基于DMD的拉曼光谱检测模块设计

张冬华,王晓荣,郑 蕊,李明朗

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京 211816)

0 引言

拉曼光谱技术是在拉曼散射效应理论基础上发展起来的一种检测技术，能够对分子结构和物质种类进行鉴别。起初，因拉曼光信号微弱，很难被检测，制约了拉曼光谱技术的发展。随着新的激光光源的发现以及表面增强拉曼散射光谱技术(SERS)等的突破，拉曼光谱检测技术有了广泛的应用前景[1-3]。

现有的拉曼光CCD面阵列探测器价格昂贵，体积大，并且多采用多像素探测器，获取光谱图像复原技术复杂，延时长。随着应用领域对拉曼光谱获取要求的提高,快速、低成本、性能稳定地获得拉曼光谱成为亟待解决的技术难题。本设计选择数字微镜阵列结合光电倍增管作为光电转换模块来获取拉曼光谱信息。本模块围绕DMD的软件控制和光电倍增管的硬件电路展开设计。

1 模块概述

控制DMD调制拉曼光实现波长选通和利用光电倍增管硬件电路得到信号输出是能够获取拉曼光谱的关键。

图1为模块工作功能框图。实验室环境下获取的拉曼光经过光栅分光后按照波长顺序覆盖DMD主板上的854×480像素微镜片表面。根据每行微反射镜反射的波长范围，DMD微镜阵列由主芯片编程控制，逐次翻转每行微镜，快速选择反射指定波长的光，由光电倍增管接收并转换拉曼光为微弱电流信号，经过信号调理电路完成微弱信号的处理，最后由主芯片的A/D通道采集到电压值。当翻转完成全部行微镜后，整个拉曼光谱采集流程完成。

图1 模块工作功能框图

2 硬件设计

2.1 主控芯片介绍

采集模块的微处理器选择了主芯片STM32F407ZGT6，该芯片是基于ARM Cortex-M4架构芯片，工作频率高达168 MHz，拥有192 Kbyte的片内SRAM和1 MB的Flash闪存，同时拥有丰富的I2C、ADC、SPI等多个通信接口，支持在线调试，完全满足检测模块的开发需求[4]。

2.2 DMD微镜

2.2.1 DMD

本模块选用DLP2010 DMD作为空间光调制器处理拉曼光，另外选用了配套的隔离控制芯片DLPC3470。DLP2010为0.2英寸(1英寸=2.54 cm)对角线微镜阵列，像素阵列为854列×480行，对于可见光波长范围内的拉曼光反射效率高达97%[5]。

在内部pattern模式下，DLP模块会读取保存在Flash模块里的1 bit图像信号。图像信号的像素和DMD的微镜之间是一一映射的关系。

2.2.2 DMD控制电路

2.2.2.1 DLPC控制电路

DMD选用了NFBGA封装的DLPC芯片，笔者对控制芯片原理图做简化。其中SCL、SDA引脚连接至STM32主芯片。另一部分通过信号性能良好的FPC软排线连接DMD主板。控制电路如图2所示。

图2 DMD驱动控制电路

DLPC3470需要一个外部参考时钟来为内部PLL提供时钟，选择的晶振型号是DSX211G-24.0M。

2.2.2.2 数据存储电路

在内部pattern模式下，本模块选择W25Q32JVSSIQ保存图像信号，该Flash通过SPI通信保存读取数据。数据存储电路原理图如图3所示。

图3 Flash存储电路

2.3 光电倍增管

2.3.1 PMT特性介绍

根据拉曼光的特点，本检测模块选用光电倍增管R12421-300，最大阳极电流为0.15 mA，光谱响应范围为300～650 nm，该探测器探测灵敏，具有很强的抗噪能力[6]。

光电倍增管转换拉曼光信号为微弱的电流输出，需要设计电流电压转化电路将光电流变化为电压输出并进行放大处理[7]。

2.3.2 I/V转换电路

I/V转换电路不仅完成电流信号到电压的转换，还要承担数模转换的作用[8]。电路输出端与主芯片A/D通道连接完成A/D采样，继而推算得到拉曼光谱。

目标电路选用了LTC6268运算放大器，其具有极低的输入偏置电流和低输入电容，同时该器件还具有低的输入参考电流噪声和电压噪声，适合应用于光电倍增管后置放大电路，电路如图4所示。

图4 I/V转换电路

光电倍增管最大阳极电流为0.15 mA，所以R36选择20 kΩ增益，使得输出电压限幅在3.3 V以下，直接送到STM32F4的A/D通道。

2.4 软件控制

本模块是基于数字微镜DMD逐次反射某一波长的拉曼光，使单点探测器完成接收。这一方法显著降低了机械旋转光栅而产生的噪声，提高了光谱信息的精确率。

2.4.1 内部pattern模式

为实现对于拉曼光的波长选通功能，要控制DMD按照时间顺序逐次打开一定行数的微镜阵列，同时其他阵列处于关闭状态的功能，可以通过依次输入只有一定行数为1，其余行均为0的854×480像素图案(pattern)，控制对应的微镜打开，而其余的处于关闭状态。

DLP2010 DMD在应用中由配套的驱动芯片DLPC3470直接控制，在表1中列举了一些在内部pattern模式下需要用到的编程指令并介绍其实现功能，编程指令支持以I2C通信协议传输。

表1 编程指令

DMD工作采用了超过40万个微镜器件，图像信号预先保存在Flash模块中，微镜定时脉冲信号由软件编程控制发送。

2.4.2 控制流程

使用DMD调制功能前需要对DMD驱动控制模块进行初始化，包括I2C引脚初始化，检测主芯片和DLPC3470以及DMD通信是否建立。

选择内部pattern模式,查看DMD状态信息，完成初始化后在屏幕上显示DMD的状态信息。

发送工作指令前，针对DLP波长选通要求确认图案信息，把图案通过数据传输保存在Flash内。

发送工作指令，通过I2C命令控制DMD按照编码格式读取Flash数据。主芯片发送微镜定时脉冲信号，pattern文件转换为二进制码，DMD微镜按照新的状态值落位。图5为DMD模块软件控制流程。

图5 DMD控制流程

3 实验分析

实验部分首先对模块进行准确和重复性能分析，通过对不同时间段同一光电流产生的A/D通道电压值进行采样，并从平均值、标准差以及平均误差3方面进行分析。最后在实验室环境下测试甲苯，与标准甲苯拉曼光谱作对比。

3.1 模块测试

测试采用0.01 mA的直流电流生成的光电信号对准数字微镜表面，理论上A/D通道电压值结果为1.965 V。实验分为3组，选择一天内的不同时间段进行测试，读取光电转换模块的实际电压值，每组测试做8次，数据采集间隔时间为1 s，实验数据如表2所示。

表2 实验数据 V

对实验数据在均值、方差以及误差百分比方面进行分析，结果如表3所示。

表3 分析结果

由表3数据可知，平均误差均小于1%，其中2组小于0.5%，并且3组测试结果稳定，分析结果表明模块能达到采集微弱光信号的精度要求。

3.2 光谱测试

在实验室搭建的光路环境下选择甲苯进行检测结果实验，直接检测结果是光谱强度与DMD像素位置(对应拉曼光的波长)的拉曼光谱图，而实际中应用的是光谱强度与波数关系的拉曼光谱图。

根据文献[9]，在表4展示的5条谱线位置能识别到强度良好的谱峰。对甲苯进行10次测量取平均值得到拉曼光谱，其中光谱特征峰波数对应的像素位置如表4所示。

表4 特征峰波数位置表

图6为甲苯的拉曼光谱图。增加重复光谱次数减少了无规则噪声的误差影响。从图6看到采样的数据中能得到5条强度明显的特征峰，与专业提供的甲苯标准光谱相符[9]。

图6 甲苯拉曼光谱图

4 结束语

本设计基于实验室搭建的光路系统，提出一种基于DMD的拉曼光谱仪检测的软硬件设计方案。实验样机工作波长范围为450～600 nm。该方法能有效快速地获取拉曼光谱。将光谱仪的获取单独成为一个独立的模块，可以增加光谱仪装置的灵活性，具有广阔的应用前景。