[资料分享] DLPNIRscan Nano评估模块揭秘

好大一阵风 2016-4-13 11:35 楼主

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NIRscan Nano评估模块的爱好者们：

为了将DLP NIRscan Nano评估模块(EVM)的硬件及光引擎解释清楚，我拆解了一个早期由Coretronic公司生产的模块。需要注意的是，任何对光引擎的拆解会使NIRscan Nano EVM的保修失效。另外，去掉光引擎上的罩子会使灰尘和污垢聚集在光学器件上，从而影响到系统性能。此外，去掉上面的罩子会移动光学器件、狭缝和探测器，使这些元件错位，需要厂家重新进行对准和校准。如果拆除了狭缝，将需要把InGaAs探测器和DLP2010NIR返厂进行系统对准与校准。

我们先来快速浏览一下。如下图所示，基于DLP的分光计利用数字微镜器件 (DMD)和单点探测器取代了传统线性阵列探测器。通过按顺序打开与特定波长光相对应的一组镜列，对应光线被指向探测器，并被捕获。通过扫描DMD上的一组镜列，可以计算出吸收光谱。要获得与DLP分光计实现方式相关的更多细节，请参考DLP分光计设计注意事项。

近红外 (NIR) 光谱光谱分析中的DLP技术提供以下优势：

与具有极小像素的线性阵列探测器相比，通过使用更大的单点1mm探测器，它能实现更高性能。
通过使用单元探测器和低成本光学器件，它能实现更低的系统成本。高分辨率DMD使得定制图形能够补偿每一个单独系统的光学失真。
能够捕获更大信号不仅得益于相比传统技术，DMD具有更大的光学扩展量（etendue），而且也受益于其快速、灵活、以及可编程的显示模式及滤波器设计。
借助可编程显示模式，DLP分光计能够：

通过控制一个镜列中的像素数量来改变到达探测器的光的强度。
通过控制镜列的宽度来改变系统的分辨率。
使用一组Hadamard图形来在一个模式内捕捉多个波长的光。然后，单独的波长数据可通过解码获取。每个模式内打开DMD像素数量的50%，将比上面提到的列扫描方式获得更强信号引至探测器/
使用定制光谱滤波器来选择需要的特定波长。

当前，DLP NIRscan Nano软件支持可变分辨率和Hadamard图形。不支持可变强度和定制光谱滤波器。光谱滤波器的示例请见SPI论文：由Eric Pruett撰写的德州仪器 (TI) DLP近红外分光计的最新开发实现了下一代嵌入式小巧、便携式系统。

DLP NIRscan Nano具有以下主要组件：

拿掉光引擎的罩子后，可以看到受其保护的DMD和探测器电路板。

探测器电路板包含以下主要组件

1mm非冷却Hamamatsu G12180-010A InGaAs光电二极管（探测器）。
OPA2376转阻低噪声放大器：将InGaAs探测器到ADC的信号放大。
ADS1255 ADC：将InGaAs探测器的已放大信号转换为用于Tiva处理的24位值。
TMP006热电偶传感器：测量InGaAs探测器系统的环境温度。这些值在每次扫描时被捕获。
REF5025：低噪声、极低漂移、高精度电压基准，它为转阻放大器和ADC提供2.5V基准。
OPA350：对转阻放大器的2.5V基准电压进行缓冲的高速运行放大器。

装上探测器后：

去掉反射式模块，可以看到狭缝：

DMD电路板正好将DLP2010NIR与系统的其余部分相连。

一旦将光引擎的罩子拿掉，你就能够看到以下的光学组件。准直镜头和波通滤波器在前两张照片中所示的金属薄片的下方。为了让你看到系统的全部光学器件，我已经将这个金属薄片拆除。

在这幅图中，我已经在来自样品的输入反射光上添加了标记（黄色箭头）。漫反射自样品的光在采集镜头上聚集，并且通过输入狭缝聚焦在光引擎上。狭缝的大小设定平衡了波长分辨率以及分光计信噪比的考量这个分光计使用宽度为25μm、长度为1.69mm的狭缝。通过狭缝的光在第一组镜头上校准，通过一个885nm长的波通滤波器，然后打在一个反射光栅上。这个与聚焦透镜组合在一起的光栅将光源色散为连续波长（多色光线）。聚焦透镜将狭缝图像展开在DLP2010NIRDMD上。这个狭缝图像的不同波长水平分布在DLP2010NIR DMD上。这个光学系统将900nm波长成像在DMD的一端上，将1700nm波长成像在另一端上，而在两端中间按顺序散开所有其它波长。

当选择将特定的DMD镜列打开时，或倾斜到+17°位置时，所选镜列反射回来的光线在引导下，通过采集光学器件，到达单像素InGaAs探测器（黄色光线）。所有其它DMD镜列被设置为关闭、或者倾斜至-17°位置上，使未选中的波长的光线转向光引擎的底部，并远离探测器光路径，这样的话，就不会干扰所选波长的测量了。

为了在狭缝位置、光栅角度和DMD 位置上允许机械公差，DLP NIRscan Nano的狭缝图像投到DMD上时，在长度方向上每边欠覆盖10%而在高度方向上每边过覆盖10%，这就使DMD上每个像素列对应约为(1700 - 900nm)/(854 * 0.8像素) = 1.17nm。制造时，在波长与它们在DMD上的镜列位置之间进行校准。由于DMD镜列的数量通常不是所需波长组数量的整数倍，DLP NIRscan Nano在整个扫描期间保持镜列的宽度不变，按照所需波长组数量的步长在DMD上移动。

DLP NIRscan Nano反射式模块的工作方式为，以一定的角度照射测试中的样品，这样的话，避免了采集镜面反射的光，同时采集漫反射光，并将其聚焦至狭缝。由于玻璃灯泡的前端形成了一个透镜，会将更多的光从灯丝导引至样品测试区域，因此将照明灯设计为透镜灯。采集镜头搜集样品窗口上直径为2.5mm区域内的光照。采集区域的大小与透镜灯生成的标称照射光斑的大小相匹配。这就需要将样品放置在正对着深蓝色窗口的位置上，在这里，两个成角度的光源路径相交形成透镜的视觉采集锥形区域。如果将样品位移至更远离窗口的位置上，样品也许就不能接受足够的光照，系统也就无法执行准确扫描了。下面显示的是将反射式模块翻过来之后看到的内部构造：

在光学器件裸露在外时，你可以从探测器一侧看到DLP2010NIR：

微处理器板包含以下主要组件：

TM4C1297：运行频率为120MHz的Cortex-M4微处理器，其中有集成的1MB闪存、256K SRAM和USB 2.0接口。
CC2564MODN：具有板上天线的单芯片Bluetooth 4.1 Low Energy子系统模块。
bq24250：单节锂离子或锂聚合物电池充电器，由USB充电时的充电电流高达1A，并且具有可选电池热敏电阻，以监视电池温度，实现安全充电。
TPS63036：采用晶圆级芯片尺寸封装的高效降压-升压转换器，提供3.3V电源。
TPS81256：为模拟电路提供5.5V电源的microSIP封装高效升压转换器。
HDC1000：支持14位分辨率的低功耗、高精度温度和湿度传感器。

微处理器板的底部如下所示：

微处理器板的顶部如下所示：

DLP控制器板包含以下主要组件：

DLPC150：DLP数字控制器用于先进光控制。TM4C1297微处理器连同DLPC150一起控制每个DLP2010NIR微镜，将特定波长的光发射至单点InGaAs探测器。
DLPA2005：为DLP提供1.8V、10V、18V和 -14V电源的DLP电源管理集成电路。
TPS81256：为灯驱动器提供5.0V电源的microSIP封装高效升压转换器。
OPA567：提供280mA灯电流的2A功率放大器。
INA213：监视灯电流的电压输出、分流监视器。