引言

光谱学是一种通过分析样品对不同波长光的吸收或发射变化来识别和表征物理材料的强大技术 。光谱仪通过测量材料对光的吸收变化来实现检测 。NIR-M-RX系列是一款完整的近红外光谱仪模组 ，可设计出高性能、经济实惠的近红外便携式光谱仪，能够应用于食品、制药、石油天然气、医疗、安防及其他新兴行业， 实现现场实验室级的检测性能 。该模组包含DLP2010NIR数字微镜器件 、DLPC150数字控制器以及DLPA2005集成电源管理组件。

新型DLP2010NIR数字微镜器件(DMD)专为700至2500纳米波长范围优化设计。NIR-M-RX系列是该技术的典型应用实例 ，其工作波长范围为900至2400纳米。

基于DLP的光谱仪采用DMD进行波长选择，并使用单点探测器替代传统线阵探测器，如图1-1所示。通过依次扫描DMD的列（开启特定像素列） ，特定波长的光被导向探测器并被捕获 。具体细节请参阅DLP光谱仪设计考量。

技术优势

  • 与采用极小像素的线性阵列相比，通过使用单点1毫米的较大探测器可实现更高性能。
  • 通过采用单元件探测器和低成本光学元件，实现成本更低的系统。高分辨率数字微镜器件（DMD）可生成定制图案，以补偿各独立系统的光学畸变。
  • 信号捕获增强不仅源于DMD相较于传统技术更宽广的感知范围，还通过采用快速、灵活且可编程的模式及光谱滤波器实现。
    • 通过可编程模式 ，DLP光谱仪可以：
    • 通过控制列中像素的数量来调节检测器的光强度。
    • 通过控制柱宽来改变系统的分辨率。
    • 使用一组哈达玛模式 ，每个模式捕获多个波长的光 。然后通过解码程序获取各个波长 。每个模式一次打开50%的DMD像素 ，将比图1-1所示的列扫描更多的信号导入探测器。
    • 使用自定义光谱滤波器选择特定目标波长。

以下是整理后的 Markdown 格式文档：

光路组成

DLP NIRscan Nano EVM 是一款基于 DLP 技术的完整近红外光谱仪解决方案。该模组包含以下核心组件：

光学引擎

针对 900–1700 nm 波长范围优化的近红外光谱仪光学引擎：

  • 照明系统
  • 双集成红外灯反射照明模块（透镜端钨丝灯）
  • 灯功率：1.4 W（典型值）

  • 光束交汇角：40°，交汇点距蓝宝石窗口约 0.75 mm（公差 ±0.25 mm）

  • 入射光学

  • 输入狭缝：1.8 mm × 0.025 mm（25 μm）
  • 准直透镜

  • 885 nm 长波通滤光片

  • 色散与调制系统

  • 反射式衍射光栅
  • 聚焦透镜

  • DLP2010NIR 数字微镜器件（DMD）

    • 阵列规格：0.2 英寸 WVGA，854 × 480 正交像素
    • 像素尺寸：5.4 μm × 5.4 μm
    • 近红外优化镀膜
    • 微镜倾斜角：±17°

  • 探测系统

  • 集光光学组件
  • 单像素 InGaAs 非制冷探测器（滨松 G12180-010A，光敏面直径 1 mm）

光学引擎工作原理

该光学引擎采用后色散架构（post-dispersion configuration），配合可拆卸式反射样品模块：

  1. 样品照明：双透镜端灯以特定角度照射样品，避免镜面反射光进入系统，同时收集漫反射光
  2. 信号采集：样品漫反射光经收集透镜汇聚，通过输入狭缝进入光学引擎
  3. 准直与滤波：光束经准直后通过 885 nm 长波通滤光片，滤除短波杂散光
  4. 色散成像：光栅色散后，不同波长成分经聚焦透镜在 DMD 表面形成狭缝的水平色散像（900 nm 至 1700 nm 对应 DMD 两端）
  5. 波长选择：通过编程控制 DMD 列微镜状态（+17° 开启 / -17° 关闭），实现特定波长选择性反射至探测器
  6. 信号探测：被选通波长的光经集光光学系统聚焦至单像素 InGaAs 探测器，完成光电转换

注：为适应机械公差，狭缝图像在 DMD 色散方向存在 10% 填充不足，正交方向存在填充过量，实际有效成像区域为 1.69 mm × 0.025 mm。

警告：擅自打开或拆卸光学引擎将导致保修失效，并可能造成光学元件污染、失准，需返厂重新校准。

机械规格

  • 外形尺寸：62 mm（长）× 58 mm（宽）× 36 mm（高）
  • 测试温度范围：0°C 至 50°C（工作温度 25°C）

电子子系统

由四块功能电路板组成：

1. 微控制器板

系统主控单元，核心组件包括：

组件 型号/规格 功能描述
微处理器 Tiva TM4C1297 120 MHz ARM Cortex-M4F，运行 TI-RTOS、Bluetopia 协议栈及光谱分析软件
外部存储 32 MB SDRAM 光谱模式缓冲区存储
无线通信 CC2564MODN 蓝牙 4.0/BLE 模块，支持无线数据传输
有线接口 Micro-USB USB 2.0 设备接口
扩展存储 Micro-SD 卡槽 离线数据存储
环境传感 HDC1000 温湿度监测（每次扫描同步采集）
电源管理 bq24250 锂电池充电管理（最大 1 A 充电电流，支持温度监测）
调试接口 ARM JTAG（10 针） 支持 Code Composer Studio 及 XDS 系列仿真器
扩展接口 GPIO/SPI/UART 外部系统互联

2. DLP 控制器板

组件 型号 功能描述
DMD 控制器 DLPC150 接收 24 位 RGB 图案数据，解码并生成 DMD 驱动信号，实现微镜精准时序控制
电源管理 DLPA2005 DMD 及 DLPC150 集成电源管理
灯驱动电路 OPA567 + INA213 恒流驱动（280 mA，5 V），实时电流监测

3. 探测器板

组件 型号/规格 功能描述
前置放大 OPA2376 跨阻低噪声放大器，InGaAs 信号调理
模数转换 ADS1255 24 位 ADC，30 kSPS 采样率，SPI 接口
温度监测 TMP006 热电堆传感器，实时测量探测器及环境温度
电压基准 REF5025 2.5 V 低噪声精密参考源
缓冲放大 OPA350 高速电压跟随器
光电探测器 滨松 G12180-010A 1 mm 非制冷 InGaAs 光电二极管

4. DMD 板

  • 核心器件：DLP2010NIR 数字微镜器件
  • 与 DLPC150 控制器协同工作，实现高速空间光调制

系统规格总览

参数 最小值 典型值 最大值 单位
波长范围 900 — 1700 nm
光学分辨率 — 10 12 nm
灯功率 — 1.4 — W
工作温度 0 25 50 °C
DMD 像素尺寸 — 5.4 × 5.4 — μm
ADC 分辨率 — 24 — bit
蓝牙版本 — 4.0 — —

图 1-2 DLP NIRscan Nano 系统结构框图

图 1-3 光学引擎光路示意图

图 1-4 照明模块俯视图

图 1-5 机械尺寸图