针对农业和食品行业应用的移动式光谱分析

用MEMS技术的光谱分析系统的一般工作原理。衍射光栅和聚焦元件的功能不变， 不过来自聚焦元件的光被成像在MEMS阵列上。为了选择一个针对此分析的波长，光谱响应的一个特定波段被激活，以便将光引向用于光采集和测量的单点探测器元件。

图1

这一优势能够实现的前提是MEMS器件本身是可靠的，并且能够产生出可预计且在时间与温度范围内恒定的滤波器响应。

通过将一个数字微镜器件（DMD）用作一个空间光调制器，可以克服在光谱分析仪应用中采用MEMS时遇到的数个难题。首先，通过使用一个铝制MEMS微镜阵列，进入单点探测器的光被打开和关闭；而铝这一材质在大范围的波长范围内光学有效。第二，数字MEMS的打开和关闭状态由机械停止和一个互补金属氧化物半导体（CMOS）静态随机存取存储器（SRAM）单元的锁存电路控制，从而提供固定电压微镜控制。这就确保了这个系统不需要机械扫描和模拟控制环路，从而简化了分光镜系统的校准。它还使得系统对于温度、老化或抖动等误差源具有很强的抑制能力。

DMD的可编程属性具有很多优势；这些优势能够在根据一个可编程滤波器列的可寻址属性进行架构设计时实现。由于DMD的分辨率通常高于所需要的频谱，DMD区域会填充不足，而频谱会被过度采样。这就使得波长选择完全可编程，并且可以在光引擎出现极度机械位移时的情况下，将额外的微镜用作重新校准列。

最后，DMD是一个二维的可编程阵列，从而为用户提供了高度的灵活性。通过选择不同数量的列，可以调节分辨率和数据吞吐量。扫描时间能够动态变化，这样相对于那些不太关注的波长，对于感兴趣的波长可以进行时间更长、更加详细地检查，从而更好地使用仪器的处理时间和功能。此外，与固定滤波器器具相比，诸如哈达玛（Hadamard）图形应用等高级狭缝编码技术可实现高度灵活性，并且提高性能。这就在仪器或处理过程中极大地降低了分光镜功能的实现成本。

总之，一个基于DMD的解决方案实现了一个比当前光谱分析系统具有更高分辨率、更大灵活性、更经久耐用、外形尺寸更小、成本更低的分光器件，从而使它们对于更加广泛的商业和工业应用具有极大吸引力。

性能

目前，基于线性阵列的光谱仪的性能主要受到两方面因素的限制。首先，提供探测器的波长选择受到像素开口大小的限制。常见铟镓砷 （InGaAs）256像素线性阵列的大小，比如说Hamamatsu G9203-256，为50µm x 500µm，将决定采集到的光量，以及SNR的范围。相反地，如图2中所见，一个数字微镜阵列是一个完全可编程矩阵，其中的列数和扫描技术可以针对很多应用进行配置。这使得较大信号能够出现在一个通常与DMD一同使用的1mm x 2mm单点探测器上。在更大程度上，将窄波段光过滤到通常为50微米像素宽的线性阵列上，会出现串扰问题。像素到像素干扰会成为读数中噪声的主要原因。这些都可以由单探测器架构消除。此外，通过利用1kHz-4kHz之间的数字微镜扫描技术所具有的优势，单点扫描能够达到与并行多点采样相类似的驻留时间。对于基于超小型、紧凑DLP MEMS的光谱仪引擎来说，测试结果已经显示SNR的范围大于10000:1。

图2

使用最小的、高分辨率2D MEMS阵列来实现超级移动光谱仪

为了尽可能地提高性能，用户需要考虑可被用来将光反射至探测器的总体MEMS面积。然后将这个数值与可用单点探测器开口尺寸进行仔细匹配。

最近，一个具有超过400000可用像素，采用5.4微米微镜的全新DMD针对700纳米至2500纳米之间的波长进行了优化。DLP2010NIR采用一个被称为TRP的全新像素架构。如图3中所见，这个像素提供一个有效的 +/- 17度倾斜。这个全新的微镜架构已经提供了一个以评估模块方式实现的独特光学架构。使用+/- 17度角度的光路径实现了小巧的高性能引擎，从而最大限度地减少了漫射光。

图3. TRP

为了使用户能够评估这一全新架构，这一独特光引擎的插图被绘制出来（如图4中所示）；这幅插图中也展现了将一个高效MEMS用作一个针对光谱分析的高速2D滤波器所具有的全部优势。它是一款紧凑、坚固耐用且具有高度自适应性的系统，它能够使光谱分析走出实验室，直接应用于现场测量。很明显，这个架构的功能性和便携性通过仔细设计得以实现。用同一个器件，通过互换测量头端来执行不同测量的功能可以实现相对于传统光谱仪的性能基准测试。

图4

为了进一步探究在这样小的型封装内实现如此高性能的详细原因，对于光路径的简要概述会有所帮助。如图4中所示，这个系统被设计用来优化整条光路径内的光信号的使用；这个优化