深度“解剖”神秘的德州儀器DLP NIRscan Nano模塊

時間：2017-04-26 22:16:16

關(guān)鍵字： dlp nano nirscan 電路設(shè)計

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導(dǎo)讀]為了將DLP NIRscan Nano評估模塊(EVM)的硬件及光引擎解釋清楚，網(wǎng)友拆解了一個早期由Coretronic公司生產(chǎn)的模塊。需要注意的是，任何對光引擎的拆解會使NIRscan Nano EVM

為了將DLP NIRscan Nano評估模塊(EVM)的硬件及光引擎解釋清楚，網(wǎng)友拆解了一個早期由Coretronic公司生產(chǎn)的模塊。需要注意的是，任何對光引擎的拆解會使NIRscan Nano EVM的保修失效。另外，去掉光引擎上的罩子會使灰塵和污垢聚集在光學(xué)器件上，從而影響到系統(tǒng)性能。此外，去掉上面的罩子會移動光學(xué)器件、狹縫和探測器，使這些元件錯位，需要廠家重新進行對準和校準。如果拆除了狹縫，將需要把InGaAs探測器和DLP2010NIR返廠進行系統(tǒng)對準與校準。

我們先來快速瀏覽一下。如下圖所示，基于DLP的分光計利用數(shù)字微鏡器件 (DMD)和單點探測器取代了傳統(tǒng)線性陣列探測器。通過按順序打開與特定波長光相對應(yīng)的一組鏡列，對應(yīng)光線被指向探測器，并被捕獲。通過掃描DMD上的一組鏡列，可以計算出吸收光譜。要獲得與DLP分光計實現(xiàn)方式相關(guān)的更多細節(jié)，請參考DLP分光計設(shè)計注意事項。

近紅外 (NIR) 光譜光譜分析中的DLP技術(shù)提供以下優(yōu)勢：

與具有極小像素的線性陣列探測器相比，通過使用更大的單點1mm探測器，它能實現(xiàn)更高性能。

通過使用單元探測器和低成本光學(xué)器件，它能實現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。高分辨率DMD使得定制圖形能夠補償每一個單獨系統(tǒng)的光學(xué)失真。

能夠捕獲更大信號不僅得益于相比傳統(tǒng)技術(shù)，DMD具有更大的光學(xué)擴展量(etendue)，而且也受益于其快速、靈活、以及可編程的顯示模式及濾波器設(shè)計。

借助可編程顯示模式，DLP分光計能夠：

通過控制一個鏡列中的像素數(shù)量來改變到達探測器的光的強度。

通過控制鏡列的寬度來改變系統(tǒng)的分辨率。

使用一組Hadamard圖形來在一個模式內(nèi)捕捉多個波長的光。然后，單獨的波長數(shù)據(jù)可通過解碼獲取。每個模式內(nèi)打開DMD像素數(shù)量的50%，將比上面提到的列掃描方式獲得更強信號引至探測器/

使用定制光譜濾波器來選擇需要的特定波長。

當(dāng)前，DLP NIRscan Nano軟件支持可變分辨率和Hadamard圖形。不支持可變強度和定制光譜濾波器。光譜濾波器的示例請見SPI論文：由Eric Pruett撰寫的德州儀器 (TI) DLP近紅外分光計的最新開發(fā)實現(xiàn)了下一代嵌入式小巧、便攜式系統(tǒng)。

DLP NIRscan Nano具有以下主要組件：

拿掉光引擎的罩子后，可以看到受其保護的DMD和探測器電路板。

探測器電路板包含以下主要組件

1mm非冷卻Hamamatsu G12180-010A InGaAs光電二極管(探測器)。

OPA2376轉(zhuǎn)阻低噪聲放大器：將InGaAs探測器到ADC的信號放大。

ADS1255 ADC：將InGaAs探測器的已放大信號轉(zhuǎn)換為用于TIva處理的24位值。

TMP006熱電偶傳感器：測量InGaAs探測器系統(tǒng)的環(huán)境溫度。這些值在每次掃描時被捕獲。

REF5025：低噪聲、極低漂移、高精度電壓基準，它為轉(zhuǎn)阻放大器和ADC提供2.5V基準。

OPA350：對轉(zhuǎn)阻放大器的2.5V基準電壓進行緩沖的高速運行放大器。

裝上探測器后：

去掉反射式模塊，可以看到狹縫：

DMD電路板正好將DLP2010NIR與系統(tǒng)的其余部分相連。

一旦將光引擎的罩子拿掉，你就能夠看到以下的光學(xué)組件。準直鏡頭和波通濾波器在前兩張照片中所示的金屬薄片的下方。為了讓你看到系統(tǒng)的全部光學(xué)器件，我已經(jīng)將這個金屬薄片拆除。

在這幅圖中，我已經(jīng)在來自樣品的輸入反射光上添加了標記(黃色箭頭)。漫反射自樣品的光在采集鏡頭上聚集，并且通過輸入狹縫聚焦在光引擎上。狹縫的大小設(shè)定平衡了波長分辨率以及分光計信噪比的考量這個分光計使用寬度為25μm、長度為1.69mm的狹縫。通過狹縫的光在第一組鏡頭上校準，通過一個885nm長的波通濾波器，然后打在一個反射光柵上。這個與聚焦透鏡組合在一起的光柵將光源色散為連續(xù)波長(多色光線)。聚焦透鏡將狹縫圖像展開在DLP2010NIRDMD上。這個狹縫圖像的不同波長水平分布在DLP2010NIR DMD上。這個光學(xué)系統(tǒng)將900nm波長成像在DMD的一端上，將1700nm波長成像在另一端上，而在兩端中間按順序散開所有其它波長。

當(dāng)選擇將特定的DMD鏡列打開時，或傾斜到+17°位置時，所選鏡列反射回來的光線在引導(dǎo)下，通過采集光學(xué)器件，到達單像素InGaAs探測器(黃色光線)。所有其它DMD鏡列被設(shè)置為關(guān)閉、或者傾斜至-17°位置上，使未選中的波長的光線轉(zhuǎn)向光引擎的底部，并遠離探測器光路徑，這樣的話，就不會干擾所選波長的測量了。

為了在狹縫位置、光柵角度和DMD 位置上允許機械公差，DLP NIRscan Nano的狹縫圖像投到DMD上時，在長度方向上每邊欠覆蓋10%而在高度方向上每邊過覆蓋10%，這就使DMD上每個像素列對應(yīng)約為(1700 - 900nm)/(854 * 0.8像素) = 1.17nm。制造時，在波長與它們在DMD上的鏡列位置之間進行校準。由于DMD鏡列的數(shù)量通常不是所需波長組數(shù)量的整數(shù)倍，DLP NIRscan Nano在整個掃描期間保持鏡列的寬度不變，按照所需波長組數(shù)量的步長在DMD上移動。[!--empirenews.page--]

DLP NIRscan Nano反射式模塊的工作方式為，以一定的角度照射測試中的樣品，這樣的話，避免了采集鏡面反射的光，同時采集漫反射光，并將其聚焦至狹縫。由于玻璃燈泡的前端形成了一個透鏡，會將更多的光從燈絲導(dǎo)引至樣品測試區(qū)域，因此將照明燈設(shè)計為透鏡燈。采集鏡頭搜集樣品窗口上直徑為2.5mm區(qū)域內(nèi)的光照。采集區(qū)域的大小與透鏡燈生成的標稱照射光斑的大小相匹配。這就需要將樣品放置在正對著深藍色窗口的位置上，在這里，兩個成角度的光源路徑相交形成透鏡的視覺采集錐形區(qū)域。如果將樣品位移至更遠離窗口的位置上，樣品也許就不能接受足夠的光照，系統(tǒng)也就無法執(zhí)行準確掃描了。下面顯示的是將反射式模塊翻過來之后看到的內(nèi)部構(gòu)造：

在光學(xué)器件裸露在外時，你可以從探測器一側(cè)看到DLP2010NIR：

微處理器板包含以下主要組件：

TM4C1297：運行頻率為120MHz的Cortex-M4微處理器，其中有集成的1MB閃存、256K SRAM和USB 2.0接口。

CC2564MODN：具有板上天線的單芯片Bluetooth 4.1 Low Energy子系統(tǒng)模塊。

bq24250：單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電器，由USB充電時的充電電流高達1A，并且具有可選電池?zé)崦綦娮?，以監(jiān)視電池溫度，實現(xiàn)安全充電。

TPS63036：采用晶圓級芯片尺寸封裝的高效降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，提供3.3V電源。

TPS81256：為模擬電路提供5.5V電源的microSIP封裝高效升壓轉(zhuǎn)換器。

HDC1000：支持14位分辨率的低功耗、高精度溫度和濕度傳感器。

微處理器板的底部如下所示：

微處理器板的頂部如下所示：

DLP控制器板包含以下主要組件：

DLPC150：DLP數(shù)字控制器用于先進光控制。TM4C1297微處理器連同DLPC150一起控制每個DLP2010NIR微鏡，將特定波長的光發(fā)射至單點InGaAs探測器。