深度“解剖”神秘的德州儀器DLP NIRscan Nano模塊

時(shí)間：2017-04-26 22:16:16

關(guān)鍵字： dlp nano nirscan 電路設(shè)計(jì)

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

為了將DLP NIRscan Nano評(píng)估模塊(EVM)的硬件及光引擎解釋清楚，網(wǎng)友拆解了一個(gè)早期由Coretronic公司生產(chǎn)的模塊。需要注意的是，任何對(duì)光引擎的拆解會(huì)使NIRscan Nano EVM的保修失效。另外，去掉光引擎上的罩子會(huì)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(huì)移動(dòng)光學(xué)器件、狹縫和探測(cè)器，使這些元件錯(cuò)位，需要廠家重新進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和校準(zhǔn)。如果拆除了狹縫，將需要把InGaAs探測(cè)器和DLP2010NIR返廠進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)與校準(zhǔn)。

我們先來(lái)快速瀏覽一下。如下圖所示，基于DLP的分光計(jì)利用數(shù)字微鏡器件 (DMD)和單點(diǎn)探測(cè)器取代了傳統(tǒng)線性陣列探測(cè)器。通過(guò)按順序打開與特定波長(zhǎng)光相對(duì)應(yīng)的一組鏡列，對(duì)應(yīng)光線被指向探測(cè)器，并被捕獲。通過(guò)掃描DMD上的一組鏡列，可以計(jì)算出吸收光譜。要獲得與DLP分光計(jì)實(shí)現(xiàn)方式相關(guān)的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考DLP分光計(jì)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 。

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

與具有極小像素的線性陣列探測(cè)器相比，通過(guò)使用更大的單點(diǎn)1mm探測(cè)器，它能實(shí)現(xiàn)更高性能。

通過(guò)使用單元探測(cè)器和低成本光學(xué)器件，它能實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。高分辨率DMD使得定制圖形能夠補(bǔ)償每一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)的光學(xué)失真。

能夠捕獲更大信號(hào)不僅得益于相比傳統(tǒng)技術(shù)，DMD具有更大的光學(xué)擴(kuò)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(jì)。

借助可編程顯示模式，DLP分光計(jì)能夠：

通過(guò)控制一個(gè)鏡列中的像素?cái)?shù)量來(lái)改變到達(dá)探測(cè)器的光的強(qiáng)度。

通過(guò)控制鏡列的寬度來(lái)改變系統(tǒng)的分辨率。

使用一組Hadamard圖形來(lái)在一個(gè)模式內(nèi)捕捉多個(gè)波長(zhǎng)的光。然后，單獨(dú)的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)可通過(guò)解碼獲取。每個(gè)模式內(nèi)打開DMD像素?cái)?shù)量的50%，將比上面提到的列掃描方式獲得更強(qiáng)信號(hào)引至探測(cè)器/

使用定制光譜濾波器來(lái)選擇需要的特定波長(zhǎng)。

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(qiáng)度和定制光譜濾波器。光譜濾波器的示例請(qǐng)見SPI論文：由Eric Pruett撰寫的德州儀器 (TI) DLP近紅外分光計(jì)的最新開發(fā)實(shí)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(hù)的DMD和探測(cè)器電路板。

探測(cè)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(cè)器)。

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

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

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

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

OPA350：對(duì)轉(zhuǎn)阻放大器的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行緩沖的高速運(yùn)行放大器。

裝上探測(cè)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(zhǔn)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(gè)金屬薄片拆除。

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

當(dāng)選擇將特定的DMD鏡列打開時(shí)，或傾斜到+17°位置時(shí)，所選鏡列反射回來(lái)的光線在引導(dǎo)下，通過(guò)采集光學(xué)器件，到達(dá)單像素InGaAs探測(cè)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(zhǎng)的光線轉(zhuǎn)向光引擎的底部，并遠(yuǎn)離探測(cè)器光路徑，這樣的話，就不會(huì)干擾所選波長(zhǎng)的測(cè)量了。

為了在狹縫位置、光柵角度和DMD 位置上允許機(jī)械公差，DLP NIRscan Nano的狹縫圖像投到DMD上時(shí)，在長(zhǎng)度方向上每邊欠覆蓋10%而在高度方向上每邊過(guò)覆蓋10%，這就使DMD上每個(gè)像素列對(duì)應(yīng)約為(1700 - 900nm)/(854 * 0.8像素) = 1.17nm。制造時(shí)，在波長(zhǎng)與它們?cè)贒MD上的鏡列位置之間進(jìn)行校準(zhǔn)。由于DMD鏡列的數(shù)量通常不是所需波長(zhǎng)組數(shù)量的整數(shù)倍，DLP NIRscan Nano在整個(gè)掃描期間保持鏡列的寬度不變，按照所需波長(zhǎng)組數(shù)量的步長(zhǎng)在DMD上移動(dòng)。[!--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(cè)試中的樣品，這樣的話，避免了采集鏡面反射的光，同時(shí)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(gè)透鏡，會(huì)將更多的光從燈絲導(dǎo)引至樣品測(cè)試區(qū)域，因此將照明燈設(shè)計(jì)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(biāo)稱照射光斑的大小相匹配。這就需要將樣品放置在正對(duì)著深藍(lán)色窗口的位置上，在這里，兩個(gè)成角度的光源路徑相交形成透鏡的視覺(jué)采集錐形區(qū)域。如果將樣品位移至更遠(yuǎn)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(wú)法執(zhí)行準(zhǔn)確掃描了。下面顯示的是將反射式模塊翻過(guò)來(lái)之后看到的內(nèi)部構(gòu)造：

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

微處理器板包含以下主要組件：

TM4C1297：運(yùn)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：?jiǎn)喂?jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電器，由USB充電時(shí)的充電電流高達(dá)1A，并且具有可選電池?zé)崦綦娮?，以監(jiān)視電池溫度，實(shí)現(xiàn)安全充電。

TPS63036：采用晶圓級(jí)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(jìn)光控制。TM4C1297微處理器連同DLPC150一起控制每個(gè)DLP2010NIR微鏡，將特定波長(zhǎng)的光發(fā)射至單點(diǎn)InGaAs探測(cè)器。