二維微機電(MEMS)陣列為移動光譜分析儀打下基礎

Mike Waoker Hakki Refai 德州儀器 Optecks

在近紅外（NIR）光譜分析領域，一個將便攜性與高性能實驗室系統的準確性和功能性組合在一起的系統將極大地改進實時分析性能。一塊由電池供電的小型手持式光譜分析儀的開發可以實現對工業過程或食品成熟度的評估進行更有效的監控。

多數色散光譜分析測量一開始采用的都是同樣的方式。被分析的光通過一個小狹縫，狹縫與一個光柵組合在一起共同控制這個儀器的分辨率。這個衍射光柵專門設計用于以已知的角度反射不同波長的光。這個波長的空間分離使得其它系統可以根據波長來測量光強度。

傳統光譜測量架構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：使用與散射光物理掃描組合在一起的單元素（或單點）探測器，或將散射光在一組探測器上成像。

一、使用MEMS技術的測量方法

使用具有一個單點探測器、基于光學微機電系統（MEMS）陣列技術的全新方法可以克服傳統光譜分析方法中的很多限制。在基于單點探測器的系統中，一個固態光學MEMS陣列用簡單的空間波長濾波器取代了傳統的電動光柵。這個方法在消除精細控制電動系統中問題的同時，可以利用單點探測器的性能優勢。近些年，此類系統已經投入生產。其中，掃描光柵已經被取代，并且MEMS器件過濾每一個特定波長進入單點探測器。這個方法在實現更加小巧和穩健耐用光譜分析儀的同時，也表現出很好的性能。

相對于線性陣列探測器架構，光學MEMS陣列的使用具有多個優勢。首先，可以使用更大的單元素探測器，以提高采光量，并極大降低系統成本和復雜度，這對于紅外系統更是如此。此外，由于不使用陣列探測器，像素到像素的噪聲被消除了，而這可以極大地提升信噪比（SNR）。SNR性能的提高可以在更短時間內獲得更加準確的測量結果。

在一個使用MEMS技術的光譜分析系統中，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。要選擇一個用于分析的波長，使一個特定的光譜響應波段被激活，從而將光引入到單點探測器中進行采集和測量。

如果MEMS器件高度可靠，能夠生成可預計的濾波器響應，且在不同時間和溫度下保持恒定，那么這些優勢就可以實現。

將一個DLP芯片或數字微鏡器件（DMD）用作一個空間光調制器，并且在光譜分析儀系統架構中將其用作MEMS器件，可以克服數個難題。首先，使用一組鋁制微鏡來接通和關閉進入單點探測器的光，這在波長范圍內是有效的。其次，數字微鏡的打開和關閉狀態由機械止動裝置和互補金屬氧化物半導體（CMOS）靜止隨機訪問存儲器（SRAM）單元的鎖存電路控制，從而提供固定的電壓鏡控制。這個固定電壓、靜止控制意味著這個系統不需要機械掃描或模擬控制環路，并且能夠簡化校準過程。它還使得光譜分析儀設計更能免受溫度、老化或振動等影響而產生誤差。

DMD的可編程屬性具有很多優勢。有些優勢會在光譜分析儀架構設計過程中顯現。如果以被用作濾波器的微鏡的尋址列為基礎。由于DMD分辨率通常高于所需的光譜，DMD區域會出現欠填充的情況。并且會對光譜過采樣，這使得波長選擇完全可編程，并且在光引擎出現極端機械位移的情況下，將額外微鏡用作重新校準列。

此外，DMD是一個二維可編程陣列，這為用戶提供高度的靈活性。通過選擇不同的列數量，可以調節分辨率和吞吐量。掃描時間也可動態調整，如此一來，用戶可對所需波長進行更長時間、更加詳細的檢查，從而更好地使用儀器時間和功能。此外，相對于固定濾波器器具，采用Hadamard圖形等高級孔徑編碼技術可實現高度的靈活性和更高性能。

總之，與目前的光譜分析系統相比，使用DMD的光譜分析器件可實現更高分辨率、更高靈活性、更加穩健耐用、更小外形尺寸和更低成本的測試，從而使得它們可被用于廣泛的商業項目芣口工業應用。

二、單探測器架構消除噪聲

目前基于線性陣列的光譜分析儀主要受到兩個因素的限制。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50um×500um。但是一個數字微鏡陣列是一個完全可編程的炬陣，可以針對應用來配置列的數量芣口掃描技術。這可以將更大的信號呈現給通常與DMD一同使用的更大的1mm或2mm的單點探測器。將窄帶光過濾到一個線性陣列中通常是50um寬像素會出現串擾的問題。像素到像素干擾會成為讀取過程中噪聲的主要原因。這些干擾可通過單探測器架構消除。此外，通過1000Hz至4000Hz的數字微鏡掃描速度，單點探測器可以達到與平行多點采樣相類似的駐留時間。對于基于MEM或基于DMD的緊湊型光譜分析儀引擎，結果顯示SNR的范圍大于10000：1。

三、關鍵的小型高分辨率2DMEMS陣列

為了提高性能，用戶需要考慮可被用于將光線反射至探測器的MEMS總面積，再將這個面積與可用單點探測器孔徑尺寸仔細匹配。

一個采用5.4um微鏡的DMD具有超過40萬個可用像素，且可以針對700nm至2500nm的波長進行優化。該款DMD是DLP2010NIR，它采用一個被稱為TRP的全新像素架構。如圖1所示，這個像素提供17°的傾斜角。DLP2010NIR在一個評估模塊中運行，這個評估模塊提供針對光譜分析應用場景的獨特光學架構。一個利用17°接通和關閉角度的光學路徑可以用一個盡可能減少散射光的小巧引擎實現高性能感測分辨率。

圖2中顯示了光譜分析使用的獨特光學引擎。這個系統優化了整個光路徑中光學信號。來自樣本的響應在DMD上成像，從而實現對每個波長的空間控制。這個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，來獲得設計優勢。它是一款小巧、結實耐用且高度自適應系統，能夠使光譜分析走出實驗室，直接應用于現場測量或含光源測量。與傳統光譜分析儀相比，同一個器件中的透射和反射測量頭互換功能可以實現性能基準測試。

一個利用DLP2010NIR芯片的光譜分析光引擎有數個照明模塊，并且每個模塊的工作方式稍有不同。在一個傳輸模塊中，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的氣體特征。這些數據能夠提供與果汁原產地有關的很多信息。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。線路內的透射測量也被用于分析黃油在生產過程中的水含量，這樣可以及時調整黃油制作工藝，從而節省了時間、盡可能降低成本并且增加最終產品的質量。

在樣本無需與光譜分析儀窗口接觸的測量中可以選擇反射模塊。它可以在幾厘米的距離之外靈活地執行掃描操作，比如肉品被包裝在塑料薄膜后監測肉品質量。諸如血糖預測等健康應用方面，也可以使用皮膚的漫反射來成為NIR區域內特色應用。

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現。這樣可以在光譜分析儀與樣本無法直接接觸時實現測量。此類采樣示例包括監視工業過程、測量導管中流動的液體、分析雞肉、牛肉和豬肉中的濕度及測量脂肪和蛋白質含量。這些模塊極大地擴展了應用范圍，并且提供更高的測量性能。Optecks具有能夠實現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物質的分析、測試和測量。它們為實現更加準確的性能、更高分辨率、更大靈活性、更好的穩健耐用性和更小外形尺寸光感側解決方案提供一個途徑。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光譜分析系統中，這也許是無法實現的。不論用戶是打算用它測量農田中的莊稼需要的灌溉量，或是想要預測食物中的腐敗程度，光譜分析都在不斷成為準確、實時分析的強大方法。