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數(shù)字微鏡器件（DMD）作為空間光調(diào)制器可克服傳統(tǒng)光譜分析儀架構(gòu)缺點(diǎn)
作者：Mike Walker，德州儀器（TI）; Hakki Refai，Optecks，LLC
在近紅外（NIR）光譜分析領(lǐng)域中，一個(gè)將便攜性與高性能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和功能性組合在一起的系統(tǒng)將極大地改進(jìn)實(shí)時(shí)分析。由一塊電池供電的小型手持式光譜分析儀的開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)過程、或食品成熟度的評估在現(xiàn)場進(jìn)行更有效的監(jiān)控。
大多數(shù)色散光譜分析測量在一開始采用的都是同樣的方式。被分析的光通過一個(gè)小狹縫；這個(gè)狹縫與一個(gè)光柵組合在一起，共同控制這個(gè)儀器的分辨率。這個(gè)衍射光柵專門設(shè)計(jì)用于以已知的角度反射不同波長的光。這個(gè)波長的空間分離使得其它系統(tǒng)可以根據(jù)波長來測量光強(qiáng)度。
傳統(tǒng)光譜測量架構(gòu)的主要不同之處在于散射光的測量方式。兩種常見的方法有（1）與散射光物理掃描組合在一起的單元素（或單點(diǎn)）探測器，以及（2）將散射光在一組探測器上成像。
使用MEMS技術(shù)的方法
使用具有一個(gè)單點(diǎn)探測器、基于光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 陣列技術(shù)的全新方法可以克服傳統(tǒng)光譜分析方法中的很多限制。在基于單點(diǎn)探測器的系統(tǒng)中，一個(gè)固態(tài)光學(xué)MEMS陣列用簡單、空間波長濾波器取代了傳統(tǒng)的電動光柵。這個(gè)方法可以在消除精細(xì)控制電動系統(tǒng)中問題的同時(shí)，利用單點(diǎn)探測器的性能優(yōu)勢。近些年，此類系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)，其中，掃描光柵被取代，并且MEMS器件過濾每一個(gè)特定波長進(jìn)入單點(diǎn)探測器。這個(gè)方法在實(shí)現(xiàn)更加小巧和穩(wěn)健耐用光譜分析儀的同時(shí)，也表現(xiàn)出很高的性能。
相對于線性陣列探測器架構(gòu)，光學(xué)MEMS陣列的使用具有數(shù)個(gè)優(yōu)勢。首先，可以使用更大的單元素探測器，以提高采光量，并極大降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，這對于紅外系統(tǒng)更是如此。此外，由于不使用陣列探測器，像素到像素噪聲被消除了，而這可以極大地提升信噪比（SNR）性能。SNR性能的提高可以在更短時(shí)間內(nèi)獲得更加準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
在一個(gè)使用MEMS技術(shù)的光譜分析系統(tǒng)中，衍射光柵和聚焦元件的功能與之前一樣，但來自聚焦元件的光在MEMS陣列上成像。要選擇一個(gè)用于分析的波長，一個(gè)特定的光譜響應(yīng)波段被激活，這樣的話，就可以將光引入到單點(diǎn)探測器中進(jìn)行采集和測量。
如果MEMS器件高度可靠，能夠生成可預(yù)計(jì)的濾波器響應(yīng)，并且在不同的時(shí)間和溫度下保持恒定，那么這些優(yōu)勢就可以實(shí)現(xiàn)。
將一個(gè)DLP? 芯片或數(shù)字微鏡器件（DMD）用作一個(gè)空間光調(diào)制器，并且在一個(gè)光譜分析儀系統(tǒng)架構(gòu)中將其用作MEMS器件的話，可以克服數(shù)個(gè)難題。首先，使用一組鋁制微鏡來接通和關(guān)閉進(jìn)入單點(diǎn)探測器的光，這在廣泛的波長范圍內(nèi)是光學(xué)有效的。其次，數(shù)字微鏡的打開和關(guān)閉狀態(tài)由機(jī)械止動裝置和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）靜止隨機(jī)訪問存儲器（SRAM）單元的鎖存電路控制，從而提供固定的電壓鏡控制。這個(gè)固定電壓、靜止控制意味著這個(gè)系統(tǒng)不需要機(jī)械掃描或模擬控制環(huán)路，并且能夠簡化校準(zhǔn)。它還使得光譜分析儀設(shè)計(jì)更能免受溫度、老化或振動等錯(cuò)誤源的影響。
DMD的可編程屬性具有很多優(yōu)勢。其中某項(xiàng)優(yōu)勢會在進(jìn)行光譜分析儀架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)顯現(xiàn)——如果以被用作濾波器的微鏡的尋址列為基礎(chǔ)。由于DMD分辨率通常高于所需的光譜，DMD區(qū)域會出現(xiàn)欠填充的情況，并且會對光譜過采樣。這使得波長選擇完全可編程，并且在光引擎出現(xiàn)極端機(jī)械位移的情況下，將額外微鏡用作重新校準(zhǔn)列。
此外， DMD是一個(gè)二維可編程陣列，這為用戶提供高度的靈活性。通過選擇不同的列數(shù)量，可以調(diào)節(jié)分辨率和吞吐量。掃描時(shí)間可動態(tài)調(diào)整，如此一來，用戶可對所需波長進(jìn)行更長時(shí)間、更加詳細(xì)的檢查，從而更好地使用儀器時(shí)間和功能。此外，相對于固定濾波器器具1，諸如采用的Hadamard圖形等高級孔徑編碼技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高度的靈活性和更高性能。
總之，與目前的光譜分析系統(tǒng)相比，使用DMD的光譜分析器件可實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更高靈活性、更加穩(wěn)健耐用、更小的外形尺寸和更低的成本，從而使得它們對于廣泛的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用更有吸引力。
單探測器架構(gòu)消除噪聲
目前基于線性陣列的光譜分析儀主要受到兩個(gè)因素的限制。首先，探測器的波長選擇受到像素孔徑的限制。探測器的尺寸決定了采集到的光量，從而影響SNR。諸如Hamamatsu G9203-256的常見磷化砷鎵銦（InGaAs）256像素線性陣列的尺寸為50微米 x 500微米。相反地，一個(gè)數(shù)字微鏡陣列是一個(gè)完全可編程的矩陣，可以針對應(yīng)用來配置列的數(shù)量和掃描技術(shù)。這可以將更大的信號呈現(xiàn)給通常與DMD一同使用的更大的1毫米或2毫米的單點(diǎn)探測器。將窄帶光過濾到一個(gè)線性陣列中——通常是50微米寬像素——也許會出現(xiàn)串?dāng)_的問題。像素到像素干擾會成為讀取過程中產(chǎn)生噪聲的主要原因。這些干擾可通過單探測器架構(gòu)消除。此外， 通過利用1kHz至4kHz的數(shù)字微鏡掃描速度，單點(diǎn)探測器可以達(dá)到與平行多點(diǎn)采樣相類似的駐留時(shí)間。對于基于MEMS ——或基于DMD——的緊湊型光譜分析儀引擎，結(jié)果顯示SNR的范圍大于10000:1。
對于超級移動光譜分析儀十分關(guān)鍵的小型、高分辨率2D MEMS陣列
為了盡可能地提高性能，用戶需要考慮可被用于將光線反射至探測器的MEMS總面積。然后，將這個(gè)面積與可用單點(diǎn)探測器孔徑尺寸仔細(xì)匹配。
一個(gè)采用5.4微米微鏡的DMD具有超過40萬個(gè)可用像素，并且可以針對700納米至2500納米的波長進(jìn)行優(yōu)化。該款DMD是DLP2010NIR，它采用一個(gè)被稱為TRP的全新像素架構(gòu)。如圖1中所見，這個(gè)像素提供17度的傾斜角。DLP2010NIR在一個(gè)評估模塊中運(yùn)行；這個(gè)評估模塊提供針對光譜分析應(yīng)用場景的獨(dú)特光學(xué)架構(gòu)。一個(gè)利用17度接通和關(guān)閉角度的光學(xué)路徑可以用一個(gè)盡可能減少散射光的小巧引擎實(shí)現(xiàn)高性能感測分辨率。
圖1：一個(gè)具有17度傾斜角的微鏡架構(gòu)
圖2中顯示了這個(gè)針對光譜分析使用情況的獨(dú)特光學(xué)引擎。這個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化了整個(gè)光路徑中光學(xué)信號。來自樣本的響應(yīng)在DMD上成像，從而實(shí)現(xiàn)對每個(gè)波長的空間控制。這個(gè)評估模塊的目的在于，通過將高效MEMS用作光譜分析中的高速2D濾波器，來獲得設(shè)計(jì)優(yōu)勢。它是一款小巧、結(jié)實(shí)耐用且高度自適應(yīng)系統(tǒng)，能夠使光譜分析走出實(shí)驗(yàn)室，直接應(yīng)用于現(xiàn)場測量或含光源測量。與傳統(tǒng)光譜分析儀相比，同一個(gè)器件中的透射和反射測量頭互換功能可以實(shí)現(xiàn)性能基準(zhǔn)測試。
圖2：一個(gè)使用DMD和單點(diǎn)探測器的光譜分析儀光引擎
一個(gè)利用DLP2010NIR芯片的光譜分析光引擎有數(shù)個(gè)照明模塊，并且每個(gè)模塊的工作方式稍有不同。在一個(gè)傳輸模塊中，光源、比色皿支架、高精度比色皿和和其它安裝硬件被用于完成透射樣本的吸收量和散射屬性的測量。NIR透射測量值可用于液體樣本，諸如果汁的水含量或出現(xiàn)的氣體特征。這些數(shù)據(jù)能夠提供與果汁原產(chǎn)地有關(guān)的很多信息。在固體樣本中，NIR透射可以測量塑料管的不透光度，而這是觀察氣體和液體在傳送線路中流動的重要參數(shù)。線路內(nèi)的透射測量也被用于分析黃油在生產(chǎn)過程中的水含量，這樣可以及時(shí)調(diào)整黃油制作工藝，從而節(jié)省了時(shí)間、盡可能降低成本，并且增加最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
或者，在樣本無需與光譜分析儀窗口接觸的測量中，反射模塊是一個(gè)選擇。它可以在幾厘米的距離之外靈活地執(zhí)行掃描操作，比如肉品被包裝在塑料薄膜后監(jiān)測肉品質(zhì)量。諸如血糖預(yù)測等健康應(yīng)用方面，也可以使用皮膚的漫反射來成為NIR區(qū)域內(nèi)特色應(yīng)用。
最后，在光纖耦合模塊中，不論是透射測量，還是反射測量，它們都是通過光纖實(shí)現(xiàn)。這樣可以在光譜分析儀與樣本無法直接接觸時(shí)實(shí)現(xiàn)測量。此類采樣示例包括監(jiān)視工業(yè)過程、測量導(dǎo)管中流動的液體、分析雞肉、牛肉和豬肉中的濕度、脂肪和蛋白質(zhì)含量。這些模塊極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用范圍，并且提供更高的測量性能。Optecks具有能夠?qū)崿F(xiàn)所有這些采樣方法的照明模塊解決方案。
正如之前討論過的那樣，使用DMD的光譜分析器件將功能拓展至對多個(gè)物質(zhì)的分析、測試和測量。它們?yōu)閷?shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的性能、更高分辨率、更大靈活性、更好的穩(wěn)健耐用性和更小外形尺寸光感側(cè)解決方案提供一個(gè)途徑。此外，使用DMD的光譜分析儀還帶來了更高的測量可靠性，而這在之前使用的傳統(tǒng)光譜分析系統(tǒng)中，這也許是無法實(shí)現(xiàn)的。不論用戶是打算用它測量農(nóng)田中的莊稼需要的灌溉量，或是想要預(yù)測食物中的腐敗程度，光譜分析都在不斷成為準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)分析的強(qiáng)大方法。
光譜分析—Vineyard_small：用于在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場評估物品化學(xué)組成的光譜分析
光譜分析—分析：制藥行業(yè)中使用的光譜分析儀
光譜分析—圖：采用DLP? 技術(shù)的光譜分析工作方式圖示
圖 3：用于在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場評估物品化學(xué)組成的光譜分析
圖 4：采用DLP? 技術(shù)的光譜分析工作方式圖示
圖 5：制藥行業(yè)中使用的光譜分析儀
參考書目
1 Pruett, E.，“德州儀器（TI）DLP? 近紅外光譜分析儀的最新發(fā)展可實(shí)現(xiàn)下一代嵌入式小巧、便攜式系統(tǒng)”SPIE 9482-13 2015年4月
