深度“解剖”神秘的德州儀器DLP NIRscan Nano模塊

為了將DLP NIRscan Nano評估模塊(EVM)的硬件及光引擎解釋清楚，網(wǎng)友拆解了一個早期由Coretronic公司生產(chǎn)的模塊。需要注意的是，任何對光引擎的拆解會使NIRscan Nano EVM的保修失效。另外，去掉光引擎上的罩子會使灰塵和污垢聚集在光學(xué)器件上，從而影響到系統(tǒng)性能。此外，去掉上面的罩子會移動光學(xué)器件、狹縫和探測器，使這些元件錯位，需要廠家重新進(jìn)行對準(zhǔn)和校準(zhǔn)。如果拆除了狹縫，將需要把InGaAs探測器和DLP2010NIR返廠進(jìn)行系統(tǒng)對準(zhǔn)與校準(zhǔn)。

我們先來快速瀏覽一下。如下圖所示，基于DLP的分光計利用數(shù)字微鏡器件 (DMD)和單點(diǎn)探測器取代了傳統(tǒng)線性陣列探測器。通過按順序打開與特定波長光相對應(yīng)的一組鏡列，對應(yīng)光線被指向探測器，并被捕獲。通過掃描DMD上的一組鏡列，可以計算出吸收光譜。要獲得與DLP分光計實現(xiàn)方式相關(guān)的更多細(xì)節(jié)，請參考DLP分光計設(shè)計注意事項 。

近紅外 (NIR) 光譜光譜分析中的DLP技術(shù)提供以下優(yōu)勢：

與具有極小像素的線性陣列探測器相比，通過使用更大的單點(diǎn)1mm探測器，它能實現(xiàn)更高性能。

通過使用單元探測器和低成本光學(xué)器件，它能實現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。高分辨率DMD使得定制圖形能夠補(bǔ)償每一個單獨(dú)系統(tǒng)的光學(xué)失真。

能夠捕獲更大信號不僅得益于相比傳統(tǒng)技術(shù)，DMD具有更大的光學(xué)擴(kuò)展量(etendue)，而且也受益于其快速、靈活、以及可編程的顯示模式及濾波器設(shè)計。

借助可編程顯示模式，DLP分光計能夠：

通過控制一個鏡列中的像素數(shù)量來改變到達(dá)探測器的光的強(qiáng)度。

通過控制鏡列的寬度來改變系統(tǒng)的分辨率。

使用一組Hadamard圖形來在一個模式內(nèi)捕捉多個波長的光。然后，單獨(dú)的波長數(shù)據(jù)可通過解碼獲取。每個模式內(nèi)打開DMD像素數(shù)量的50%，將比上面提到的列掃描方式獲得更強(qiáng)信號引至探測器/

使用定制光譜濾波器來選擇需要的特定波長。

當(dāng)前，DLP NIRscan Nano軟件支持可變分辨率和Hadamard圖形。不支持可變強(qiáng)度和定制光譜濾波器。光譜濾波器的示例請見SPI論文：由Eric Pruett撰寫的德州儀器 (TI) DLP近紅外分光計的最新開發(fā)實現(xiàn)了下一代嵌入式小巧、便攜式系統(tǒng)。

DLP NIRscan Nano具有以下主要組件：

拿掉光引擎的罩子后，可以看到受其保護(hù)的DMD和探測器電路板。

探測器電路板包含以下主要組件

1mm非冷卻Hamamatsu G12180-010A InGaAs光電二極管(探測器)。

OPA2376轉(zhuǎn)阻低噪聲放大器：將InGaAs探測器到ADC的信號放大。

ADS1255 ADC：將InGaAs探測器的已放大信號轉(zhuǎn)換為用于TIva處理的24位值。

TMP006熱電偶傳感器：測量InGaAs探測器系統(tǒng)的環(huán)境溫度。這些值在每次掃描時被捕獲。

REF5025：低噪聲、極低漂移、高精度電壓基準(zhǔn)，它為轉(zhuǎn)阻放大器和ADC提供2.5V基準(zhǔn)。

OPA350：對轉(zhuǎn)阻放大器的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行緩沖的高速運(yùn)行放大器。

裝上探測器后：

去掉反射式模塊，可以看到狹縫：

DMD電路板正好將DLP2010NIR與系統(tǒng)的其余部分相連。

一旦將光引擎的罩子拿掉，你就能夠看到以下的光學(xué)組件。準(zhǔn)直鏡頭和波通濾波器在前兩張照片中所示的金屬薄片的下方。為了讓你看到系統(tǒng)的全部光學(xué)器件，我已經(jīng)將這個金屬薄片拆除。

在這幅圖中，我已經(jīng)在來自樣品的輸入反射光上添加了標(biāo)記(黃色箭頭)。漫反射自樣品的光在采集鏡頭上聚集，并且通過輸入狹縫聚焦在光引擎上。狹縫的大小設(shè)定平衡了波長分辨率以及分光計信噪比的考量這個分光計使用寬度為25μm、長度為1.69mm的狹縫。通過狹縫的光在第一組鏡頭上校準(zhǔn)，通過一個885nm長的波通濾波器，然后打在一個反射光柵上。這個與聚焦透鏡組合在一起的光柵將光源色散為連續(xù)波長(多色光線)。聚焦透鏡將狹縫圖像展開在DLP2010NIRDMD上。這個狹縫圖像的不同波長水平分布在DLP2010NIR DMD上。這個光學(xué)系統(tǒng)將900nm波長成像在DMD的一端上，將1700nm波長成像在另一端上，而在兩端中間按順序散開所有其它波長。

當(dāng)選擇將特定的DMD鏡列打開時，或傾斜到+17°位置時，所選鏡列反射回來的光線在引導(dǎo)下，通過采集光學(xué)器件，到達(dá)單像素InGaAs探測器(黃色光線)。所有其它DMD鏡列被設(shè)置為關(guān)閉、或者傾斜至-17°位置上，使未選中的波長的光線轉(zhuǎn)向光引擎的底部，并遠(yuǎn)離探測器光路徑，這樣的話，就不會干擾所選波長的測量了。

為了在狹縫位置、光柵角度和DMD 位置上允許機(jī)械公差，DLP NIRscan Nano的狹縫圖像投到DMD上時，在長度方向上每邊欠覆蓋10%而在高度方向上每邊過覆蓋10%，這就使DMD上每個像素列對應(yīng)約為(1700 - 900nm)/(854 * 0.8像素) = 1.17nm。制造時，在波長與它們在DMD上的鏡列位置之間進(jìn)行校準(zhǔn)。由于DMD鏡列的數(shù)量通常不是所需波長組數(shù)量的整數(shù)倍，DLP NIRscan Nano在整個掃描期間保持鏡列的寬度不變，按照所需波長組數(shù)量的步長在DMD上移動。