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(gè)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(huì )使NIRscan Nano EVM的保修失效。另外，去掉光引擎上的罩子會(huì )使灰塵和污垢聚集在光學(xué)器件上，從而影響到系統性能。此外，去掉上面的罩子會(huì )移動(dòng)光學(xué)器件、狹縫和探測器，使這些元件錯位，需要廠(chǎng)家重新進(jìn)行對準和校準。如果拆除了狹縫，將需要把InGaAs探測器和DLP2010NIR返廠(chǎng)進(jìn)行系統對準與校準。

我們先來(lái)快速瀏覽一下。如下圖所示，基于DLP的分光計利用數字微鏡器件 (DMD)和單點(diǎn)探測器取代了傳統線(xiàn)性陣列探測器。通過(guò)按順序打開(kāi)與特定波長(cháng)光相對應的一組鏡列，對應光線(xiàn)被指向探測器，并被捕獲。通過(guò)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(shí)現方式相關(guān)的更多細節，請參考DLP分光計設計注意事項 。

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(xiàn)性陣列探測器相比，通過(guò)使用更大的單點(diǎn)1mm探測器，它能實(shí)現更高性能。

通過(guò)使用單元探測器和低成本光學(xué)器件，它能實(shí)現更低的系統成本。高分辨率DMD使得定制圖形能夠補償每一個(gè)單獨系統的光學(xué)失真。

能夠捕獲更大信號不僅得益于相比傳統技術(shù)，DMD具有更大的光學(xué)擴展量(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計。

借助可編程顯示模式，DLP分光計能夠：

通過(guò)控制一個(gè)鏡列中的像素數量來(lái)改變到達探測器的光的強度。

通過(guò)控制鏡列的寬度來(lái)改變系統的分辨率。

使用一組Hadamard圖形來(lái)在一個(gè)模式內捕捉多個(gè)波長(cháng)的光。然后，單獨的波長(cháng)數據可通過(guò)解碼獲取。每個(gè)模式內打開(kāi)DMD像素數量的50%，將比上面提到的列掃描方式獲得更強信號引至探測器/

使用定制光譜濾波器來(lái)選擇需要的特定波長(cháng)。

當前，DLP NIRscan Nano軟件支持可變分辨率和Hadamard圖形。不支持可變強度和定制光譜濾波器。光譜濾波器的示例請見(jiàn)SPI論文：由Eric Pruett撰寫(xiě)的德州儀器 (TI) DLP近紅外分光計的最新開(kāi)發(fā)實(shí)現了下一代嵌入式小巧、便攜式系統。

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探測器系統的環(huán)境溫度。這些值在每次掃描時(shí)被捕獲。

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

OPA350：對轉阻放大器的2.5V基準電壓進(jìn)行緩沖的高速運行放大器。

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。為了讓你看到系統的全部光學(xué)器件，我已經(jīng)將這個(gè)金屬薄片拆除。

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

當選擇將特定的DMD鏡列打開(kāi)時(shí)，或傾斜到+17°位置時(shí)，所選鏡列反射回來(lái)的光線(xiàn)在引導下，通過(guò)采集光學(xué)器件，到達單像素InGaAs探測器(黃色光線(xiàn))。所有其它DMD鏡列被設置為關(guān)閉、或者傾斜至-17°位置上，使未選中的波長(cháng)的光線(xiàn)轉向光引擎的底部，并遠離探測器光路徑，這樣的話(huà)，就不會(huì )干擾所選波長(cháng)的測量了。

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