中光学系统集光要求,研究了复合抛物面聚光器(CPC)出射光特点,确定出一级CPC最大聚光角范围。然后,通过比较标准型和截短型DCPC光能利用率变化,优化出最佳结构参数。最后,结合皮肤组织光学参数,计算了入射光波长为1 000nm时,DCPC系统、CPC-聚焦反射镜系统以及无光学收集系统的光能利用率。结果显示,三种系统的光能利用率分别为1.46%,0.84%,0.26%。设计的DCPC系统增强了对人体漫反射光的收集能力,可有效提高无创生化分析系统的信噪比及整体分析精度。     

基于FPGA的无创伤血液成分光谱采集系统设计

血液成分检测是健康诊断的重要手段,常规的血液成分检测采用抽血的方法,不仅给病人带来痛苦,还存在交叉感染的风险。近红外光谱技术是无创伤血液成分检测中的研究热点。为满足近红外无创伤血液成分检测仪器对其光谱数据采集系统提出的高速、多通道和高信噪比的要求,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速、多通道光谱数据采集系统。该系统采用Altera公司Cyclone IV系列的FPGA芯片作为其微控制器,控制两片8通道的A/D芯片并行采集16通道的人体血液脉搏波光谱信号,采集到的数据在FPGA的控制下首先缓存在FPGA内部建立的乒乓RAM中,然后转存至外部SRAM芯片中,最后经USB总线传输至计算机。实验结果表明,在19 531 Hz的采样频率下,该系统能够高速并行采集16个通道的信号,重复性信噪比可达40 000∶1。此外,在该采样率下,系统可以采集到高信噪比的人体血液脉搏波信号,采集速度能够达到每秒305幅光谱图。该系统满足近红外无创伤血液成分检测仪器对于光谱数据采集系统的基本要求。该研究的主要创新点为将FPGA应用于近红外无创伤血液成分检测仪器的数据采集系统中,FPGA能够同时控制两片AD芯片进行16路人体血液脉搏波数据的高速并行采集,解决了单片机作为微控制器时无法实现多通道大量数据高速采集和储存的问题,使仪器的采集速度大大加快;同时使用FPGA内部资源建立乒乓RAM进行数据的缓冲,实现了不同位数数据从AD芯片到SRAM芯片的无缝连续传输。     

拉曼直角反射共焦腔检测空气中二氧化碳

拉曼光谱作为一种激发光谱,采用激光作为激发光源,在气体检测中可以激发所有气体分子的拉曼信号。由于气体的分子密度低、透光度高、拉曼散射截面小,导致激发光能量的利用效率低;拉曼信号散射向四周立体空间而常规收集方法只能收集较小的空间立体角,从而造成检测限较差而不能广泛应用于气体的检测。提出了一种拉曼直角反射共焦腔用来提高气体等透明样品的拉曼检测的检测灵敏度。拉曼直角反射共焦腔利用直角反射镜将入射光反射回原方向但是光路具有空间偏移的特点,采用两个相对放置、互相平行的直角反射镜,将光束直径为0.7 mm的激光在工作直径为25.4 mm的共焦腔内10次来回反射,并采用共焦点相对放置的两个透镜将激发光聚焦到焦点,从而提高激发光能量的使用效率。拉曼散射向激光传输方向的信号被直角反射镜反射向原方向,经过透镜聚焦到焦点后和拉曼散射向激光入射方向的信号一起经过长通滤光片后传输向拉曼光谱仪,从而提高了拉曼散射信号的收集效率。以空气作为测试对象进行实验, 300 s内可以获得清晰的CO_2的拉曼光谱和N_2, O_2的精细拉曼光谱并对其强度比进行了分析,其中N_2的2 332 cm~(-1), O_2的1 557 cm~(-1), CO_2的1 388 cm~(-1)的拉曼峰的峰高比是785∶257∶1。拉曼直角反射共焦腔在常规拉曼散射激发收集光路的基础上增加了两个直角反射镜和一个聚焦镜,具有体积小,结构简单,易于调节的特点。拉曼散射向周围空间的信号强度分布与入射光的入射方向有关,在沿入射光方向及其相反方向散射信号强度最大,拉曼直角反射共焦腔设计的收集散射信号的角度与散射信号强度分布最强方向一致,并且利用了光学景深的优势,最大化的提高了拉曼散射信号收集效率。拉曼直角反射镜腔可以拓展拉曼光谱技术在气体检测中的应用,例如用于气相化学反应的原位监控、发动机燃烧过程及排放物检测、未知污染物气体分析等气体成分复杂的领域。     

用于材料高温光学参数测量的半椭球反射镜光机特性分析

为提升材料高温光学参数测量设备的光能利用率以及在待测样品表面获得更高的辐照度,将半椭球反射镜应用于该设备中。首先介绍材料高温光学参数测量设备以及半椭球反射镜在该设备中的作用,然后利用光线追迹和有限元分析的方法对半椭球反射镜的光学特性和面形变化分别进行分析,接着对半椭球反射镜在30℃下的面形变化对其光学特性的影响进行研究,最后通过三坐标测量仪对半椭球反射镜内表面的面形进行测量,并对仿真结果进行验证。实验结果表明:30℃下,半椭球反射镜去除椭球形变之后的形变量均方根(RMS)为2.15μm,使用Φ15 mm黑体辐射源所获得的辐照均匀度为61%,能量利用率为7.6%,利用三坐标测量仪检测得到的RMS为5.75μm。本研究为测量材料高温光学参数提供了一种新的思路。     

基于近红外超连续激光光谱的水稻种子活力无损分级检测研究

针对目前农业种植选种应用对于带稃壳水稻种子活力分级检测的迫切需求,以及现有通用的糙米检测技术存在的问题,本文提出一种基于近红外超连续激光光谱的水稻种子活力透射光谱检测方法。首先,设计了种子活力近红外吸收光谱检测系统,测量了3种不同年份的带稃壳的水稻种子的近红外吸收光谱,结果显示,水稻种子的活力梯度与近红外吸收光谱的特征吸收峰值相关。然后,采用归一化、二阶导数校正法和正交信号校正相结合优化了种子光谱的预处理算法。最后,建立主成分分析(PCA)模型,对光谱进行降维,确定最佳主成分数目,应用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)建立了水稻种子活力分析鉴别模型。分析结果表明,本文设计的透射式吸收光谱检测系统结合PLS-DA判别模型可对不同活力的水稻种子进行分类,校正集和验证集的准确率分别为94.44%和95.92%,筛选后水稻种子的发芽率可达97.17%。研究结果表明,本文提出的基于近红外光谱信息实现水稻种子活力无损分级的方法可行,且具有较高的预测精度。     

近红外等效光谱测量方法研究

便携式近红外光谱仪器测量低反射率或透过率样品的漫反射率或透过率光谱时,由于仪器噪声的影响,光谱数据小、信噪比低,即使采用降噪数据处理,所得光谱数据仍无法满足分析精度的要求。因此研究了近红外等效光谱测量方法：根据低反射率或透过率样品在常规测量条件下反射信号的强度,增大仪器测量时光源电流以增大样品扫描信号、减小参比反射或透射光强以避免参比信号超量程,并计算得与常规测量方法相同的等效光谱,以提高样品近红外反射率或透过率光谱数据的信噪比。理论分析和实验结果表明采用近红外等效光谱测量方法,可获得与常规测量方法的光谱数据相同、且信噪比增大的等效光谱。     

基于LabVIEW的动态光谱光电脉搏波信号提取的快速算法

在众多近红外光谱检测方法中,动态光谱法以能消除检测中个体差异和测量条件的影响而备受研究者的青睐。动态光谱提取自光电容积脉搏波,是与动脉血液信息高度相关的近红外光谱,可应用于动脉血液成分的无创检测,具有很好的临床应用价值。高精度和高速度是动态光谱检测的核心问题。应用过采样和数字锁相检测技术能提高动态光谱法中光电脉搏波信号的检测精度,文章对此进行了理论推导。同时,为了克服过采样导致的大数据量和锁相放大要求的大运算量等困难,提出了基于LabVIEW的快速算法和通过外部接口调用C语言的方法应用于动态光谱光电脉搏波的提取,并在LabVIEW环境下进行实验验证。结果表明,该方法不但提高了运算速度,还大大缩小了数据的存储量。     

近红外光谱检测技术及其在林业中的应用

近红外光谱是20 世纪80 年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术。文章介绍了近红外光谱技术的发展历程和在国外的应用概况,重点列举了近红外光谱在林业中的成功应用实例。资料表明, 近红外光谱以其快速、无损伤、操作简单、稳定性好、效率高等特点,在国外的水果品质检测、木材性质检测和林业育种中的应用已成为一个活跃的研究领域。而近红外光谱技术在我国林业上的研究和应用则刚刚起步,因此本文对国内外利用近红外光谱技术在林业上的应用作一综述,并对近红外检测技术在林业上的应用进行了展望,以推动近红外光谱技术在我国林业科技和生产中的应用。     

不同傅里叶近红外仪器间(积分球漫反射测量)的模型传递及误差分析

模型传递是近红外光谱分析技术中一个关键的共性基础技术问题,通过在同一工作原理的两台仪器之间寻求可行的数学方法, 使得在一台仪器上建立的模型能够应用于另外一台仪器样品光谱响应的预测,对近红外技术的实际应用具有重要意义。以150份烤烟作为试验样品,以两台布鲁克公司MPA近红外光谱仪,一台热电公司Antaris近红外光谱仪作为研究对象,通过积分球漫反射检测技术获得光谱数据。采用一阶导数(first-order derivative,1st Der)和标准正态变量变换(standard normal variate, SNV)对光谱数据进行处理分析,计算不同仪器间光谱的残差值、残差一阶矩、残差信号概率密度和最大信噪比等参数,并采用偏最小二乘法(partial least squares, PLS)建立烤烟总糖含量数学模型,检验模型传递效果。结果表明,一阶导数具有降低残差一阶矩,将仪器偏差信号转换为标准高斯分布的优点,但同时会降低信噪比。标准正态变量变换同样可以降低一阶矩,同时可大幅度提高信噪比,但无法将仪器偏差信号转换为标准高斯分布,需要进一步的信号处理。一阶导数与SNV相结合可保留两种方法的优点,同时在一定程度上弥补每种方法单独处理的缺点,是一种可以消除以积分球漫反射作为光谱测量方式的因仪器厂家或型号不同、使用年限不同等原因所产生的噪声的处理方法,可实现傅里叶型近红外光谱仪之间的模型传递效果的明显改善。     

近红外光谱分析技术及其在烟草行业中的应用

简要介绍了近红外光谱分析技术的特点和仪器,对近年来近红外技术在烟草行业中的应用和发展进行了较详细的综述,认为近红外光谱分析技术在烟草行业中正扮演着越来越重要的角色,而且具有十分广阔的应用前景.     

近红外光谱技术用于无创生化检验研究的进展

20世纪90年代初,近红外光谱技术在人体无创生化检验方面的潜力逐渐获得重视。然而,人体是一个极其复杂多变的检测对象,因此虽然各研究小组在实验模拟和离体分析方面取得了一定成果,但在临床应用上始终没有实质性突破。文章讨论了目前阻碍近红外光谱技术实现临床意义上的人体无创生化检验的关键问题,即信号微弱、组织背景干扰、血流容积变化问题。将国际上现有的近红外无创生化检验研究工作的思路按照分析方法大致归为两类,即经典近红外分析法和扣除组织背景干扰分析法。详细介绍了这两类研究思路各自的研究现状,并认为在现有条件下第二类思路更有希望取得临床可以应用的结果。     

光固化成型中紫外光源-光纤耦合研究

CPS(Compact Prototyping System)光固化成型系统中,以紫外灯作为光源,通过光纤传输紫外光到液面,进行扫描成型.光源通过椭球反射镜集光,在焦点处与光纤耦合,提高了光源-光纤的耦合效率,在实际的光源-光纤耦合中,光纤的装配存在着角度误差、离焦误差、离轴误差三种形式,这些误差影响传输光束的传输效率.在光纤的输出端,聚焦透镜将紫外光汇聚,光斑尺寸更小,能量更加集中.CPS成型机中使用的紫外光的能量并不是均匀分布的,光斑的中心能量高,边缘能量低,不同的能量分布影响树脂固化的形貌和质量.     

基于近红外光谱技术的秸秆工业分析

工业分析是生物质热化学工程技术中的一项常规应用分析。文章探讨了近红外光谱技术(NIRS)在秸秆工业组成分析上的应用,并利用近红外光谱技术预测了秸秆中挥发分和固定碳含量。利用Foss 6500光栅型近红外光谱仪在1 108～2 492 nm光谱范围内分别对直接切短秸秆样品中水分、灰分、挥发分和固定碳以及干燥粉碎样品中灰分、挥发分和固定碳的近红外光谱建立了预测模型。对于直接切短秸秆样品,水分、灰分、挥发分和固定碳校正模型外部验证的R2_V(SEP)分别为0.92(0.76%),0.94(0.84%),0.88(0.82%)和0.75(0.65%)。干燥粉碎样品中灰分、挥发分和固定碳的近红外光谱模型外部验证的R2_V(SEP)分别为0.98(0.54%),0.95(0.57%)和0.78(0.61%)。实验结果表明,近红外光谱技术能实现秸秆的快速分析和多组分同时测定, 从而可降低秸秆工业分析的成本。     

高均匀低眩光LED台灯配光设计及仿真分析

市场上的节能台灯普遍存在光效低、亮度不均匀、眩光较严重的缺点,以改善这些缺点作为出发点,设计了一款高均匀低眩光的LED护眼台灯.设计加入非球面反光杯灯罩来收集LED光源发出的大角度光线,提高了光能的利用率并改善了眩光.加入配光透镜消除接受平面存在的中心亮斑,解决了均匀照明问题.通过ProE三维设计软件进行实体建模,导入TracePro进行光线模拟和仿真分析,结果表明这一LED台灯配光设计可在工作距离为450 mm、直径为700 mm的接收面内实现低眩光高均匀照明,平均照度可达497.1 lx,平均度达到0.9左右.这一高均匀低眩光LED护眼台灯的设计方案有着广阔的实际应用前景.     

利用外接CO_2激光源的中红外ATR光谱仪原位无创探测人体血糖浓度

糖尿病是一种严重威胁人类健康的疾病,取血检测人体血糖浓度造成病患痛苦甚至感染。因此人体血糖浓度的无创检测技术在糖尿病的临床诊断、监测和治疗上具有重要的意义,也是一个具有挑战性的热点研究课题。在目前报道的各种测试方法中,中红外光谱测试技术受到了广泛重视。利用常规光源的中红外ATR光谱仪进行无创血糖检测时,由于探测光在人体组织中穿透深度低,难以到达含有体液的间质层乃至含有血液信息的真皮层,结果导致测试数据与人体实际血糖浓度的相关性差,限制了临床应用。考虑到高强、高纯的中红外激光在人体组织中具有较深的穿透深度,且CO2激光器的1 035cm-1的发射光非常接近葡萄糖在1 029cm-1处的基频特征吸收峰,因此本文使用外接CO2激光器作为中红外ATR光谱仪的自定义外接光源,组装了新型中红外测试系统。利用此设备,测试了人手指在1 035cm-1激光辐照下的吸光度,同时利用普通光源扫描了人手指的中红外吸收光谱,记录其在1 492cm-1的吸光度。利用常规医学方法测定了人体实际血糖值。结果显示,人手指处受1 035cm-1激光辐照的吸光度与常规光源的红外光谱中1 492cm-1处吸光度的相对强度与人体血糖浓度同步改变,两波数处吸光度的比值与人体实际血糖浓度具有一定的正相关性(R=0.812 5)。测量结果可作为人体血糖值的一个新型指标,显示了外接CO2激光源的中红外ATR光谱仪在无创探测人体血糖浓度方面的临床诊断潜力。     

猪肉组织色素浓度的近红外无损检测

基于血红蛋白、肌红蛋白等色素在近红外波段的吸收谱,采用近红外光谱(NIRS)技术,通过检测出射光相对入射光的衰减,可解算生物组织中上述色素的浓度。基于稳态空间分辨的NIRS研发了可检测组织中色素浓度的装置,该装置的传感器包括一个可发射3个不同波长的LED光源,以及与LED位于同一直线上且距离分别为30和40 mm的２个检测器。用该装置检测了2块猪肉组织(分别为新鲜的猪背长肌和股直肌)的色素浓度,结果表明,背长肌和股直肌中血红蛋白、肌红蛋白等色素的总浓度分别为(6.42±1.51)μmol·L-1和(15.48±4.54)μmol·L-1,接近于现有报道的经验值。在无损、实时、直接、简便检测猪肉组织的色素浓度方面,上述NIRS方法及装置是可信的。     

Improving the efficiency of thin film tandem solar cells by plasmonic intermediate reflectors

Thin film tandem solar cells made of amorphous and microcrystalline silicon provide renewable energy at the benefit of low material consumption. As a drawback, these materials do not posses the high carrier mobilities of their crystalline counterpart which limits the feasible material thickness. For maintaining the light absorption as high as possible, photon management is required. Here we show that metallic nanodiscs that sustain localized plasmon polaritons can increase the efficiency of such solar cells if they are incorporated into the dielectric intermediate reflector separating the top and the bottom cell. We provide quantitative estimates for the possible absorption enhancement of optimized bi-periodic nanodiscs that are feasible for fabrication. Emphasis is also put on discussing the impact of obliquely incident sun light on the solar cell performance.     

Dielectric/metal/dielectric selective reflector for improved energy efficiency of building integrated bifacial c-Si photovoltaic modules

Crystalline silicon bifacial photovoltaic modules (BFPVs), which simultaneously harvest the front- and rear-incident light, are suitable for building-integrated energy harvesting system due to their high power output and transparency. However, the lack of a rear reflector in semi-transparent BFPVs lowers their efficiency. In this study, we proposed a selective reflector (SR) with a dielectric/metal/dielectric structure to increase the power output of BFPVs and ensure a clear view through the BFPV windows. The SRs exhibit a high transmittance in the visible-light region and a high reflectance in the near-infrared (NIR)-light region. By recycling unabsorbed photons by SR, the power output of the SR-incorporated BFPVs is 13.2% higher than that of the BFPVs with bare glass. Moreover, the SR prevents the heating of the interior of buildings by reflecting the NIR light. Hence, the SR can contribute to energy efficiency of buildings.     

Modeling of an electrohydraulic lithotripter with the KZK equation.

The acoustic pressure field of an electrohydraulic extracorporeal shock wave lithotripter is modeled with a nonlinear parabolic wave equation (the KZK equation). The model accounts for diffraction, nonlinearity, and thermoviscous absorption. A numerical algorithm for solving the KZK equation in the time domain is used to model sound propagation from the mouth of the ellipsoidal reflector of the lithotripter. Propagation within the reflector is modeled with geometrical acoustics. It is shown that nonlinear distortion within the ellipsoidal reflector can play an important role for certain parameters. Calculated waveforms are compared with waveforms measured in a clinical lithotripter and good agreement is found. It is shown that the spatial location of the maximum negative pressure occurs pre-focally which suggests that the strongest cavitation activity will also be in front of the focus. Propagation of shock waves from a lithotripter with a pressure release reflector is considered and because of nonlinear propagation the focal waveform is not the inverse of the rigid reflector. Results from propagation through tissue are presented; waveforms are similar to those predicted in water except that the higher absorption in the tissue decreases the peak amplitude and lengthens the rise time of the shock.