二維微機(jī)電(MEMS)陣列為移動(dòng)光譜分析儀打下基礎(chǔ)

近日，德州儀器 (TI) DLP® 產(chǎn)品部的業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理 Mike Walker 和 Optecks 的首席技術(shù)官 Hakki Refai 博士 發(fā)表文章：二維微機(jī)電(MEMS)陣列為移動(dòng)光譜分析儀打下基礎(chǔ)，如下是文章全文。

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(duì)工業(yè)過(guò)程、或食品成熟度的評(píng)估在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更有效的監(jiān)控。

大多數(shù)色散光譜分析測(cè)量在一開始采用的都是同樣的方式。被分析的光通過(guò)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(zhǎng)的光。這個(gè)波長(zhǎng)的空間分離使得其它系統(tǒng)可以根據(jù)波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量光強(qiáng)度。

傳統(tǒng)光譜測(cè)量架構(gòu)的主要不同之處在于散射光的測(cè)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(cè)器，以及(2)將散射光在一組探測(cè)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(cè)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(cè)器的系統(tǒng)中，一個(gè)固態(tài)光學(xué) MEMS 陣列用簡(jiǎn)單、空間波長(zhǎng)濾波器取代了傳統(tǒng)的電動(dòng)光柵。這個(gè)方法可以在消除精細(xì)控制電動(dòng)系統(tǒng)中問(wèn)題的同時(shí)，利用單點(diǎn)探測(cè)器的性能優(yōu)勢(shì)。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(guò)濾每一個(gè)特定波長(zhǎng)進(jìn)入單點(diǎn)探測(cè)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(duì)于線性陣列探測(cè)器架構(gòu)，光學(xué) MEMS 陣列的使用具有數(shù)個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，可以使用更大的單元素探測(cè)器，以提高采光量，并極大降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，這對(duì)于紅外系統(tǒng)更是如此。此外，由于不使用陣列探測(cè)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(cè)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(lái)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(zhǎng)，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(cè)器中進(jìn)行采集和測(cè)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(shì)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(lái)接通和關(guān)閉進(jìn)入單點(diǎn)探測(cè)器的光，這在廣泛的波長(zhǎng)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(dòng)裝置和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 靜止隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)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(jiǎn)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(dòng)等錯(cuò)誤源的影響。

DMD 的可編程屬性具有很多優(yōu)勢(shì)。其中某項(xiàng)優(yōu)勢(shì)會(huì)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(huì)出現(xiàn)欠填充的情況，并且會(huì)對(duì)光譜過(guò)采樣。這使得波長(zhǎng)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(guò)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(dòng)態(tài)調(diào)整，如此一來(lái)，用戶可對(duì)所需波長(zhǎng)進(jìn)行更長(zhǎng)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(duì)于固定濾波器器具 1 ，諸如采用的 Hadamard 圖形等高級(jí)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(duì)于廣泛的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用更有吸引力。

單探測(cè)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(cè)器的波長(zhǎng)選擇受到像素孔徑的限制。探測(cè)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(duì)應(yīng)用來(lái)配置列的數(shù)量和掃描技術(shù)。這可以將更大的信號(hào)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(cè)器。將窄帶光過(guò)濾到一個(gè)線性陣列中 -- 通常是50微米寬像素 -- 也許會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_的問(wèn)題。像素到像素干擾會(huì)成為讀取過(guò)程中產(chǎn)生噪聲的主要原因。這些干擾可通過(guò)單探測(cè)器架構(gòu)消除。此外， 通過(guò)利用1kHz至4kHz的數(shù)字微鏡掃描速度，單點(diǎn)探測(cè)器可以達(dá)到與平行多點(diǎn)采樣相類似的駐留時(shí)間。對(duì)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(duì)于超級(jí)移動(dòng)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(cè)器的MEMS總面積。然后，將這個(gè)面積與可用單點(diǎn)探測(cè)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(guò)40萬(wàn)個(gè)可用像素，并且可以針對(duì)700納米至2500納米的波長(zhǎng)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(píng)估模塊中運(yùn)行;這個(gè)評(píng)估模塊提供針對(duì)光譜分析應(yīng)用場(chǎng)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(cè)分辨率。

圖2中顯示了這個(gè)針對(duì)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(hào)。來(lái)自樣本的響應(yīng)在DMD上成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)的空間控制。這個(gè)評(píng)估模塊的目的在于，通過(guò)將高效MEMS用作光譜分析中的高速2D濾波器，來(lái)獲得設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)測(cè)量或含光源測(cè)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(cè)量頭互換功能可以實(shí)現(xiàn)性能基準(zhǔn)測(cè)試。

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(cè)量。NIR透射測(cè)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(cè)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(dòng)的重要參數(shù)。線路內(nèi)的透射測(cè)量也被用于分析黃油在生產(chǎn)過(guò)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(wú)需與光譜分析儀窗口接觸的測(cè)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(cè)肉品質(zhì)量。諸如血糖預(yù)測(cè)等健康應(yīng)用方面，也可以使用皮膚的漫反射來(lái)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(cè)量，還是反射測(cè)量，它們都是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)。這樣可以在光譜分析儀與樣本無(wú)法直接接觸時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。此類采樣示例包括監(jiān)視工業(yè)過(guò)程、測(cè)量導(dǎo)管中流動(dòng)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(cè)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(guò)的那樣，使用DMD的光譜分析器件將功能拓展至對(duì)多個(gè)物質(zhì)的分析、測(cè)試和測(cè)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(lái)了更高的測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。不論用戶是打算用它測(cè)量農(nóng)田中的莊稼需要的灌溉量，或是想要預(yù)測(cè)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。