二维微机电(MEMS)阵列为移动光谱分析仪打下基础

Mike Waoker Hakki Refai 德州仪器 Optecks

在近红外（NIR）光谱分析领域，一个将便携性与高性能实验室系统的准确性和功能性组合在一起的系统将极大地改进实时分析性能。一块由电池供电的小型手持式光谱分析仪的开发可以实现对工业过程或食品成熟度的评估进行更有效的监控。

多数色散光谱分析测量一开始采用的都是同样的方式。被分析的光通过一个小狭缝，狭缝与一个光栅组合在一起共同控制这个仪器的分辨率。这个衍射光栅专门设计用于以已知的角度反射不同波长的光。这个波长的空间分离使得其它系统可以根据波长来測量光强度。

传统光谱测量架构的主要不同之处在于散射光的測量方式。两种常见的方法有：使用与散射光物理扫描组合在一起的单元素（或单点）探測器，或将散射光在一组探測器上成像。

一、使用MEMS技术的测量方法

使用具有一个单点探測器、基于光学微机电系统（MEMS）阵列技术的全新方法可以克服传统光谱分析方法中的很多限制。在基于单点探測器的系统中，一个固态光学MEMS阵列用简单的空间波长滤波器取代了传统的电动光栅。这个方法在消除精细控制电动系统中问题的同时，可以利用单点探测器的性能优势。近些年，此类系统已经投入生产。其中，扫描光栅已经被取代，并且MEMS器件过滤每一个特定波长进入单点探测器。这个方法在实现更加小巧和稳健耐用光谱分析仪的同时，也表现出很好的性能。

相对于线性阵列探測器架构，光学MEMS阵列的使用具有多个优势。首先，可以使用更大的单元素探測器，以提高采光量，并极大降低系统成本和复杂度，这对于红外系统更是如此。此外，由于不使用阵列探测器，像素到像素的噪声被消除了，而这可以极大地提升信噪比（SNR）。SNR性能的提高可以在更短时间内获得更加准确的測量结果。

在一个使用MEMS技术的光谱分析系统中，衍射光栅和聚焦元件的功能与之前一样，但来自聚焦元件的光在MEMS阵列上成像。要选择一个用于分析的波长，使一个特定的光谱响应波段被激活，从而将光引入到单点探測器中进行采集和測量。

如果MEMS器件高度可靠，能够生成可预计的滤波器响应，且在不同时间和温度下保持恒定，那么这些优势就可以实现。

将一个DLP芯片或数字微镜器件（DMD）用作一个空间光调制器，并且在光谱分析仪系统架构中将其用作MEMS器件，可以克服数个难题。首先，使用一组铝制微镜来接通和关闭进入单点探測器的光，这在波长范围内是有效的。其次，数字微镜的打开和关闭状态由机械止动装置和互补金属氧化物半导体（CMOS）静止随机访问存储器（SRAM）单元的锁存电路控制，从而提供固定的电压镜控制。这个固定电压、静止控制意味着这个系统不需要机械扫描或模拟控制环路，并且能够简化校准过程。它还使得光谱分析仪设计更能免受温度、老化或振动等影响而产生误差。

DMD的可编程属性具有很多优势。有些优势会在光谱分析仪架构设计过程中显现。如果以被用作滤波器的微镜的寻址列为基础。由于DMD分辨率通常高于所需的光谱，DMD区域会出现欠填充的情况。并且会对光谱过采样，这使得波长选择完全可编程，并且在光引擎出现极端机械位移的情况下，将额外微镜用作重新校准列。

此外，DMD是一个二维可编程阵列，这为用户提供高度的灵活性。通过选择不同的列数量，可以调节分辨率和吞吐量。扫描时间也可动态调整，如此一来，用户可对所需波长进行更长时间、更加详细的检查，从而更好地使用仪器时间和功能。此外，相对于固定滤波器器具，采用Hadamard图形等高级孔径编码技术可实现高度的灵活性和更高性能。

总之，与目前的光谱分析系统相比，使用DMD的光谱分析器件可实现更高分辨率、更高灵活性、更加稳健耐用、更小外形尺寸和更低成本的測试，从而使得它们可被用于广泛的商业项目芣口工业应用。

二、单探测器架构消除噪声

目前基于线性阵列的光谱分析仪主要受到两个因素的限制。首先，探測器的波长选择受到像素孔径的限制。探测器的尺寸决定了采集到的光量，从而影响SNR。诸如Hamamatsu G9203-256的常见磷化砷镓铟（InGaAs）256像素线性阵列的尺寸为50um×500um。但是一个数字微镜阵列是一个完全可编程的炬阵，可以针对应用来配置列的数量芣口扫描技术。这可以将更大的信号呈现给通常与DMD一同使用的更大的1mm或2mm的单点探测器。将窄带光过滤到一个线性阵列中通常是50um宽像素会出现串扰的问题。像素到像素干扰会成为读取过程中噪声的主要原因。这些干扰可通过单探測器架构消除。此外，通过1000Hz至4000Hz的数字微镜扫描速度，单点探测器可以达到与平行多点采样相类似的驻留时间。对于基于MEM或基于DMD的紧凑型光谱分析仪引擎，结果显示SNR的范围大于10000：1。

三、关键的小型高分辨率2DMEMS阵列

为了提高性能，用户需要考虑可被用于将光线反射至探測器的MEMS总面积，再将这个面积与可用单点探测器孔径尺寸仔细匹配。

一个采用5.4um微镜的DMD具有超过40万个可用像素，且可以针对700nm至2500nm的波长进行优化。该款DMD是DLP2010NIR，它采用一个被称为TRP的全新像素架构。如图1所示，这个像素提供17°的倾斜角。DLP2010NIR在一个评估模块中运行，这个评估模块提供针对光谱分析应用场景的独特光学架构。一个利用17°接通和关闭角度的光学路径可以用一个尽可能减少散射光的小巧引擎实现高性能感测分辨率。

图2中显示了光谱分析使用的独特光学引擎。这个系统优化了整个光路径中光学信号。来自样本的响应在DMD上成像，从而实现对每个波长的空间控制。这个评估模块的目的在于，通过将高效MEMS用作光谱分析中的高速2D滤波器，来获得设计优势。它是一款小巧、结实耐用且高度自适应系统，能够使光谱分析走出实验室，直接应用于现场测量或含光源測量。与传统光谱分析仪相比，同一个器件中的透射和反射测量头互换功能可以实现性能基准测试。

一个利用DLP2010NIR芯片的光谱分析光引擎有数个照明模块，并且每个模块的工作方式稍有不同。在一个传输模块中，光源、比色皿支架、高精度比色皿和和其它安装硬件被用于完成透射样本的吸收量和散射属性的測量。NIR透射测量值可用于液体样本，诸如果汁的水含量或出现的气体特征。这些数据能够提供与果汁原产地有关的很多信息。在固体样本中，NIR透射可以测量塑料管的不透光度，而这是观察气体和液体在传送线路中流动的重要参数。线路内的透射測量也被用于分析黄油在生产过程中的水含量，这样可以及时调整黄油制作工艺，从而节省了时间、尽可能降低成本并且增加最终产品的质量。

在样本无需与光谱分析仪窗口接触的测量中可以选择反射模块。它可以在几厘米的距离之外灵活地执行扫描操作，比如肉品被包装在塑料薄膜后监測肉品质量。诸如血糖预測等健康应用方面，也可以使用皮肤的漫反射来成为NIR区域内特色应用。

最后，在光纤耦合模块中，不论是透射测量，还是反射測量，它们都是通过光纤实现。这样可以在光谱分析仪与样本无法直接接触时实现測量。此类采样示例包括监视工业过程、測量导管中流动的液体、分析鸡肉、牛肉和猪肉中的湿度及测量脂肪和蛋白质含量。这些模块极大地扩展了应用范围，并且提供更高的测量性能。Optecks具有能够实现所有这些采样方法的照明模块解决方案。

正如之前讨论过的那样，使用DMD的光谱分析器件将功能拓展至对多个物质的分析、測试和测量。它们为实现更加准确的性能、更高分辨率、更大灵活性、更好的稳健耐用性和更小外形尺寸光感侧解决方案提供一个途径。此外，使用DMD的光谱分析仪还带来了更高的测量可靠性，而这在之前使用的传统光谱分析系统中，这也许是无法实现的。不论用戶是打算用它測量农田中的庄稼需要的灌溉量，或是想要预測食物中的腐败程度，光谱分析都在不断成为准确、实时分析的强大方法。