二维MEMS阵列为移动式光谱仪开辟了道路
2016-10-13 15:00:12   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

数字微镜器件作为空间光调制器可以克服传统光谱测量架构的不足。

据麦姆斯咨询信息，就近红外光谱检测系统而言，如果具有高精度和功能性的高性能试验室系统能够结合便携性，那将显著增强其实时分析检测能力。电池供电的手持式光谱仪的开发，将使工业生产过程和田间果蔬成熟度监测变得更加高效。

光谱仪广泛应用于实验室和田间的物质化学组成评估

大部分色散红外光谱测量方法，开始时的方法大体相同。光线通过一个具有光栅的狭小缝隙进行分析，通过光栅来控制分析仪器的分辨率。衍射光栅经过特定设计，将不同波长的光以不同的角度反射出去。分析系统从而对分离出的各个波长的光，进行光强测量。

传统光谱测量架构之间的差异主要在于如何测量分离出来的色散光。主要的方法有两种：1）结合色散光物理扫描的单元素（或单点）探测器；2）将色散光成像在探测器阵列上。

利用MEMS技术的方法

许多传统光谱技术的局限性，可以通过利用基于光学MEMS阵列技术的单点探测器来解决。固态光学MEMS阵列，利用结合空间波长滤镜基于单点探测器的系统，来取代传统的电动光栅。

用于药物分析的手持式光谱仪

相对线性探测器阵列架构，光学MEMS阵列具有诸多优势。首先，一款更大的单元素探测器可以提高光收集量，并大幅降低系统的成本和复杂性，尤其是对于红外系统；其次，去除了阵列探测器后，也便去除了像素到像素的噪声，这能够显著提高系统的信噪比性能。信噪比的提高，能够使系统在更短的时间内获得更准确的测量结果。

在采用MEMS技术的光谱系统中，衍射光栅和聚焦元件执行和以前一样的功能，不同的是，来自聚焦元件的光线将成像在MEMS阵列上。为了选择所要分析的波长，光波响应特定频段将被激活，将光线引导到单点探测器元件上，进行光的收集和测量。

如果MEMS器件具有高度的可靠性和可预见性，并能够随时间和温度持续稳定地产生滤镜响应，那就能充分展现MEMS技术的优势。

如果将MEMS器件应用于光谱仪系统架构中，采用数字光处理芯片（digital light proccessing, DLP）或者数字微镜器件（digital micromirror device, DMD）作为空间光调制器，能够克服传统光谱仪系统面临的诸多挑战。首先，利用铝制微镜阵列的切换将光线投射到单点探测器上，在广泛的波长范围内都具有很高的光学效率。其次，数字微镜的开闭状态由机械止动装置和CMOS静态随即存取存储单元锁存电路控制，能够提供固定电压微镜控制。固定电压静电控制，意味着系统不再需要机械扫描或模拟控制系统，能够简化系统校准。它还使得光谱仪设计更能抵抗诸如温度、老化或振动等误差源。

利用数字光处理技术的光谱仪工作示意图

数字微镜器件的可编程特性具有许多优势。将微镜柱作为滤镜来设计光谱仪架构时，便能体现其中的一个优势。数字微镜器件的分辨率通常要比所需要的光谱更高，因此数字微镜器件的区域无需全部利用，而光谱可以进行过采样。这使得波长选择可以完全编程控制，在光学引擎发生极端机械漂移的情况下，额外的微镜还可以作为重新校准列。

而且，数字微镜器件还是一款二维可编程阵列，能够赋予使用者高度的灵活性。通过选择不同数量的光柱，可以调整系统的分辨率和通过量。扫描时间的动态变化，可以使感兴趣的波长获得更多的检测时间和更丰富的细节，充分利用仪器的使用时间和检测性能。此外，先进的光圈编码技术，例如Hadamard模型，相比固定滤镜可以获得高度的灵活性和更高的性能。

总的来说，利用数字微镜器件的光谱仪相对目前的产品，可以获得更高的分辨率和灵活性，更加坚固耐用，更小的外观尺寸和更低的成本，使其广泛的适用于各种商业和工业领域。

单探测器架构可有效消除噪音

目前，基于线性阵列的光谱仪主要受制于两大主要因素。首先，投射到探测器上的光的波长选择受限于像素孔径比。探测器的尺寸决定了收集光的总量，并界定了信噪比。典型的砷化铟镓（InGaAs）256像素线性阵列，如Hamamatsu（滨松） G9203-256，像素尺寸为50 × 500微米。而数字微镜阵列为完全可编程矩阵，光柱数量和扫描方法是可以根据应用进行配置的。利用数字微镜器件可以将更强的光信号投射到尺寸更大（1~2 mm）的单点探测器上。经过滤波的窄波光投射到线性阵列（通常像素宽度为50微米）上，可能会引起像素间的干扰。像素间的干扰可能会成为数据读取时的主要噪音来源。单点探测器架构能够消除这些像素间的干扰。同样，数字微镜扫描速度可达1 kHz至4 kHz，利用这一优势，单点扫描可以获得和多点取样相似的停留时间。利用基于MEMS技术（或数字微镜器件）的紧凑型光谱仪光学引擎，其测量结果显示其信噪比范围 >10000:1。

二维MEMS阵列是实现移动光谱仪的关键

为了获得最优的性能，用户需要考虑能够用于将光线反射至探测器的整个MEMS区域面积，才能匹配合适的单点探测器光圈尺寸。

DLP2010NIR是一款现有的超过40万有效像素的5.4微米微镜，为700~2500纳米波长的光进行了优化，利用了一种名为TRP的新像素架构。如下图所示，每个像素能够提供17度的倾角。DLP2010NIR已经装备在一款评估模型产品中，它能够为光谱学应用提供独一无二的光学架构。利用17度倾角切换的光路实现了高性能传感解决方案，其紧凑的光学引擎能够使漫射光最小化。

具有17度倾角的微镜结构

下图展示了这款应用于光谱仪的独特光学引擎。该系统对整个光路进行了光学信号优化。对样本的光学响应成像在数字光学微镜上，能够对每段波长进行空间控制。评估模型希望利用高效的MEMS器件作为光谱仪的高速二维滤镜，以此获得有益的产品设计。该系统外观紧凑、坚固且适应性强，将光谱学分析从实验室带到了各种需要检测的实地场景。可更换测量头，使其性能相比传统光谱仪更加强大。

利用数字微镜器件和单点探测器的光谱仪光学引擎

目前，有多个利用DLP2010NIR芯片的光谱仪光学引擎演示模块，它们的运行略有差别。在一款透射模块中，利用光源、比色皿支架、精密比色皿和其它附加硬件，可用于测量透射样本的吸收和散射性质。NIR（近红外）透射测量可用于测量液体样本，比如果汁中的水分含量和气态组分。测得数据可以提供关于果汁来源的丰富信息。对于固态样本，近红外透射可以测量塑料管道的不透明度，这是气体和液体传输管道观测的重要参数之一。嵌入式透射测量还可以用于黄油生产中的水分含量分析，准确调整黄油制作的时间，节省了生产时间，降低了成本，并能提高终端产品的产品质量。

此外，一款反射模块也可以用于测量那些无需光谱仪视窗接触的样品。它能够在距离样品数厘米的地方进行扫描检测，具有更大的灵活性，例如可以监测塑料包装的肉制品的质量。利用人体皮肤散射出来的近红外光，还可以预测人体血糖状况，从而进行健康检查。

最后，利用光纤制得的一款光线耦合模块，既可以进行透射测量也可以进行反射测量。例如可以用于监测工业过程、管道中的液体、肉类中的脂肪和蛋白质含量等。该模块大大扩展了应用范围，并能提供增强的测量性能。Optecks已经推出演示模型实现了所有以上样本监测方法。

综上所述，利用数字微镜器件的光谱仪设备扩展了其分析、测试及测量多种物质的能力。这些光传感解决方案能够提供更精准的检测性能、更高的分辨率、更高的灵活性、更坚固更小巧的外形尺寸。此外，利用数字微镜器件的光谱仪能够提升测量可靠性，大幅超越传统光谱仪系统。用户无论是想利用它来测量庄稼需要多少灌溉，还是预测食品的保质期，光谱仪仍将是精确、实时分析的有效方法。

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