中紅外指紋區成像儀
用于中遠紅外分子指紋區的微型高光譜成像儀
什么是指紋區域
目前可用的電磁源、光譜色散器件和探測器使在電磁波譜可見到近紅外部分的低成本便攜式光譜儀設備的開發成為可能。盡管已經報道了一些應用，但在電磁波譜區域內的有機成分識別是非常具有挑戰性的，因為它對應于分子伸縮振動能級的泛音帶。因此，該地區有機化合物的光譜特征往往不清楚，很難準確區分復雜混合物的各個成分。準確識別樣品成分的理想方法是通過光譜中所謂的“指紋”區域的光譜，即基本分子能量帶所在的區域。
指紋區域位于大約7 m 和20 m（500cm -1 至1450cm -1）之間，稱為中遠紅外（MIR），可用于區別不同化合物結構上的微小差異。猶如人的指紋，故稱為指紋區。指紋區的紅外吸收光譜很復雜，能反映分子結構的細微變化。這個區域的振動類型復雜而且重疊，特征性差，但對分子結構的變化高度敏感，只要分子結構上有微小的變化，都會引起這部分光譜的明顯改變。
圖通過顯示在指紋區域典型有機化合物的吸收特征，而圖中左側所示的近紅外諧波區域則沒有這種特征。
紅外光譜指紋區的特點：
l 多峰性
l 峰特征性
l 峰移動性
l 精細性
紅外指紋成像光譜儀
INO 在MEMS 開發方面的背景使其在開發在紅外指紋光譜區域的微型成像光譜儀器方面處于優勢地位。這主要歸功于INO 作為微測輻射熱計傳感器發展的****者的地位。與傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）中使用的制冷紅外成像陣列相比，微測輻射熱計傳感器非制冷，體積小， 價格便宜，是小型化，低成本紅外光譜成像系統的理想選擇。此外，INO 開發了一種在微測輻射熱計陣列像素上沉積金黑寬帶吸收體的工藝。
與標準測輻射熱計吸光度相比，金黑吸收器將測輻射熱計的吸光度提高了兩倍，因此靈敏度提高了2 倍。金 - 黑吸收體還允許****的**長吸收范圍：從電磁波譜的可見光到太赫茲區域。
由于幾種微機電“MEMS”技術的融合，光譜學世界正在經歷**。 MEMS 微測輻射熱計陣列與MEMS 掃描法布里 - 珀l啰干涉儀和小型化成像透鏡的集成使得能夠創建小型，低成本的高光譜成像儀器，可以在電磁頻譜的紅外“指紋”區域工作。到目前為止，這主要是大型，昂貴的基于傅立葉變換干涉儀（FTIR）的儀器領域。這些儀器通常**于實驗室環境，由經過培訓的專家操作。小型、低成本的成像光譜儀的出現將極大地減少這些設備進入的障礙，使得這些技術在實驗室外得到更廣泛的應用。隨后，在農業和食品質量，先進制造業，生物醫學，國防和**等領域設想開發一系列新應用。
中遠紅外相機MICROXCAM-384i-HS
INO 基于超寬波段微測輻射熱計傳感器技術的優勢，*近開發出專門為紅外指紋區域設計的小型化光譜成像相機（下圖）。該系統的核心是INO 的384×288 像素微測輻射熱計陣列，配備金黑吸收體，可實現所有紅外波長的高靈敏度成像。該傳感器插入INO MICROXCAM 攝像頭內核。這種微測輻射熱計傳感器與MEMS 掃描法布里 - 珀啰干涉儀（FPI）和微型成像鏡頭耦合，可在FPI 的自由光譜范圍內進行光譜成像。 FPI + 鏡頭組件是一個模塊化系統，顯示為附著在金屬色MICROXCAM 攝像機內核前部的黑色組件。 FPI + 鏡頭模塊可以輕松更換另一個具有不同FPI 的鏡頭模塊，在保持相機核心模塊不變下，從而允許不同的光譜范圍。
為指紋區域光譜設計的基線配置具有8 至11 m 的光譜范圍，光譜分辨率范圍為130nm（8 m） 至220nm（11 m）。在3.8-5.0 m 范圍內的較低波長下不同FPI 模塊也可用。如果有特定應用，也可以在其他紅外光譜波長下制造FPIs。
MICROXCAM-384i-HS 適用于光譜應用的開發人員。它作為開發套件提供，包括驅動器電子器件和數據采集軟件。MICROXCAM-384i-HS 是一種在整個中遠紅外（MIR）光譜范圍內操作的高光譜成像儀，也稱為分子指紋區，其中化合物可以比VIS-NIR 范圍更好地進行區分。MICROXCAM-384i-HS 由可調法布里- 珀啰干涉儀（FPI），光學鏡頭和非制冷紅外相機組成。高光譜數據是通過獲取不同波長的空間二維圖像獲得的。FPI 是一種微電子機械系統，通過提供一個簡單的電壓應用程序控制波長。憑借其獨特的寬帶檢測器技術，MICROXCAM-384i-HS 可以在單個模塊化組件中通過更換含FPI 的光學模塊來選擇不同的光譜范圍。
MICROXCAM-384i-HS開發套件
INO 為MICROXCAM-384i-HS 成像光譜儀設計了一套開發工具包，以方便*終用戶開發和測試紅外成像應用。除了光譜成像相機之外，開發套件還包括一個紅外光源和一個樣品架，用于允許用戶進行反射模式光譜成像測量。在所提供的開發套件配置中（下圖），熱源為樣品的1.5 英寸直徑區域提供照明。相機與樣品距離為80 mm 時，相當于一個40 像素直徑的圖像，每個像素對應一個0.9 mm 樣本的空間分辨率。因此，與當前由成像FTIR 系統提供的小樣本成像區域不同， 該系統可以測量“宏觀”尺寸的光譜圖像。這可能證明在雜質檢測等應用中非常有用。在典型的工作條件下，該系統可實現接近1280 的信噪比。
圖為用于反射模式光譜成像測量的開發套件照相機源樣本配置
采集軟件
基于LabVIEW 的用戶友好軟件允許在選定位置可視化紅外圖像和光譜（如下圖）。光譜測量數據存儲在文本文件格式中，可以通過光譜分析軟件輕松導入。
成像的優點
光譜測量的精度很大程度上取決于光譜儀的性能規格。通常，高信噪比和足夠的光譜分辨率及光譜范圍對于**確定樣品的組成非常重要。但事實并非如此：通過光譜手段進行樣品化合物鑒定的限制因素往往是樣品的均一性。對于單點（即非成像）光譜儀而言，這意味著整個被采樣的區域必須由均勻的樣品組成，否則來自相鄰化合物的不同光譜會混淆所得測量結果，在樣本區域上獲取其光譜圖像是避免此問題的一種方法。
在指紋區域，大部分實驗室FTIR 儀器通常使用配有昂貴的冷卻紅外探測器陣列和成像附件。但是，除了體積龐大且價格昂貴之外，這些支持成像的FTIR 儀器只能在平方毫米數量級的小表面積上進行成像。因此能夠在更大的樣本區域成像的光譜成像儀器，即宏觀成像，可以證明是非常有吸引力的。例如，對一系列樣品進行同時檢測等，其在工業或食品質量上的檢測應用是具有較大潛力的。
用于中遠紅外分子指紋區的微型高光譜成像儀MICROXCAM-384i-HS的優勢
l 體積小，小型化，便于攜帶
l 設備操作簡單易懂
l 可更換FPI的鏡頭模塊
l 可大區域樣品成像
l 測試速度快
l 重復性好
l 波長范圍長（3-11 m）
l 高靈敏度成像
l 高信噪比
l 多功能成熟的采集軟件，可輕松將數據導入其他光譜分析軟件
l 成套的開發工具包及套件（可選擇源模塊）
用于中遠紅外分子指紋區的微型高光譜成像儀MICROXCAM-384i-HS-技術指標
基于LabVIEW 的用戶友好軟件允許在選定位置可視化紅外圖像和光譜（如下圖）。光譜測量數據存儲在文本文件格式中，可以通過光譜分析軟件輕松導入。
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主要技術指標 |
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光譜范圍 |
8-11 m |
5.5-8 m |
3.8-5 m (a) and 3.1-4.4 m (b) |
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光譜分辨率 |
Typ.130 nm-220 nm |
Typ. 100 nm-130 nm |
(a)Typ. 60 nm-75 nm (b)Typ. 55 nm-70 nm |
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視野 |
±41°(100 pixel diameter image)2 |
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焦距 |
3 mm |
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孔徑 |
2 mm ×2 mm |
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探測器 |
? 384 x 288 pixels blackened VOx uncooled microbolometer FPA ? 35 μm pixel pitch ? 2 to 14 μm uniform responsivity ? NEP = 20 pW ? NETD = 25 mK, 8 – 12 μm, F/1, 50 fps |
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噪聲等效光譜福亮度NESR (mW/ m2 sr m) |
? 800 at 8 μm ? 830 at 9 μm ? 690 at 10 μm |
In development |
In development |
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信噪比 |
1280(Blackbody source at 1 000 ℃) |
In development |
In development |
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相機幀頻 |
50 fps |
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采集時間 |
? 0.18 s per wavelength sample(SNR = 1000) ? <3 min (full spectral range, 25 nm sampling, SNR = 1000) |
In development |
In development |
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圖像輸出 |
Gigabit Ethernet, RJ-45 connector |
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電壓 |
24 VDC Nominal |
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溫度 |
15 °C to 35 °C |
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功率 |
< 7 W typical |
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機械特性 |
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外形尺寸 |
61 mm (H) × 78.5 mm (W) × 101 mm (L) 2.4 in. (H) × 3.1 in. (W) × 3.98 in. (L) |
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重量 |
420 g / 0.93 lb |
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用于中遠紅外分子指紋區的微型高光譜成像儀MICROXCAM-384i-HS應用領域
l 農業
l 食品工業
l 化妝品
l 光譜
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l 礦物學
l 生物醫學
l 制藥
l 自然資源
應用案例-楓糖漿、玉米糖漿和糖蜜的檢測
上圖為楓糖漿，玉米糖漿和糖蜜在紅外光譜區域的反射光譜影像圖
