德州仪器面向光谱分析的DLP技术

白皮书White Paper ZHCA613－2014年2月DLPA048–February

2014

德州仪器面向光谱分析的DLP 技术

Pascal Nelson

1德州仪器有什么新动态？

德州仪器DLP 产品部门推出首款近红外微机电系统(MEMS)数字微镜器件(DMD)，DLP4500NIR 。与此同时，DLP NIRscan平台也已面市，从而使得开发人员能够设计出新一代的高性能经济实用型光谱分析解决方案。2什么是光谱分析？

光谱分析是一种功能强大的非接触式技术，通过分析不同波长的光在整个光谱中的吸收或反射变化，可以快速识别物质的成分和相关特性。光谱分析可以支持可见光、红外光(IR)或紫外光(UV)波长。

光谱分析的工作原理是将光线展开为一个按波段分布的光带，形成一个类似“彩色”的彩虹（即使有可能某些颜色并不能被人眼所看见）。这样光线强度与对应波长能被测量和记录。通过对这些记录数据进行分析可以揭示与光线透射、反射或辐射相关的许多物质特性。近红外(NIR)和短波红外(SWIR)区具有特别丰富的分子振动模式信息，从而该波长范围特别适合分子光谱分析应用。

图1：分光镜检查采用光来揭示材料的性质

NIRscan 是德州仪器的商标。

DLP 是德州仪器的注册商标。

1

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什么是光谱分析？What is

Spectroscopy? www .ti.com.cn www.ti.com

图1强调了光谱分析作为一种检测和分析材料属性（通过测量其对于各种不同光的波长的差别相互作用来完成）的工具所具备的重要性。另外，该图还示出了经过DLP DMD 微镜阵列展开光谱波段的原理，该阵列用作一个可编程波长选择滤波器，以实现光谱分析应用。

2.1分光计用在哪些地方？

图2：分光镜检查的用途

图2示出了光谱分析在工业、医疗和科学领域中的许多应用。以下列举的并非所有应用，随着低成本、高性能、经济实用型分光计（特别是采用DLP 技术的分光计）的面市，新的应用将不断涌现。药品

•食品与农业

•石油化工

•制造（化学品和塑料）

•医疗

•安全

•更多…

光谱分析用于：

•

•

•

•通过和一个特征光谱的对比来识别某种未知物质；确定某种需检测物质的存在；定量检测以确定某些特定物质的浓度范围；采用主成分分析法(PCA)和化学计量学来分析某个样本的化学成分。

2Texas Instruments DLP Technology for Spectroscopy

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Spectroscopy?

2.2现有的光谱分析解决方案

光谱分析有多种类型，其包括：

·辐射（亮线）式光谱分析－主要用于元素分析；

·直接吸收或反射式光谱分析－主要用于分子分析；

·拉曼(Raman)光谱分析－用于分子分析。

除了不同的光谱分析类型（例如：拉曼或直接式），还有各种不同的光学和检测方式。分光计通常有用到反射镜和透镜等光学元件。透射和反射式衍射光栅被用来按波长分离光线。然而，选择一个传感器（探测器）来记录“光强与波长的关系”数据是一项重大的挑战。

一种方法（示于图3）是采用单点（非阵列）探测器。对于可见光（也许还有近紫外光）波长，这种探测器可以是基于硅的光电二极管。对于NIR 和IR 波长，探测器可以是光子器件（基于一种特殊的半导体材料，比如InGaA s ）或者热敏元件（辐射热测定器、热电偶、热释电晶体）。单点探测器需要某种物理运动以扫描由衍射光栅产生的光谱，从而对所有的波长进行采样。这种要求常常是通过旋转衍射光栅来实现的，这是一种严苛而且有可能十分麻烦的机械解决方案，对于便携式系统而言尤其如此。

样本

光源

狭缝

衍射光栅聚焦反射镜

旋转

聚焦反射镜

ADC

单点探测器

（例如：InGaAs ）

图3：采用一个旋转光栅和单元探测器的分光计

对于某些波长范围（可见光、长波长UV 光和NIR 光区域：大约350nm 至900nm ），基于硅的CCD 成像阵列或许是实用的（见图4）。这些成像阵列类似于科研摄像机中使用的成像阵列。采用阵列探测器可免除在光学系统中需可运动部件的要求，从而实现更简单和更可靠的结构设计。此外，这些传感器还具有与摄像机图像捕获相似的数据捕获优势。这种阵列方式在可见光波段具有高分辨率的解析度，出色的灵敏度及合理的成本。

在IR 范围中（特别是对于>1μm 的波长），需要采用更多独特的半导体材料，而阵列探测器要么价格十分昂贵、分辨率低，要么无法可用。在某些场合中，为了降低成本可允许存在坏点（或像素之间的非均匀性），但最终制成的分光计的实用性则也许因此受到限制。

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面向光谱分析解决方案的DLP 技术DLP Technology for

Spectroscopy Solutions

样本

光源

狭缝聚焦反射镜www .ti.com.cn www.ti.com

衍射光栅

聚焦反射镜

阵列探测器

(CCD)

*颜色代表不同的波长（与光谱区无关）

图4：采用一个阵列探测器的分光计

在几乎所有的NIR 和IR 光谱分析解决方案中（特别是波长超过1.7μm 的），必须积极主动地将探测器冷却到环境温度以下，旨在抑制暗电流的影响并改善动态范围。这通常是采用单级或多级热电冷却器(TEC)来实现的。

虽然在某些波长区域中可利用阵列探测器获得绝佳的结果，但是NIR 和IR 区域则需要使用昂贵和低分辨率的独特半导体探测器阵列。对那些针对NIR 和IR 并基于阵列探测器的光谱分析解决方案而言，这不仅将增加成本，而且还会限制性能。

3面向光谱分析解决方案的DLP 技术

相对于传统的光谱分析设计，TI 的DLP DMD 是非常适合解决上述提到问题的完美解决方案。

DMD （图5）由数十万到数百万个极微小的微镜阵列构成。

数字微镜器件(DMD)

微镜阵列

图5：DLP DMD （配有微镜阵列的近摄图）

Figure 5. DLP DMD With Close-up of Mirror Array

4Texas Instruments DLP Technology for Spectroscopy DLPA048ZHCA613–February2014

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www .ti.com.cn 面向分光镜检查解决方案的DLP 技术

DLP DMD 的独特架构易于形成一种分光计结构，并能够采用较大的单个探测器来取代昂贵的阵列探测器，同时仍可提供一个可靠的（无活动部件）光学平台。

样本

光源

狭缝

衍射光栅聚焦反射镜

聚焦反射镜

DLP DMD

微镜阵列R

ADC

*颜色代表不同的波长（与光谱区无关）单点探测器

（例如：InGaAs ）

图6：采用一个DLP DMD 和单元探测器的分光计

图6示出了怎样将DMD 应用于光路以选择特定的波长范围，然后由单个探测器进行测量。对单一波长的选择是通过有选择性地打开或关闭反射镜列来完成，旨在仅将需要的波长反射至探测器。在IR /NIR 波长范围内，这允许使用高性能低成本的单元探测器，同时实现了波长选择的灵活性、快速和可靠性。

图7示出了基于DMD 的光谱分析光路设计布局。这种强大且可编程的设计架构使得设备制造商能够以更高的性能和更低的价位分析更多近红外物质，同时实现小型化以适合于现场分析产线作业。

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为什么选择DLP 技术进行光谱分析www .ti.com.cn

图7：DLP NIRscan EVM 的光路和组件示意图

4为什么选择DLP 技术用于光谱分析？

4.1性能

与现有的光谱分析解决方案相比，DLP DMD 解决方案拥有诸多的优势，包括：

•与阵列探测器中的列数相比，DM D 具有的列数更多，因而可提供更高的波长分辨率。•相比于阵列探测器，基于DMD 的分光计解决方案可提供更大的探测面积和更高的光捕获效率。—DMD 提供了较大空间面积（垂直于展开的光谱），因而与窄阵列探测器相比可捕获更多来自样本的光线。—DMD 可以使用大得多的单像素探测器（1mm 至3mm ），而典型阵列探测器的像素尺寸则为30μm 至50μm 。•DLP 解决方案可在给定的测量时间里实现更好的信噪比(SNR)指标。这为设计人员提供了以较少的时间完成更精确测量的能力，从而可测量新的或难以探测的物质。有些阵列探测器常常需要0.5s 到1s（甚至长达10s）的积分时间，尽管其宣称具有10ms 的采集时间。而采用DLP 时，不到0.5s 就能完成全部扫描，并可以提供理想的SNR。

•基于DMD 的光谱分析能校正杂散光的影响，从而以低于其他类型光谱分析系统的成本实现了性能优化。•DLP 技术所用到的单元探测器法可消除由于像素缺陷或非均匀性（基于阵列的低成本解决方案常常伴随着此类问题）引起的扫描误差。DLP 光谱分析的校准在装配时可利用软件完成，并且整个系统能在一定温度范围内、•老化过程中和机械振动环境下保持工作性能的稳定。

－DMD 光谱分析简单、可靠的结构简化了制造和校准工艺，而基于软件的校准方法可在批量生产过程中确保每一台机器的一致性。

4.2可编程性

•可编程的DLP DMD 使得光谱分析仪器在使用时可以更灵活的编程出简单或复杂的扫描图形。这将拓展使用单个终端设备检测更多不同物质的能力。

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www .ti.com.cn www.ti.com 未来的计划Next

Steps

•DLP 架构实现了自适应扫描技术，而采用阵列探测器或旋转光栅设计是不可能做到这一点的。此外，软件还能够根据先前的测量结果来相应地调整扫描方法。这可实现一种更加“按需优化”的分析，并提供更大的灵活性而不仅仅是增加扫描时间。实例的方法包括：

－自动SNR 调节－恒定SNR 扫描：

•可通过动态地调节扫描速率或滞留时间来实现，即使在光谱的不同子区域内部也不例外。

－自动光通量控制：

•通过改变一列之中的反射镜数量（列的高度）来实现，由此调节反射光通量的大小。

－分辨率和波长范围的“执行中”控制：

•可以改变扫描列的宽度，因此实现所需的分辨率；对特定区域，可以以相对其他不重要区域更高的分辨率扫描。

－采用多模式的化学计量学方法：

•可将计算出的pattern 顺序地输入至DMD ，旨在寻找化学物质的特性光谱特征。

4.3便携

•DMD 使得能够采用一个较大的单探测器来取代昂贵的阵列探测器。这可以在提高性能的同时极大地降低光谱分析的成本。

•基于DMD 的光谱分析结构简单和可靠，简化了制造和校准工艺，而基于软件的校准方式可在批量生产中确保一致性。

5下一步的计划

DLP 技术在光谱分析应用中提供了诸多的优势。采用DLP 技术可以克服目前光谱分析设备中存在的许多缺陷。今天，可以采用DLP 技术来设计高性能、可靠、灵活和经济的光谱分析解决方案。TI通过提供IR 优化型DMD、光谱分析开发套件(NIRscanEVM)、相关软件和技术信息加快了面向光谱测定法之DLP 技术的普及。敬请访问，以了解更多详情并及时获悉先进光谱分析解决方案的最新开发成果。DLPA048ZHCA613–February 2014

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DLP

开发套件及DLP 光学引擎请联系——陈[1**********][email protected]北京闻亭泰科技术发展有限公司

W4100：

与TI 公司的Discovery 完全兼容

支持DLP7000和DLP9500

Wintech 公司资助开发的SDK ，支持更高的

帧率

Wintech 给您提供更完善的解决方案W4100升级版：采用了2条DDR3数据缓存功能采用Virtex6平台，资源和性能大幅提升增加PCIe 接口，支持3到5米pcie 1.0x4数据传输提供18个普通的GPIO 接口信号提供外部I2C 总线接口

PRO4500:

与LightCrafter4500软硬件完全兼容

采用可定制的光源和镜头

支持同步触发

为3D 打印和三维扫描等应用重新设计

提供更专业可靠的解决方案LightCrafter4500:由Wintech 公司为TI 公司ODM 制作，软硬件参数及性能详见TI 官网

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