用于光学定位的近红外LED筛选检测系统设计

光学定位技术在手术导航、目标追踪和虚拟现实等系统中都有广泛的应用,为了提高定位的精度,在信号测量和定位算法方面都进行了大量的研究。设计的系统从作为发光源的近红外LED出发,通过有针对性的筛选,为保证光学定位的准确性创造良好的条件。筛选检测系统由光学性能检测部分和高低温试验部分组成。通过控制转台中俯仰轴和滚动轴的转动角度,使用光电探测器可以连续测量出发光元件的辐射强度,得到近红外LED不同旋转面和不同纵向角度的辐射特性,并计算出半功率角值。根据发光强度和半功率角这两个重要指标,先去除待选组中有明显变化的极值数据,然后选取两个相对偏差都在±5%以内的近红外LED,最后对其进行高低温冲击试验。筛选出的近红外LED性能稳定,发光一致性好,可以成组使用。

基于方波激励的近红外LED中药水分传感器

传统中药在世界范围的需求量巨大,尤其是屠呦呦在2015年获得诺贝尔医学奖以来,中药的受欢迎程度进一步得到了提高。然而,中药的质量标准管理中还存在较多关键性问题,其中,中药水分含量的检测是中药质量一致性控制中的一个重要因素。基于近红外LED吸收光谱的中药水分传感器,通常采用电平信号或锁相放大来实现信号的探测。方波激励可以获得水吸收光谱信号丰富的时域和频域响应信息,故常被用来作为水分传感器的激励源。针对待测样品的不平整度、提离效应及噪声等因素严重影响水分含量的时域特征量的问题,提出了一种基于方波激励的近红外吸收信号频谱分析的中药水分传感器。首先,利用中心波长为1450 nm的LED作为水吸收光谱信号的光源,并采用快速傅里叶变换获得水直接吸收光谱信号的频谱特征量。其次,分析和优化了激励方波信号参数,优化结果表明,当方波激励源的频率、幅值及占空比三个参数分别为100 Hz,1500 mV及50%时,水的吸收光谱信号最好。最后,制备了8组用于标定的肚痛丸样品和4组用于验证的肚痛丸样品,在优化激励方波参数基础上,建立了肚痛丸水分含量与奇次谐波信号幅度之间的线性关系。标定与验证实验结果表明,谐波分量中基频分量(100 Hz)和三次谐波分量(300 Hz)的幅值与肚痛丸的水分含量的线性相关系数r值分别为0.992和0.993,平均后的最小误差为1.0%,最大误差小于6.5%。该水分传感器把方波作为激励源,利用小波滤波算法对水吸收光谱信号进行去噪,并采用快速傅里叶变换算法将光谱吸收信号转换到频域后进行特征量提取,具有精度高、适用性强、实时在线测量等优点,在中药制药质量控制和过程分析中具有广阔的应用前景。

红光/ 近红外LED光疗抑制疼痛相关机制的研究

通过分析红光/近红外LED光照射治疗(LED光疗)对外周血单核细胞中疼痛相关炎症因子及趋化因子的表达影响,研究红光/近红外光生物治疗对疼痛的抑制作用。在用人单核细胞THP-1评价红光/红外光的安全剂量的基础上制备健康成年人外周血单核细胞(PBMC),进行红光/红外光照射处理后,用荧光定量PCR法检测疼痛相关炎症因子及趋化因子的表达变化。结果显示,经过红光/近红外LED光疗后,与对照组相比,PBMC的CXCL12、CXCL13、CX3CL1、CCL4、CCR2、IL-4、IL-6和MMP2基因表达水平明显下调,表明红光/近红外LED光疗可通过抑制PBMC中疼痛相关趋化因子及炎症因子表达发挥抗疼痛作用。此研究可为疼痛辅助治疗提供新的思路。

高效稳定的Cr^(3+)离子激活石榴石型宽带近红外荧光粉的发光特性及应用研究

近红外荧光粉转换型发光二极管(NIR pc-LEDs)作为一种紧凑型光源,在近红外光谱技术领域具有广泛的应用前景。然而,开发高效稳定的近红外荧光粉一直面临巨大挑战。本研究报道了一种高效且热稳定优异的Cr^(3+)离子激活Gd_(3)Ga_(5)O_(12)(GGG∶Cr)石榴石近红外荧光粉。在450 nm蓝光激发下,其近红外发射覆盖620~1100 nm范围,最高峰位于740 nm,半高宽为97 nm,内量子效率达54.6%。同时,该荧光粉表现出优异的热稳定性,即在425 K温度时,其近红外发射光谱积分强度为室温的106%(106%@425 K),呈负热猝灭特性。此外,通过Nd^(3+)-Yb^(3+)稀土离子共掺策略,成功实现了材料近红外发射谱带的有效拓宽和热稳定性增强(115%@425 K)。最后,将目标材料与蓝光芯片结合,封装成近红外LED器件,在320 mA电流驱动下,近红外最大输出功率可达55.5 mW,光电转换效率约为6%。以上结果表明,GGG∶Cr,Nd,Yb石榴石荧光粉是一种潜在的高功率近红外LED光源用近红外发光材料。

手指静脉识别传感器的光源设计

针对手指静脉图像采集系统中近红外LED光源的光强均匀性相对较差的问题,设计了一种等边三角形结构的光源阵列。通过应用近红外LED光源的数学模型和斯派罗法则优化两个相邻光源的距离,确定了两颗光源之间的最优距离为6.26 mm,对该光源阵列进行仿真形成面积为10 mm×20 mm的均匀光照区域。对此光源阵列进行硬件实验,证明等边三角形结构的光源阵列比单排的光源阵列在均匀性和图像质量上更加突出。

土壤硝态氮含量原位检测系统设计

针对现阶段土壤硝态氮测量成本较高、无法长期原位测量等问题,该研究提出了一种使用钛烧结滤芯收集土壤溶液,通过近红外光谱法检测土壤溶液中的硝酸根浓度进而得到土壤中硝态氮含量的方法,并设计了相应的检测装置。通过试验对比陶土头与钛烧结滤芯在不同土壤条件下的土壤溶液收集效果,选用钛烧结滤芯作为土壤溶液采集器收集土壤溶液,以近红外LED作为测量光源,采集人工配置土壤溶液的光谱数据,利用BP神经网络进行预训练建立硝态氮含量预测模型。建立的硝态氮含量预测模型其训练集皮尔逊相关系数、测试集皮尔逊相关系数、预测均方根误差分别达到0.997、0.995、3.43。实地测量土壤溶液并与硝酸根离子电极以及土壤养分速测仪进行对比,最大相对偏差为5.9%,可满足实际测量准确性要求。该套检测设备在深度为10~40cm、含水率为15%以上的土壤中有较好的土壤溶液采集效果;检测装置的长期测量标准差为0.006,动态响应时间为1.4 s,具有良好的检测特性。试验结果表明,使用溶液吸光度数据建立的硝态氮预测模型具有较好的预测效果,可以应用于土壤溶液硝态氮原位监测,为长期自动测量土壤硝态氮及水肥一体化系统的搭建提供了一种可行的方案。

手指静脉识别系统矩形阵列光源特性分析及优化设计

手指静脉图像质量的高低直接影响手指静脉的识别效率。针对单个近红外LED的光照均匀度相对较差,如何利用多个近红外LED构造一个高质量的光源进行了研究。讨论了矩形阵列光源的结构、空间、形状等参数对静脉图像影响,利用斯派罗法则对各种参数极值找出最优解,再结合手指个体的差异和指型特性,设计照度面为25 mm×25 mm矩形光源阵列。通过对比实验,利用最优参数设计的阵列光源,能够采集到高质量的手指静脉图像,为手指静脉采集设备光源设计提供参考,同时为后续的手指静脉图像的识别打下基础。

非接触式手掌静脉成像系统的研究与设计

获取理想手掌静脉图像是提高手掌静脉识别系统性能的前提条件。因此,本文设计一种非接触式全手掌静脉成像系统,该系统采用波长为850nm的圆头型近红外LED作为主动光源,同时选用与之灵敏度较高的OV7410摄像机并搭配光圈值为2.8、焦距为8mm的镜头。经实验表明,搭建的手掌静脉成像系统能够采集到清晰的全手掌静脉图像,为手部多模态特征融合提供了硬件平台。