淺談二維微機(jī)電(MEMS)陣列對(duì)移動(dòng)光譜分析儀的影響

在近紅外（NIR）光譜分析領(lǐng)域中，一個(gè)將便攜性與高性能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和功能性組合在一起的系統(tǒng)將極大地改進(jìn)實(shí)時(shí)分析。由一塊電池供電的小型手持式光譜分析儀的開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程、或食品成熟度的評(píng)估在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更有效的監(jiān)控。

大多數(shù)色散光譜分析測(cè)量在一開始采用的都是同樣的方式。被分析的光通過一個(gè)小狹縫；這個(gè)狹縫與一個(gè)光柵組合在一起，共同控制這個(gè)儀器的分辨率。這個(gè)衍射光柵專門設(shè)計(jì)用于以已知的角度反射不同波長(zhǎng)的光。這個(gè)波長(zhǎng)的空間分離使得其它系統(tǒng)可以根據(jù)波長(zhǎng)來測(cè)量光強(qiáng)度。

傳統(tǒng)光譜測(cè)量架構(gòu)的主要不同之處在于散射光的測(cè)量方式。兩種常見的方法有（1）與散射光物理掃描組合在一起的單元素（或單點(diǎn)）探測(cè)器，以及（2）將散射光在一組探測(cè)器上成像。

使用MEMS技術(shù)的方法

使用具有一個(gè)單點(diǎn)探測(cè)器、基于光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 陣列技術(shù)的全新方法可以克服傳統(tǒng)光譜分析方法中的很多限制。在基于單點(diǎn)探測(cè)器的系統(tǒng)中，一個(gè)固態(tài)光學(xué)MEMS陣列用簡(jiǎn)單、空間波長(zhǎng)濾波器取代了傳統(tǒng)的電動(dòng)光柵。這個(gè)方法可以在消除精細(xì)控制電動(dòng)系統(tǒng)中問題的同時(shí)，利用單點(diǎn)探測(cè)器的性能優(yōu)勢(shì)。近些年，此類系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)，其中，掃描光柵被取代，并且MEMS器件過濾每一個(gè)特定波長(zhǎng)進(jìn)入單點(diǎn)探測(cè)器。這個(gè)方法在實(shí)現(xiàn)更加小巧和穩(wěn)健耐用光譜分析儀的同時(shí)，也表現(xiàn)出很高的性能。

相對(duì)于線性陣列探測(cè)器架構(gòu)，光學(xué)MEMS陣列的使用具有數(shù)個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，可以使用更大的單元素探測(cè)器，以提高采光量，并極大降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，這對(duì)于紅外系統(tǒng)更是如此。此外，由于不使用陣列探測(cè)器，像素到像素噪聲被消除了，而這可以極大地提升信噪比（SNR）性能。SNR性能的提高可以在更短時(shí)間內(nèi)獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

在一個(gè)使用MEMS技術(shù)的光譜分析系統(tǒng)中，衍射光柵和聚焦元件的功能與之前一樣，但來自聚焦元件的光在MEMS陣列上成像。要選擇一個(gè)用于分析的波長(zhǎng)，一個(gè)特定的光譜響應(yīng)波段被激活，這樣的話，就可以將光引入到單點(diǎn)探測(cè)器中進(jìn)行采集和測(cè)量。

如果MEMS器件高度可靠，能夠生成可預(yù)計(jì)的濾波器響應(yīng)，并且在不同的時(shí)間和溫度下保持恒定，那么這些優(yōu)勢(shì)就可以實(shí)現(xiàn)。

將一個(gè)DLP? 芯片或數(shù)字微鏡器件（DMD）用作一個(gè)空間光調(diào)制器，并且在一個(gè)光譜分析儀系統(tǒng)架構(gòu)中將其用作MEMS器件的話，可以克服數(shù)個(gè)難題。首先，使用一組鋁制微鏡來接通和關(guān)閉進(jìn)入單點(diǎn)探測(cè)器的光，這在廣泛的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是光學(xué)有效的。其次，數(shù)字微鏡的打開和關(guān)閉狀態(tài)由機(jī)械止動(dòng)裝置和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）靜止隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（SRAM）單元的鎖存電路控制，從而提供固定的電壓鏡控制。這個(gè)固定電壓、靜止控制意味著這個(gè)系統(tǒng)不需要機(jī)械掃描或模擬控制環(huán)路，并且能夠簡(jiǎn)化校準(zhǔn)。它還使得光譜分析儀設(shè)計(jì)更能免受溫度、老化或振動(dòng)等錯(cuò)誤源的影響。

DMD的可編程屬性具有很多優(yōu)勢(shì)。其中某項(xiàng)優(yōu)勢(shì)會(huì)在進(jìn)行光譜分析儀架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)顯現(xiàn)——如果以被用作濾波器的微鏡的尋址列為基礎(chǔ)。由于DMD分辨率通常高于所需的光譜，DMD區(qū)域會(huì)出現(xiàn)欠填充的情況，并且會(huì)對(duì)光譜過采樣。這使得波長(zhǎng)選擇完全可編程，并且在光引擎出現(xiàn)極端機(jī)械位移的情況下，將額外微鏡用作重新校準(zhǔn)列。

此外， DMD是一個(gè)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(shù)量，可以調(diào)節(jié)分辨率和吞吐量。掃描時(shí)間可動(dòng)態(tài)調(diào)整，如此一來，用戶可對(duì)所需波長(zhǎng)進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間、更加詳細(xì)的檢查，從而更好地使用儀器時(shí)間和功能。此外，相對(duì)于固定濾波器器具1，諸如采用的Hadamard圖形等高級(jí)孔徑編碼技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高度的靈活性和更高性能。

總之，與目前的光譜分析系統(tǒng)相比，使用DMD的光譜分析器件可實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更高靈活性、更加穩(wěn)健耐用、更小的外形尺寸和更低的成本，從而使得它們對(duì)于廣泛的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用更有吸引力。

單探測(cè)器架構(gòu)消除噪聲

目前基于線性陣列的光譜分析儀主要受到兩個(gè)因素的限制。首先，探測(cè)器的波長(zhǎng)選擇受到像素孔徑的限制。探測(cè)器的尺寸決定了采集到的光量，從而影響SNR。諸如Hamamatsu G9203-256的常見磷化砷鎵銦（InGaAs）256像素線性陣列的尺寸為50微米 x 500微米。相反地，一個(gè)數(shù)字微鏡陣列是一個(gè)完全可編程的矩陣，可以針對(duì)應(yīng)用來配置列的數(shù)量和掃描技術(shù)。這可以將更大的信號(hào)呈現(xiàn)給通常與DMD一同使用的更大的1毫米或2毫米的單點(diǎn)探測(cè)器。將窄帶光過濾到一個(gè)線性陣列中——通常是50微米寬像素——也許會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_的問題。像素到像素干擾會(huì)成為讀取過程中產(chǎn)生噪聲的主要原因。這些干擾可通過單探測(cè)器架構(gòu)消除。此外， 通過利用1kHz至4kHz的數(shù)字微鏡掃描速度，單點(diǎn)探測(cè)器可以達(dá)到與平行多點(diǎn)采樣相類似的駐留時(shí)間。對(duì)于基于MEMS ——或基于DMD——的緊湊型光譜分析儀引擎，結(jié)果顯示SNR的范圍大于10000:1。

對(duì)于超級(jí)移動(dòng)光譜分析儀十分關(guān)鍵的小型、高分辨率2D MEMS陣列

為了盡可能地提高性能，用戶需要考慮可被用于將光線反射至探測(cè)器的MEMS總面積。然后，將這個(gè)面積與可用單點(diǎn)探測(cè)器孔徑尺寸仔細(xì)匹配。

一個(gè)采用5.4微米微鏡的DMD具有超過40萬個(gè)可用像素，并且可以針對(duì)700納米至2500納米的波長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。該款DMD是DLP2010NIR，它采用一個(gè)被稱為TRP的全新像素架構(gòu)。如圖1中所見，這個(gè)像素提供17度的傾斜角。DLP2010NIR在一個(gè)評(píng)估模塊中運(yùn)行；這個(gè)評(píng)估模塊提供針對(duì)光譜分析應(yīng)用場(chǎng)景的獨(dú)特光學(xué)架構(gòu)。一個(gè)利用17度接通和關(guān)閉角度的光學(xué)路徑可以用一個(gè)盡可能減少散射光的小巧引擎實(shí)現(xiàn)高性能感測(cè)分辨率。