一、簡介

近紅外光譜分析是一種強(qiáng)大的技術(shù)，通過樣品對不同波長的光的吸收或發(fā)射的變化，實現(xiàn)對物理材料的識別和分類。適用工作在700至2500 nm之間的波長下的手持式光譜分析儀能夠用于食品、制藥、石油和天然氣等行業(yè)，醫(yī)療、安全和其他新興行業(yè)。基于DLP的光譜儀用DMD和一個單點探測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性陣列檢測器進(jìn)行波長探測。如下圖。

通過依次掃描列（轉(zhuǎn)動在特定的像素列上），特定波長的光被引導(dǎo)到檢測器并且捕獲。近紅外（NIR）光譜中的DLP技術(shù)提供了以下優(yōu)勢：

1、與線性探測器相比，通過使用更大的單點1mm探測器獲得更高的性能，而線性探測器僅具備小像素獲取能力。

2、通過使用單點InGaAs探測器和低成本光學(xué)器件，可以降低了系統(tǒng)成本。以及高分辨率DMD數(shù)字微鏡允許自定義圖案來補(bǔ)償每個單獨系統(tǒng)的光學(xué)失真。

3、捕獲的信號更強(qiáng)，這不僅是因為與傳統(tǒng)DMD相比，DMD可以使用快速、靈活和可編程的圖案和光譜濾波器。

4、通過可編程模式，DLP光譜儀可以：

a) 通過控制一列中的像素數(shù)量來改變檢測器的光強(qiáng)度。

b) 通過控制列的寬度來改變系統(tǒng)的分辨率。

c) 使用一組哈達(dá)瑪圖案，每個圖案可以捕獲多個波長的光，然后通過解碼過程來檢索波長。每個圖案一次打開50%的DMD像素，將比列掃描大得多的信號引導(dǎo)到檢測器中。

d) 使用自定義光譜過濾器來選擇感興趣的特定波長。

DLP近紅外光譜儀置是具有可移除反射樣本的后色散架構(gòu)，單元反射模塊包括兩個透鏡端寬帶鎢絲燈。將一個樣本放在反射頭。在掃描過程中，樣品吸收特定量的近紅外光并漫反射未被吸收的光進(jìn)入系統(tǒng)。每個波長下吸收的光量取決于材料的分子組成，是該材料特有的化學(xué)指紋。燈光樣品漫反射后由收集透鏡收集并聚焦到光學(xué)引擎中通過輸入狹縫。狹縫尺寸的選擇是為了平衡波長分辨率與光譜儀的SNR。

比如設(shè)計一個900-1700nm的光譜儀，ZMAX光路仿真圖如下，使用25μm寬乘1.8 mm高的狹縫，穿過狹縫由第一組透鏡準(zhǔn)直，穿過885nm長的波通濾波器，然后入射反射光柵。這個光柵與聚焦透鏡相結(jié)合，將光線分散到對應(yīng)波長位置。聚焦透鏡在DMD數(shù)字微鏡處形成狹縫的圖像。不同的該狹縫圖像的波長在DMD上水平擴(kuò)展。光學(xué)系統(tǒng)在DMD的一端成像900nm波長，在另一端成像1700nm波長，以及所有其他波長波長順序地分散在其間。當(dāng)特定DMD列選擇為打開或傾斜至某正角度時，由選定的柱反射的能量被引導(dǎo)通過收集光學(xué)器件到單像素InGaAs探測器。所有其他DMD柱選擇為關(guān)閉或傾斜至某負(fù)角度位置，將未選擇的波長轉(zhuǎn)移到光引擎的底部并遠(yuǎn)離檢測器光學(xué)從而不干擾所選擇的波長測量。考慮到機(jī)械公差在狹縫位置、光柵角度和DMD位置，DMD上狹縫圖像為在分散軸上每端有10%未填充。在制造過程中在波長和它們在DMD上的列位置之間需要進(jìn)行校準(zhǔn)。DMD列通常不能被所需波長組的數(shù)量整除，并且在掃描過程中需保持列寬恒定。步進(jìn)量取決于所需的寬度和數(shù)量圖案（波長點），并且步進(jìn)大小與列寬可以不等。

DLP中波長對應(yīng)于列寬中心的量化像素。由于不同的DLP光譜儀具有不同的校準(zhǔn)參數(shù)，因此不同光譜儀的波長有所不同。波長插值可以使用spline-interpolation插值算法去過采樣輸入波長向量到公共波長向量，在比較之前將不同的數(shù)據(jù)集插值到共同的波長位置向量，然后可以使用Svitsky Golay的平滑算法。

DLP反射模塊通過以一定角度照射被測樣品來工作，不收集鏡面反射，同時將漫反射收集并聚焦到狹縫。這個照明燈被指定為透鏡端燈，因為玻璃燈泡的前端將更多光線從燈絲引導(dǎo)到樣品測試區(qū)域的透鏡。如下圖所示為俯視圖照明模塊的。插圖的頂部描繪了狹縫的空腔。底部插圖描繪了藍(lán)色樣品窗口。綠色矩形表示透鏡端燈。這個暗黃色錐體是由燈輸出的光。每盞燈產(chǎn)生一束40度的光束，0.75毫米高交叉穿過藍(lán)色窗口。需考慮底盤的機(jī)械公差、透鏡末端與燈對燈、燈形狀的變化以及燈的放置。透鏡端燈聚焦光束距離燈約3毫米，并產(chǎn)生覆蓋藍(lán)色樣品窗口的光斑大小。

二、硬件部分

硬件架構(gòu)圖如下。其中，放大器噪聲通常被建模為輸出噪聲頻譜密度圖，從中可以得到總積分可以計算RMS噪聲值。放大通常由跨阻抗放大器提供（TIA）處于光電導(dǎo)或光伏模式。在大多數(shù)應(yīng)用中，光伏模式TIA將提供最低噪聲的模擬前端。如果有需要非常快地采樣（比100KHz更快），可能需要光電導(dǎo)方法。設(shè)計的帶寬應(yīng)該足夠高，以允許信號完全穩(wěn)定在圖案曝光期。如果帶寬低于此，會產(chǎn)生不準(zhǔn)確的光譜。如果帶寬高得多，ADC可能必須更快且更昂貴，以便濾除輸入到ADC之前的噪音。

探測器當(dāng)前輸出處的噪聲是探測器處的光功率函數(shù)，關(guān)于檢測率和檢測器的面積。這包括約翰遜噪聲、散粒噪聲和暗噪聲。由于噪聲隨著探測器面積的增加而增加，因此對來自DMD的光進(jìn)行聚焦是有益的，匯聚點可以盡可能小。隨著DMD有效面積增大，則可能需要更大的檢測器。可以通過用TEC冷卻探測器來降低探測器噪聲。通常，與比陣列探測器冷卻相比，僅需要較少的功率將單點探測器降溫到給定的溫度，因為需要被冷卻的質(zhì)量較小。

光源穩(wěn)定性，對于使用集成光源設(shè)計的單元，也非常重要。任何噪音源將在檢測器處顯示為噪聲，可能在輸出光譜中表現(xiàn)出誤差。可能的驅(qū)動器方法包括：

1、恒定電壓

這種方法通常是最便宜的，但有一個主要缺點：任何接觸電阻的變化，燈導(dǎo)線電阻的改變，都會導(dǎo)致驅(qū)動電流變化。因此在這些條件下，燈的亮度不再是恒定。

2、恒定電流

由于簡單，這通常是首選方法。同時可以通過感測電阻器進(jìn)行電流監(jiān)測。驅(qū)動白熾燈時首選電流源的另一個原因是燈絲的電阻隨著燈的加熱而急劇變化。

三、波長****校準(zhǔn)

精確和穩(wěn)定的校準(zhǔn)，包含波長校正和輻射校正，是光譜儀設(shè)計的關(guān)鍵。我們假設(shè)光學(xué)或機(jī)械引起的失真的主要來源可以被限制為二階二維多項式。

在校準(zhǔn)之前，DMD上可能存在未知的波長位置、失真和旋轉(zhuǎn)，如圖下圖所示（失真放大）。

對于波長校準(zhǔn)，我們用已知發(fā)射或吸收的光譜照射狹縫峰值。然后，我們可以在DMD反射鏡的小矩形區(qū)域打開的情況下進(jìn)行掃描，然后在DMD上以小增量掃描反射鏡塊，如下圖所示。

這些狀態(tài)像素矩形應(yīng)具有以下特性：

1、高度

這應(yīng)該足夠短，使得期望的失真在該區(qū)域內(nèi)相對最小。通常，使用DMD的非色散尺寸的1/5至1/9。

2、寬度

這應(yīng)該足夠窄，以便從每個校準(zhǔn)峰值獲得準(zhǔn)確的峰值位置，但是注意足夠?qū)捒梢垣@得足夠的信號來降低噪聲。在實踐中，這個狀態(tài)像素的矩形應(yīng)該與DMD上的狹縫的圖像的寬度相同或更窄。在以DMD的頂行、中間行和底行為中心的DMD上掃描此圖案可產(chǎn)生三個光譜。然后應(yīng)使用峰值查找算法來定位DMD列對應(yīng)于校準(zhǔn)源的已知波長峰值。

關(guān)于波長校正，本文描述了如何基于二階多項式系數(shù)，用已知DMD位置對應(yīng)的波長去實現(xiàn)波長校正。首先，構(gòu)建一個系數(shù)向量，其決定我們可以通過DMD位置，獲取波長，其滿足公式（1）。通過最小二乘法，獲取。然后，根據(jù)實際的DMD位置我們就可以計算了。

輻射校正，同樣要小心應(yīng)與校準(zhǔn)其他光譜儀儀器時一樣，確保校準(zhǔn)源輸入在狹縫處在空間上和角度上是均勻的。

通常情況下，要掃描的最小和最大波長之間的列數(shù)不是可被所需波長組的數(shù)量整除。在這種情況下，有如下幾種方法：

1、保持列寬不變，并按與列不同的量遞增像素組寬度

2、在整個掃描過程中更改列寬，以便分配額外的列

3、強(qiáng)制執(zhí)行恒定的列寬和步長，在某些波長區(qū)域。

第二個選項中列寬發(fā)生了變化，如下圖。因為列寬為變化時，在檢測器處測量的幅度將包含不連續(xù)性。

這些分布方法可以與線掃描或多路復(fù)用圖案集一起使用。如果有圖案之間的重疊（一些像素位于分配給特定DMD像素的多個區(qū)域中波長塊），則首先需要將它們分離成多個組。一旦完成了單獨的多路復(fù)用掃描，就可以對結(jié)果進(jìn)行合成。

在行掃描模式集合中，特定波長的能量僅在單個圖案顯示在DMD上。因此，在模式之間存在1對1的對應(yīng)關(guān)系數(shù)字與正在被測量的波長。這可以用數(shù)學(xué)表示，如下圖所示，由3×3矩陣組成的3模式序列，其中每行包含顯示在DMD上的圖案，并且每一列都包含特定波段的狀態(tài)，打開或關(guān)閉表示一個波長區(qū)域的像素。

在這種行掃描的情況下，單位矩陣可以定義掃描，而不考慮每個個體的寬度像素帶。

除了行掃描，還有哈達(dá)瑪。如下圖。

四、光譜解碼

最后關(guān)于，光譜解碼，因為大多數(shù)應(yīng)用程序的AD采樣速率比DMD模式速率快，我們必須首先計算每個模式的平均檢測器值掃描，然后根據(jù)每個圖案的那些平均檢測器值計算光譜。

采樣和平均在掃描過程中，每個圖案都會在DMD上顯示所需的時間段，并采集樣本。主要有兩種方法可以收集ADC樣本。

1、自由運行ADC

在此模式下，ADC被設(shè)置為連續(xù)采集樣本。傳入樣本與來自DLP控制器的指示圖案曝光狀態(tài)的觸發(fā)輸出狀態(tài)。

2、同步ADC

在這種模式下，觸發(fā)啟動中斷服務(wù)程序向ADC發(fā)送同步信號。

無論使用哪種模式，當(dāng)檢測器信號不存在時，都可能需要丟棄一些樣本，如下圖所示。使用或丟棄這些樣本的具體數(shù)量和時間將取決于ADC的采樣率以及檢測器的帶寬、轉(zhuǎn)換速率和上升時間。放大器最后一個樣本通常會被丟棄，以防止數(shù)據(jù)出現(xiàn)邊界效應(yīng)。來自ADC的就緒信號恰好在圖案曝光結(jié)束之前發(fā)生。然后對去除任何無效樣本后的剩余有效信號進(jìn)行平均，以減少噪聲，從而產(chǎn)生每個圖案的單個檢測值。

行掃描模式中，必須執(zhí)行幾個步驟才能解碼頻譜：

1、調(diào)整探測器雜散光

在行掃描模式中，通常對于每個圖案，99%或更多的DMD像素被設(shè)置到斷開狀態(tài)位置。我們可以對幾個黑色圖案期間的探測器值進(jìn)行平均求值，然后從所有測量中減去該DC值。探測器雜散光具備周期性，而非一次性。

2、計算每個圖案的中心波長

對于每個需要進(jìn)行計算的圖案，DMD中心行的中心列，或者更可能用于計算。然后可以使用此列編號來計算中心波長。并參考另一個掃描以計算吸光度或任何其他所需的光譜計算。

哈達(dá)瑪掃描提供了在某些情況下比標(biāo)準(zhǔn)掃描增加SNR的能力。可以使用兩個交錯的阿達(dá)瑪碼生成阿達(dá)瑪碼掃描。要計算頻譜，需要執(zhí)行以下操作：

1. 計算用于定義哈達(dá)瑪模式集的S矩陣的逆。
2. 將每個阿達(dá)瑪掃描（偶數(shù)和奇數(shù)）的測量矢量乘以S矩陣的倒數(shù)。
3. 將每個結(jié)果向量截斷到前N/2個條目，其中N是最初請求的波長點或DMD像素的帶狀部分。
4. 將兩個矢量按照創(chuàng)建圖案時分離的相同順序交錯。

對于N=8的情況，上述過程如下圖所示。

五、耦合效率

耦合效率，DLP光譜儀中的狹縫比陣列檢測器光譜儀高，因為DMD更高。正因為如此，光到輸入狹縫的耦合應(yīng)該被設(shè)計為填充更高的縫隙。鑒于此，以下是一些常見照明方法的注意事項：

1、透射率

當(dāng)使用可將比色杯或固體透射樣品固定在準(zhǔn)直空間，燈應(yīng)該足夠大，可以填滿狹縫的高度，但要聚焦到狹縫以最大限度地提高進(jìn)入光譜儀的吞吐量。

2、漫反射

漫反射附件的設(shè)計應(yīng)能將照明集中在高亮度的樣品上強(qiáng)烈然后，漫反射光應(yīng)聚焦到狹縫上，而鏡面反射不應(yīng)指向狹縫。樣品上的照明點應(yīng)足夠大，使得當(dāng)聚焦在狹縫上時，整個狹縫被填充。

3、光纖耦合

如果該系統(tǒng)是為光纖耦合輸入而設(shè)計的，則可以通過成形纖維束以近似狹縫形狀。在基于陣列的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)上，可用狹縫高度為不高于標(biāo)準(zhǔn)的600μm光纖。在基于DMD的系統(tǒng)中，此高度可能為毫米，具體取決于所使用的DMD和放大倍數(shù)。因此，從模擬狹縫形狀的標(biāo)準(zhǔn)圓形纖維束可以允許更大百分比的光強(qiáng)進(jìn)入儀器。

六、掃描參數(shù)

1、平均掃描次數(shù)：這是重復(fù)的背靠背掃描，一起平均。對多次掃描中的每個波長點進(jìn)行平均可以降低噪聲，同時會增加總掃描時間。

2、波長范圍：掃描的起始和結(jié)束波長（以nm為單位）或感興趣的光譜范圍。

3、寬度（nm）：此數(shù)字選擇生成的列中像素組的寬度，或哈達(dá)瑪圖案。顯示的選項對應(yīng)于以nm為單位的分散光譜的寬度跨越量化的像素寬度。

4、曝光時間：圖案曝光時間結(jié)束前AD采樣應(yīng)該完成。

5、方法：這控制掃描的方法。提供兩種選擇：Column或Hadamard。列掃描一次選擇一個波長。哈達(dá)瑪掃描創(chuàng)建了一個包含幾個一次多路復(fù)用的波長，然后對各個波長進(jìn)行解碼。哈達(dá)瑪掃描比列掃描收集更多的光并且提供更大的SNR。

6、分辨率：增加分辨率會導(dǎo)致頻譜的過采樣。一般情況下，設(shè)置該分辨率對期望的全寬半最大值（FWHM）的至少兩倍進(jìn)行過采樣。例如，對于900和1700 nm之間的分辨率15 nm FWHM，需使用2*（1700-900）/15≥107波長點。