北京2016年11月7日電 /美通社/ -- 近日，德州儀器 (TI) DLP^® 產品部的業務拓展經理 Mike Walker 和 Optecks 的首席技術官 Hakki Refai 博士發表文章：二維微機電(MEMS)陣列為移動光譜分析儀打下基礎，如下是文章全文。

在近紅外 (NIR) 光譜分(fen)析(xi)(xi)領域中，一個將便攜性(xing)與高性(xing)能(neng)實驗室(shi)系統的(de)準確性(xing)和功能(neng)性(xing)組合在一起(qi)的(de)系統將極大地改進實時分(fen)析(xi)(xi)。由一塊(kuai)電池供電的(de)小型(xing)手(shou)持(chi)式光譜分(fen)析(xi)(xi)儀(yi)的(de)開發可以實現對工(gong)業過(guo)程、或(huo)食品成熟(shu)度的(de)評估(gu)在現場(chang)進行更有效的(de)監控。

大(da)多數色散光譜分(fen)析測(ce)量在一(yi)開始采用的(de)(de)(de)都是同樣的(de)(de)(de)方式。被分(fen)析的(de)(de)(de)光通過(guo)一(yi)個(ge)(ge)小狹縫；這(zhe)個(ge)(ge)狹縫與一(yi)個(ge)(ge)光柵(zha)組合在一(yi)起，共同控制這(zhe)個(ge)(ge)儀(yi)器的(de)(de)(de)分(fen)辨率。這(zhe)個(ge)(ge)衍射光柵(zha)專(zhuan)門設計用于(yu)以(yi)已(yi)知的(de)(de)(de)角度反射不同波長的(de)(de)(de)光。這(zhe)個(ge)(ge)波長的(de)(de)(de)空間分(fen)離使(shi)得其它系統可(ke)以(yi)根據波長來測(ce)量光強度。

傳統光譜測(ce)量架構的(de)主(zhu)要不同之處在于散射光的(de)測(ce)量方(fang)式。兩種(zhong)常見的(de)方(fang)法有（1）與散射光物(wu)理掃描組合在一(yi)起的(de)單元素（或單點）探測(ce)器(qi)，以及（2）將散射光在一(yi)組探測(ce)器(qi)上成像(xiang)。

使用 MEMS 技術的方法

使用(yong)(yong)具有一個(ge)(ge)單(dan)(dan)(dan)點探(tan)測器(qi)、基(ji)于光(guang)學微機電(dian)系(xi)統(tong) (MEMS) 陣列(lie)技術的(de)全新方法可(ke)以克服傳(chuan)統(tong)光(guang)譜(pu)分(fen)析方法中的(de)很多限制。在基(ji)于單(dan)(dan)(dan)點探(tan)測器(qi)的(de)系(xi)統(tong)中，一個(ge)(ge)固態光(guang)學 MEMS 陣列(lie)用(yong)(yong)簡單(dan)(dan)(dan)、空間波(bo)(bo)長(chang)濾(lv)(lv)波(bo)(bo)器(qi)取(qu)代了(le)傳(chuan)統(tong)的(de)電(dian)動光(guang)柵。這個(ge)(ge)方法可(ke)以在消(xiao)除精(jing)細控制電(dian)動系(xi)統(tong)中問題(ti)的(de)同時，利用(yong)(yong)單(dan)(dan)(dan)點探(tan)測器(qi)的(de)性(xing)(xing)能(neng)優勢。近些年，此類系(xi)統(tong)已(yi)經(jing)投入生(sheng)產，其中，掃(sao)描(miao)光(guang)柵被取(qu)代，并且(qie) MEMS 器(qi)件過濾(lv)(lv)每(mei)一個(ge)(ge)特定波(bo)(bo)長(chang)進入單(dan)(dan)(dan)點探(tan)測器(qi)。這個(ge)(ge)方法在實現更(geng)加小巧和(he)穩健耐用(yong)(yong)光(guang)譜(pu)分(fen)析儀的(de)同時，也表現出很高的(de)性(xing)(xing)能(neng)。

相對(dui)于線性陣列探(tan)(tan)測(ce)器架構，光學 MEMS 陣列的(de)使用具有(you)數個優勢。首先，可(ke)(ke)以使用更(geng)大的(de)單元素(su)探(tan)(tan)測(ce)器，以提高(gao)采光量，并(bing)極大降低系統(tong)成(cheng)本和復(fu)雜度，這對(dui)于紅外系統(tong)更(geng)是如此。此外，由于不使用陣列探(tan)(tan)測(ce)器，像素(su)到像素(su)噪聲被消除了，而這可(ke)(ke)以極大地(di)提升信噪比 (SNR) 性能(neng)。SNR 性能(neng)的(de)提高(gao)可(ke)(ke)以在(zai)更(geng)短時間(jian)內獲得更(geng)加準確的(de)測(ce)量結果(guo)。

在(zai)一(yi)個使用 MEMS 技(ji)術(shu)的(de)光譜(pu)分(fen)析系統中(zhong)，衍(yan)射光柵和聚焦元件(jian)的(de)功能與之前一(yi)樣，但來自聚焦元件(jian)的(de)光在(zai) MEMS 陣列上成像(xiang)。要選擇一(yi)個用于分(fen)析的(de)波長，一(yi)個特定的(de)光譜(pu)響應波段被(bei)激活，這樣的(de)話，就可以(yi)將光引入到單(dan)點(dian)探測器中(zhong)進(jin)行采集(ji)和測量。

如果(guo) MEMS 器件(jian)高度(du)可靠，能(neng)夠生(sheng)成可預計的(de)濾波(bo)器響應，并且在不同的(de)時間和溫度(du)下保持恒(heng)定，那么這些優勢就(jiu)可以(yi)實現。

將一個 DLP^® 芯片(pian)或數字微(wei)鏡(jing)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian) (DMD) 用作一個空(kong)間(jian)光(guang)調制器(qi)(qi)(qi)，并且在(zai)一個光(guang)譜分析(xi)儀(yi)系統架構中將(jiang)其(qi)用作 MEMS 器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)話，可以克服數個難題。首(shou)先，使用一組(zu)鋁制微(wei)鏡(jing)來接通和關(guan)閉進入(ru)單(dan)點探測器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)光(guang)，這在(zai)廣(guang)泛的(de)(de)波長范(fan)圍內是光(guang)學有效的(de)(de)。其(qi)次，數字微(wei)鏡(jing)的(de)(de)打開和關(guan)閉狀態(tai)由機械(xie)止動(dong)裝置(zhi)和互補金屬氧化(hua)物半導體 (CMOS) 靜(jing)(jing)止隨(sui)機訪問存儲器(qi)(qi)(qi) (SRAM) 單(dan)元的(de)(de)鎖存電路控(kong)制，從(cong)而(er)提供固(gu)定(ding)的(de)(de)電壓鏡(jing)控(kong)制。這個固(gu)定(ding)電壓、靜(jing)(jing)止控(kong)制意(yi)味著這個系統不需要機械(xie)掃描或模擬(ni)控(kong)制環路，并且能(neng)夠簡化(hua)校(xiao)準(zhun)。它(ta)還使得光(guang)譜分析(xi)儀(yi)設計(ji)更能(neng)免受溫度、老化(hua)或振(zhen)動(dong)等錯誤源的(de)(de)影響。

DMD 的可編程屬(shu)性具有很(hen)多優(you)勢。其(qi)中某項優(you)勢會(hui)在(zai)進行光譜(pu)分析儀架構設計時顯現 -- 如(ru)果以被用作濾(lv)波器的微鏡的尋址列為(wei)基礎。由于 DMD 分辨率通常高于所需的光譜(pu)，DMD 區域會(hui)出(chu)現欠填充的情況(kuang)，并且會(hui)對(dui)光譜(pu)過采樣。這使得波長(chang)選擇(ze)完全可編程，并且在(zai)光引擎出(chu)現極端機械位移的情況(kuang)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¹，諸如采用的 Hadamard 圖形等高(gao)級孔徑編碼技術，可(ke)實現高(gao)度的靈(ling)活性(xing)和更高(gao)性(xing)能(neng)。

總之，與目前的光譜分(fen)析(xi)(xi)系統相比，使(shi)用(yong)(yong)(yong) DMD 的光譜分(fen)析(xi)(xi)器件可實現更(geng)(geng)高分(fen)辨率、更(geng)(geng)高靈活性(xing)、更(geng)(geng)加穩健耐(nai)用(yong)(yong)(yong)、更(geng)(geng)小(xiao)的外(wai)形尺(chi)寸和更(geng)(geng)低的成本(ben)，從(cong)而使(shi)得它們(men)對于廣泛的商業和工業應用(yong)(yong)(yong)更(geng)(geng)有吸引力。

單探測器架構消除噪聲

目前(qian)基于(yu)(yu)線性陣列(lie)(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光譜分(fen)析儀(yi)主(zhu)要受到(dao)兩(liang)個(ge)因素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)限制(zhi)。首先，探(tan)測(ce)(ce)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)波長選擇受到(dao)像素(su)(su)孔徑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)限制(zhi)。探(tan)測(ce)(ce)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺寸決定了采集到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光量，從而(er)影響SNR。諸如Hamamatsu G9203-256的(de)(de)(de)(de)(de)(de)常見磷化砷鎵銦 (InGaAs) 256像素(su)(su)線性陣列(lie)(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺寸為50微(wei)米(mi) x 500微(wei)米(mi)。相反(fan)地(di)，一(yi)個(ge)數字微(wei)鏡(jing)陣列(lie)(lie)(lie)是(shi)一(yi)個(ge)完全可(ke)編程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)矩(ju)陣，可(ke)以針對應用(yong)來配置列(lie)(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數量和掃描(miao)技術。這可(ke)以將(jiang)(jiang)更大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信號呈現(xian)給通常與(yu)(yu)DMD一(yi)同使用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)更大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1毫米(mi)或(huo)2毫米(mi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)點(dian)(dian)探(tan)測(ce)(ce)器。將(jiang)(jiang)窄(zhai)帶光過濾(lv)到(dao)一(yi)個(ge)線性陣列(lie)(lie)(lie)中 -- 通常是(shi)50微(wei)米(mi)寬像素(su)(su) -- 也許會出現(xian)串擾的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問題。像素(su)(su)到(dao)像素(su)(su)干擾會成為讀取過程(cheng)中產(chan)生(sheng)噪(zao)聲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要原(yuan)因。這些干擾可(ke)通過單(dan)探(tan)測(ce)(ce)器架構消(xiao)除。此外， 通過利用(yong)1kHz至(zhi)4kHz的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數字微(wei)鏡(jing)掃描(miao)速度，單(dan)點(dian)(dian)探(tan)測(ce)(ce)器可(ke)以達到(dao)與(yu)(yu)平(ping)行多點(dian)(dian)采樣相類似(si)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)駐留時間。對于(yu)(yu)基于(yu)(yu)MEMS -- 或(huo)基于(yu)(yu)DMD -- 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)緊湊型光譜分(fen)析儀(yi)引擎，結(jie)果顯示SNR的(de)(de)(de)(de)(de)(de)范圍大于(yu)(yu)10000:1。

對于超級移動光譜分析儀十分關鍵的小型、高分辨率2D MEMS陣列

為(wei)了(le)盡可(ke)能地提高(gao)性能，用戶需要考(kao)慮可(ke)被(bei)用于將光線反(fan)射至探測器(qi)的MEMS總面(mian)積。然后，將這個(ge)面(mian)積與(yu)可(ke)用單點探測器(qi)孔徑尺寸仔(zi)細匹配。

一(yi)個(ge)(ge)采用(yong)5.4微米微鏡的(de)(de)DMD具有超過40萬(wan)個(ge)(ge)可(ke)用(yong)像(xiang)素，并且(qie)可(ke)以(yi)針(zhen)對(dui)700納(na)米至(zhi)2500納(na)米的(de)(de)波長進行優化。該款DMD是DLP2010NIR，它(ta)采用(yong)一(yi)個(ge)(ge)被稱為TRP的(de)(de)全新像(xiang)素架構。如圖1中所見，這個(ge)(ge)像(xiang)素提供17度(du)的(de)(de)傾斜角。DLP2010NIR在一(yi)個(ge)(ge)評(ping)估模塊中運行；這個(ge)(ge)評(ping)估模塊提供針(zhen)對(dui)光(guang)(guang)譜(pu)分(fen)析應用(yong)場景的(de)(de)獨特(te)光(guang)(guang)學(xue)架構。一(yi)個(ge)(ge)利用(yong)17度(du)接通和關閉角度(du)的(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)路徑可(ke)以(yi)用(yong)一(yi)個(ge)(ge)盡(jin)可(ke)能減少(shao)散(san)射光(guang)(guang)的(de)(de)小巧引(yin)擎實現高性(xing)能感(gan)測分(fen)辨率。

圖(tu)2中(zhong)(zhong)顯示(shi)了(le)(le)這個針對光譜分(fen)(fen)(fen)析使用情況的(de)獨特光學引擎。這個系統優化了(le)(le)整個光路徑中(zhong)(zhong)光學信號。來自樣本的(de)響應(ying)(ying)在DMD上成(cheng)像，從(cong)而實現對每個波長的(de)空間(jian)控制。這個評(ping)估模塊的(de)目的(de)在于，通過將(jiang)高(gao)(gao)(gao)效MEMS用作光譜分(fen)(fen)(fen)析中(zhong)(zhong)的(de)高(gao)(gao)(gao)速2D濾波器，來獲得設計(ji)優勢。它是一(yi)款小(xiao)巧(qiao)、結實耐用且高(gao)(gao)(gao)度自適應(ying)(ying)系統，能夠(gou)使光譜分(fen)(fen)(fen)析走出實驗室，直接應(ying)(ying)用于現場測量或(huo)含光源測量。與傳統光譜分(fen)(fen)(fen)析儀相比，同一(yi)個器件中(zhong)(zhong)的(de)透射和(he)反射測量頭互換功能可以實現性能基準測試。

一個(ge)利用(yong)(yong)DLP2010NIR芯片的(de)(de)光(guang)譜(pu)分(fen)(fen)析(xi)光(guang)引(yin)擎有數(shu)個(ge)照明(ming)模塊，并(bing)且每個(ge)模塊的(de)(de)工(gong)作方式稍有不(bu)(bu)同。在一個(ge)傳(chuan)輸(shu)模塊中，光(guang)源、比(bi)色皿(min)支架、高精度比(bi)色皿(min)和(he)和(he)其它安裝硬件被(bei)用(yong)(yong)于完成(cheng)透(tou)射(she)(she)樣本(ben)的(de)(de)吸收量(liang)和(he)散射(she)(she)屬性(xing)的(de)(de)測(ce)量(liang)。NIR透(tou)射(she)(she)測(ce)量(liang)值可(ke)(ke)(ke)用(yong)(yong)于液體(ti)樣本(ben)，諸如果(guo)汁的(de)(de)水含量(liang)或出現的(de)(de)氣(qi)體(ti)特(te)征(zheng)。這些數(shu)據能夠提供(gong)與果(guo)汁原產地有關的(de)(de)很多(duo)信息。在固(gu)體(ti)樣本(ben)中，NIR透(tou)射(she)(she)可(ke)(ke)(ke)以測(ce)量(liang)塑料管的(de)(de)不(bu)(bu)透(tou)光(guang)度，而這是觀(guan)察氣(qi)體(ti)和(he)液體(ti)在傳(chuan)送線路中流動(dong)的(de)(de)重要參(can)數(shu)。線路內的(de)(de)透(tou)射(she)(she)測(ce)量(liang)也被(bei)用(yong)(yong)于分(fen)(fen)析(xi)黃(huang)油在生(sheng)產過程中的(de)(de)水含量(liang)，這樣可(ke)(ke)(ke)以及時(shi)調整黃(huang)油制作工(gong)藝，從(cong)而節省了時(shi)間、盡(jin)可(ke)(ke)(ke)能降低成(cheng)本(ben)，并(bing)且增加最終產品的(de)(de)質量(liang)。

或者，在(zai)樣(yang)本無需與光譜分析儀窗口(kou)接(jie)觸的測量中，反射模塊是一個選擇。它(ta)可(ke)以在(zai)幾厘(li)米的距離之外(wai)靈活(huo)地執行掃描操作(zuo)，比(bi)如(ru)(ru)肉品(pin)被包裝在(zai)塑料薄膜后監(jian)測肉品(pin)質(zhi)量。諸如(ru)(ru)血(xue)糖預測等健康應用方面，也可(ke)以使用皮膚的漫反射來成為NIR區域內特色(se)應用。

最后，在光纖(xian)耦合模(mo)塊中，不論是(shi)透(tou)射測量(liang)(liang)，還是(shi)反(fan)射測量(liang)(liang)，它們都(dou)是(shi)通過光纖(xian)實現(xian)。這樣(yang)可(ke)以在光譜分析儀與樣(yang)本無法(fa)直接(jie)接(jie)觸(chu)時(shi)實現(xian)測量(liang)(liang)。此類采樣(yang)示例包括監視工(gong)業過程、測量(liang)(liang)導管(guan)中流動的(de)液體、分析雞肉、牛(niu)肉和(he)豬肉中的(de)濕度、脂肪和(he)蛋白質含量(liang)(liang)。這些模(mo)塊極大地擴展了應用范圍，并且提供(gong)更(geng)高的(de)測量(liang)(liang)性能。Optecks具有(you)能夠實現(xian)所有(you)這些采樣(yang)方法(fa)的(de)照明模(mo)塊解(jie)決(jue)方案。

正如之(zhi)前(qian)討論過的(de)(de)那樣(yang)，使用(yong)DMD的(de)(de)光譜(pu)分(fen)析器件將功(gong)能拓展至對多個(ge)物質的(de)(de)分(fen)析、測試和(he)測量(liang)。它(ta)(ta)們(men)為(wei)實(shi)現更(geng)(geng)加準確(que)的(de)(de)性(xing)能、更(geng)(geng)高(gao)分(fen)辨率、更(geng)(geng)大(da)靈活性(xing)、更(geng)(geng)好的(de)(de)穩健耐用(yong)性(xing)和(he)更(geng)(geng)小外形尺寸光感(gan)側解(jie)決(jue)方案提供一個(ge)途徑。此外，使用(yong)DMD的(de)(de)光譜(pu)分(fen)析儀還帶來了更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)測量(liang)可靠性(xing)，而這在(zai)之(zhi)前(qian)使用(yong)的(de)(de)傳統(tong)(tong)光譜(pu)分(fen)析系統(tong)(tong)中，這也許是無法(fa)實(shi)現的(de)(de)。不論用(yong)戶是打算用(yong)它(ta)(ta)測量(liang)農田(tian)中的(de)(de)莊(zhuang)稼(jia)需要(yao)的(de)(de)灌溉量(liang)，或是想要(yao)預測食物中的(de)(de)腐敗程度，光譜(pu)分(fen)析都(dou)在(zai)不斷成為(wei)準確(que)、實(shi)時(shi)分(fen)析的(de)(de)強大(da)方法(fa)。

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展可實現下一代嵌入式小巧、便攜式系統”SPIE 9482-13 2015年4月

作者簡介

Mike Walker先生是德州儀器 (TI) DLP^® 產(chan)品部的業(ye)(ye)務(wu)拓展經理，負責這個部門的光譜(pu)分(fen)析(xi)業(ye)(ye)務(wu)。在過去幾年中，Walker始終(zhong)致(zhi)力(li)于(yu)將這項突破性架構引(yin)入到(dao)IR感測(ce)領域。在此(ci)之前30年間，Mike領導了TI的多個技(ji)術和業(ye)(ye)務(wu)團隊(dui)。

Hakki Refai博士(shi)是(shi)Optecks的(de)(de)首席(xi)技術官。他在(zai)針對基于DLP系(xi)統的(de)(de)光學(xue)、電(dian)子(zi)和(he)(he)軟件(jian)系(xi)統的(de)(de)設計和(he)(he)開發(fa)方面擁(yong)有10幾年的(de)(de)經驗(yan)。Refai博士(shi)在(zai)先進(jin)電(dian)子(zi)設備的(de)(de)設計、生產和(he)(he)分銷方面具有5年多的(de)(de)領導經驗(yan)。