李元耀

【摘 要】針對(duì)許多光譜采集系統(tǒng)自動(dòng)化集成化程度低，數(shù)據(jù)采集和處理功能不強(qiáng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一套能全面準(zhǔn)確反應(yīng)樣本光譜信息的自動(dòng)光譜檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以光柵光譜分光系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以L(fǎng)abVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將光源控制、精密位移平臺(tái)控制、CCD光譜圖像采集以及光譜圖像顯示融為一體。試驗(yàn)結(jié)果顯示樣本的特征區(qū)與非特征區(qū)對(duì)比明顯，表明系統(tǒng)能完美展現(xiàn)樣本的光譜信息。

【關(guān)鍵詞】光譜特性；檢測(cè)系統(tǒng)；LabVIEW

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)的飛速進(jìn)步，假冒、偽造犯罪活動(dòng)日趨嚴(yán)重。為了保障經(jīng)濟(jì)秩序的正常運(yùn)行，防偽技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越受到人們的重視。光譜信息由于其信息含量大、取樣復(fù)雜、隱蔽性高、制作技術(shù)難度大等特點(diǎn)，因而最難被偽造。如何使被檢測(cè)目標(biāo)，如票據(jù)、紙幣、商標(biāo)等的光譜信息能被全面、正確的儲(chǔ)存識(shí)別也逐漸成為防偽技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

目前，許多光譜檢測(cè)系統(tǒng)，不同程度的存在光譜測(cè)量范圍窄、自動(dòng)化程度低、數(shù)據(jù)采集和處理功能不強(qiáng)等缺點(diǎn)[1]。本文以此為契機(jī)，搭建了一套自動(dòng)光譜檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于圖形化的編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW，利用色散型光柵光譜儀原理進(jìn)行光的分解，使用FPGA嵌入式高速數(shù)字信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)樣本光譜信息的自動(dòng)檢測(cè)。

1 光譜檢測(cè)系統(tǒng)基本原理

本光譜檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理是：入射光照射到反射式光柵上，由于多縫衍射和干涉的共同作用，光柵將入射光按波長(zhǎng)在空間分解。根據(jù)光柵方程：

d（sin i+sin ？茲）=m？姿（1）

式中i為入射角，？茲為衍射角，d為光柵常數(shù)即刻痕間距，m為光譜級(jí)次?？梢钥闯觯?dāng)d和i一定時(shí)，除零級(jí)外，在確定的光譜級(jí)中，波長(zhǎng)越大的光束衍射角越大，這樣不同波長(zhǎng)的同一級(jí)主最大，自零級(jí)開(kāi)始向左右兩側(cè)，按波長(zhǎng)次序由小到大散開(kāi)，從而達(dá)到分光及光譜檢測(cè)的目的[2-3]。

本系統(tǒng)主要是由檢測(cè)光源，精密位移平臺(tái)，光柵分光系統(tǒng)，線(xiàn)陣CCD以及裝有LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)組成，其檢測(cè)基本原理如圖1所示，檢測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)光照射到放有待測(cè)樣本的位移平臺(tái)上，經(jīng)待測(cè)樣本反射，反射光通過(guò)準(zhǔn)直鏡的反射進(jìn)入光柵，由于光柵的作用使進(jìn)入的單束復(fù)合光分解為多束單色光，再經(jīng)過(guò)成像物鏡按照波長(zhǎng)的順序成像于透鏡焦平面上。此時(shí)，單束的復(fù)合光經(jīng)過(guò)分光系統(tǒng)后就變成了若干個(gè)單色光的像。把2048像素的線(xiàn)陣CCD感光芯片置于成像物鏡的焦平面上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并用基于FPGA的高速圖像采集電路進(jìn)行數(shù)字化處理并輸出到PC機(jī)，通過(guò)LabVIEW對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)儲(chǔ)存和處理，并顯示相應(yīng)波段的光譜圖像，如圖1所示。

2 光譜檢測(cè)系統(tǒng)的LabVIEW實(shí)現(xiàn)

在LabVIEW環(huán)境下[4-5]，通過(guò)各種子VI的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)本檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，程序主要包括對(duì)掃描光源的控制、精密位移平臺(tái)的控制、掃描參數(shù)的控制、數(shù)據(jù)處理及圖像顯示等。軟件流程圖如圖2所示。

與自然光源不同，人造光源的強(qiáng)度在各個(gè)波長(zhǎng)處并不相同，并且CCD的響應(yīng)也隨著波長(zhǎng)的變化而變化，為了消除上述因素的影響，得到待測(cè)樣本正確的光譜信息，在檢測(cè)開(kāi)始前，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行光強(qiáng)校準(zhǔn)。首先記錄下光源關(guān)閉時(shí)每個(gè)波長(zhǎng)處的背景光強(qiáng)I背景，然后打開(kāi)光源，通過(guò)LabVIEW向PLC（Programmable Logic Controller）發(fā)送“開(kāi)始校準(zhǔn)”的指令，X/Y向電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，把用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)白色移至檢測(cè)光斑處，記錄下此時(shí)所有波長(zhǎng)處的光強(qiáng)I白色，則校準(zhǔn)后的光強(qiáng)為：

式中，I測(cè)量為待測(cè)點(diǎn)反射光的實(shí)際光強(qiáng)，I校準(zhǔn)為消除光源與CCD影響后的校準(zhǔn)光強(qiáng)。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為檢測(cè)上述系統(tǒng)的防偽效果，筆者用微波加熱法自制了摻Nd的光譜防偽涂料，將其在紙板上涂成“Z”“I”型，作為防偽特征區(qū)，其他區(qū)域無(wú)防偽涂料，由此制成了一塊防偽紙板，如圖3所示，用該系統(tǒng)對(duì)紙板進(jìn)行了光譜測(cè)量。

在808nm激光的激發(fā)下，測(cè)得其光譜強(qiáng)度圖像如圖4所示。其中圖4（a）為紙板在808nm處的光譜圖像，1064nm處的光譜圖像為圖4（b），圖4（c）為其在其他波長(zhǎng)處的光譜圖像。由圖4（a）可見(jiàn)，雖然防偽區(qū)域能吸收808nm激光，但是在激發(fā)光波長(zhǎng)處，“Z”“I”依然能隱約可見(jiàn)，這是因?yàn)橥苛蠈?duì)激發(fā)光的吸收不完全，仍舊有部分激發(fā)光進(jìn)入光譜檢測(cè)系統(tǒng)。而從1064nm處的光譜圖像（圖4（b））可知，防偽區(qū)域（有涂料）和非防偽區(qū)域（無(wú)涂料）的對(duì)比十分明顯，防偽涂料涂成的“Z”“I”在808nm激光激發(fā)下發(fā)射1064nm的熒光，光譜圖像灰度值高，呈高亮的狀態(tài)；其他部分由于無(wú)熒光發(fā)射，灰度值低，均呈暗背景。而在其他波長(zhǎng)處，由于既無(wú)熒光發(fā)射也無(wú)激發(fā)光反射，防偽區(qū)域與非防偽區(qū)域混為一個(gè)整體，均呈暗背景狀（圖4（c））。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論吻合得很好。由上面實(shí)驗(yàn)可知，該系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠，能詳細(xì)的表現(xiàn)待測(cè)樣本的光譜信息，使其防偽特征簡(jiǎn)單明顯的表現(xiàn)出來(lái)，在防偽鑒別方面具有廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文研制的光譜信息檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，引入虛擬儀器的概念，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，使光譜檢測(cè)系統(tǒng)整體性能有了很大提高。本系統(tǒng)利用LabVIEW的強(qiáng)大功能將光源控制、精密位移平臺(tái)控制、CCD光譜圖像采集以及光譜圖像顯示融為一體，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)的邊控制、邊采集和邊顯示，具有方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境和清晰的數(shù)據(jù)流程，自動(dòng)化程度高，大大簡(jiǎn)化了操作。在光譜防偽實(shí)驗(yàn)中，利用本系統(tǒng)采集到了樣本防偽特征點(diǎn)的詳細(xì)光譜信息，與理論吻合得很好，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)能被廣泛應(yīng)用到光譜防偽方面，使國(guó)內(nèi)的防偽鑒別技術(shù)更上一個(gè)新的臺(tái)階。

【參考文獻(xiàn)】

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