基于LabVIEW的自動光譜檢測系統及其應用

李元耀

【摘 要】針對許多光譜采集系統自動化集成化程度低，數據采集和處理功能不強等問題，設計出一套能全面準確反應樣本光譜信息的自動光譜檢測系統。該系統以光柵光譜分光系統為基礎，以LabVIEW為軟件開發平臺，將光源控制、精密位移平臺控制、CCD光譜圖像采集以及光譜圖像顯示融為一體。試驗結果顯示樣本的特征區與非特征區對比明顯，表明系統能完美展現樣本的光譜信息。

【關鍵詞】光譜特性；檢測系統；LabVIEW

0 引言

隨著經濟的發展和科學的飛速進步，假冒、偽造犯罪活動日趨嚴重。為了保障經濟秩序的正常運行，防偽技術的發展越來越受到人們的重視。光譜信息由于其信息含量大、取樣復雜、隱蔽性高、制作技術難度大等特點，因而最難被偽造。如何使被檢測目標，如票據、紙幣、商標等的光譜信息能被全面、正確的儲存識別也逐漸成為防偽技術的重點發展方向。

目前，許多光譜檢測系統，不同程度的存在光譜測量范圍窄、自動化程度低、數據采集和處理功能不強等缺點[1]。本文以此為契機，搭建了一套自動光譜檢測系統，該系統基于圖形化的編程語言LabVIEW，利用色散型光柵光譜儀原理進行光的分解，使用FPGA嵌入式高速數字信號采集和處理系統，實現了對被測樣本光譜信息的自動檢測。

1 光譜檢測系統基本原理

本光譜檢測系統的基本原理是：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在空間分解。根據光柵方程：

d（sin i+sin ？茲）=m？姿（1）

式中i為入射角，？茲為衍射角，d為光柵常數即刻痕間距，m為光譜級次?？梢钥闯?，當d和i一定時，除零級外，在確定的光譜級中，波長越大的光束衍射角越大，這樣不同波長的同一級主最大，自零級開始向左右兩側，按波長次序由小到大散開，從而達到分光及光譜檢測的目的[2-3]。

本系統主要是由檢測光源，精密位移平臺，光柵分光系統，線陣CCD以及裝有LabVIEW軟件的計算機組成，其檢測基本原理如圖1所示，檢測光源發出的探測光照射到放有待測樣本的位移平臺上，經待測樣本反射，反射光通過準直鏡的反射進入光柵，由于光柵的作用使進入的單束復合光分解為多束單色光，再經過成像物鏡按照波長的順序成像于透鏡焦平面上。此時，單束的復合光經過分光系統后就變成了若干個單色光的像。把2048像素的線陣CCD感光芯片置于成像物鏡的焦平面上，將光信號轉換為電信號，并用基于FPGA的高速圖像采集電路進行數字化處理并輸出到PC機，通過LabVIEW對采集到的光譜數據進行實時儲存和處理，并顯示相應波段的光譜圖像，如圖1所示。

2 光譜檢測系統的LabVIEW實現

在LabVIEW環境下[4-5]，通過各種子VI的調用，實現了對本檢測系統的實時控制，程序主要包括對掃描光源的控制、精密位移平臺的控制、掃描參數的控制、數據處理及圖像顯示等。軟件流程圖如圖2所示。

與自然光源不同，人造光源的強度在各個波長處并不相同，并且CCD的響應也隨著波長的變化而變化，為了消除上述因素的影響，得到待測樣本正確的光譜信息，在檢測開始前，必須對系統進行光強校準。首先記錄下光源關閉時每個波長處的背景光強I背景，然后打開光源，通過LabVIEW向PLC（Programmable Logic Controller）發送“開始校準”的指令，X/Y向電機同時運轉，把用于校準的標準白色移至檢測光斑處，記錄下此時所有波長處的光強I白色，則校準后的光強為：

式中，I測量為待測點反射光的實際光強，I校準為消除光源與CCD影響后的校準光強。

3 實驗及結果

為檢測上述系統的防偽效果，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，其他區域無防偽涂料，由此制成了一塊防偽紙板，如圖3所示，用該系統對紙板進行了光譜測量。

在808nm激光的激發下，測得其光譜強度圖像如圖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）為其在其他波長處的光譜圖像。由圖4（a）可見，雖然防偽區域能吸收808nm激光，但是在激發光波長處，“Z”“I”依然能隱約可見，這是因為涂料對激發光的吸收不完全，仍舊有部分激發光進入光譜檢測系統。而從1064nm處的光譜圖像（圖4（b））可知，防偽區域（有涂料）和非防偽區域（無涂料）的對比十分明顯，防偽涂料涂成的“Z”“I”在808nm激光激發下發射1064nm的熒光，光譜圖像灰度值高，呈高亮的狀態；其他部分由于無熒光發射，灰度值低，均呈暗背景。而在其他波長處，由于既無熒光發射也無激發光反射，防偽區域與非防偽區域混為一個整體，均呈暗背景狀（圖4（c））。上述實驗結果與理論吻合得很好。由上面實驗可知，該系統準確、可靠，能詳細的表現待測樣本的光譜信息，使其防偽特征簡單明顯的表現出來，在防偽鑒別方面具有廣泛的應用。

4 結論

本文研制的光譜信息檢測系統應用先進技術，引入虛擬儀器的概念，彌補了傳統方法的不足，使光譜檢測系統整體性能有了很大提高。本系統利用LabVIEW的強大功能將光源控制、精密位移平臺控制、CCD光譜圖像采集以及光譜圖像顯示融為一體，實現在線的邊控制、邊采集和邊顯示，具有方便的開發環境和清晰的數據流程，自動化程度高，大大簡化了操作。在光譜防偽實驗中，利用本系統采集到了樣本防偽特征點的詳細光譜信息，與理論吻合得很好，驗證了系統的可靠性。該系統能被廣泛應用到光譜防偽方面，使國內的防偽鑒別技術更上一個新的臺階。

【參考文獻】

[1]歐陽黎，張永林.一種新型的光譜自動測試系統[J].光電子·激光，1999，10（4）： 336-339.

[2]王宇.小型光纖光譜儀的研究[D].天津：天津大學，2006：8-58.

[3]黃振宇，孫利群.基于線陣CCD的小型光譜儀光度特性研究[J].應用光學， 2007，28（5）：564-568.

[4]王澤鋒，胡永明.基于LabVIEW的光纖水聽器閉環工作點控制系統[J].光電子·激光，2007，18（10）：1154-1157.

[5]董磊，馬維光，尹王保，等.基于LabVIEW的外腔二極管激光穩頻實驗[J].光電子·激光，2005，16（3）：255-258.