神秘的德州儀器DLP NIRscan Nano模塊被大卸八塊 - 全文

　　為了將DLP NIRs can 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(cuò)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(jì)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(jì)算出吸收光譜。要獲得與DLP分光計(jì)實(shí)現(xiàn)方式相關(guān)的更多細(xì)節(jié)，請參考DLP分光計(jì)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 。

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(shí)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(shí)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(gè)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(jì)。

　　借助可編程顯示模式，DLP分光計(jì)能夠：

　　通過控制一個(gè)鏡列中的像素?cái)?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(gè)模式內(nèi)捕捉多個(gè)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(gè)模式內(nèi)打開DMD像素?cái)?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(jì)的最新開發(fā)實(shí)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(shí)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(gè)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(jì)信噪比的考量這個(gè)分光計(jì)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(gè)885nm長的波通濾波器，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(xù)波長（多色光線）。聚焦透鏡將狹縫圖像展開在DLP2010NIRDMD上。這個(gè)狹縫圖像的不同波長水平分布在DLP2010NIR DMD上。這個(gè)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(shí)，或傾斜到+17°位置時(shí)，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(shí)，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(gè)像素列對應(yīng)約為(1700 - 900nm)/(854 * 0.8像素) = 1.17nm。制造時(shí)，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(gè)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。

　　DLP NIRscan Nano反射式模塊的工作方式為，以一定的角度照射測試中的樣品，這樣的話，避免了采集鏡面反射的光，同時(shí)采集漫反射光，并將其聚焦至狹縫。由于玻璃燈泡的前端形成了一個(gè)透鏡，會將更多的光從燈絲導(dǎo)引至樣品測試區(qū)域，因此將照明燈設(shè)計(jì)為透鏡燈。采集鏡頭搜集樣品窗口上直徑為2.5mm區(qū)域內(nèi)的光照。采集區(qū)域的大小與透鏡燈生成的標(biāo)稱照射光斑的大小相匹配。這就需要將樣品放置在正對著深藍(lán)色窗口的位置上，在這里，兩個(gè)成角度的光源路徑相交形成透鏡的視覺采集錐形區(qū)域。如果將樣品位移至更遠(yuǎn)離窗口的位置上，樣品也許就不能接受足夠的光照，系統(tǒng)也就無法執(zhí)行準(zhǔn)確掃描了。下面顯示的是將反射式模塊翻過來之后看到的內(nèi)部構(gòu)造：