CN203231973U - 拉曼光谱仪的工作电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种拉曼光谱仪的工作电路，基于微机电系统，包括光电探测器、数字微镜元件阵列，入射光自数字微镜元件阵列将光谱按阿达玛编码进行调制，调制光进入光电探测器转换成电信号，经前置放大电路、模数转换器转换模块进行模数转换，产生数字信号；该数字信号被现场可编程门阵列控制模块读取，经内置的解调算法实时计算之后，由现场可编程门阵列控制模块调制和解调后经外触发，由通用串行总线传输模块传送至上位机，所述的现场可编程门阵列控制模块中内置了协调各个模块同时工作的逻辑，并内置了用于调制和解调光谱的阿达玛变换算法的模块。本实用新型具有提高拉曼光谱的信噪比等优点。

Description

拉曼光谱仪的工作电路

技术领域

本实用新型属于光谱仪技术领域，尤其是涉及一种利用MEMS（微机电系统）技术实现拉曼光谱扫描和采集的拉曼光谱仪的工作电路。

背景技术

拉曼光谱仪通过激发并检查物质的拉曼光谱实现物质成分鉴别。由于无需样品制备，检测性能快速、准确，在食品安全、药品检验、毒品侦测、司法鉴定、珠宝鉴定和环境检测等领域得到广泛应用。

拉曼信号本身强度较弱、信噪比低，采用光电倍增管等灵敏度很高的单点探测器，配合Hadamard（阿达玛）变换算法对被测信号进行调制，可增大拉曼光谱灵敏度和信噪比，并显著降低成本（相对于采用制冷型面阵CCD探测器的拉曼光谱仪）。

MEMS技术是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种微机电技术，它的操作范围在微米尺度。MEMS技术是一种前沿的工程技术，具有巨大的应用潜力并已被诸多厂商应用到自己的产品中，范围涵盖消费电子、工业设备和科研仪器等。

DMD数字微镜是MEMS器件的一种。利用DMD器件实现对光谱的阿达玛编码调制，并投射调制后的光谱至单点光电探测器。光电探测器将光信号转化为电信号，经AD转换变为数字信号传输至上位机（PC、笔记本或其他手持终端），从而实现拉曼光谱的采集。

通过使用单点探测器可以降低拉曼光谱仪的成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种基于MEMS技术的拉曼光谱仪的工作电路，以解决拉曼光谱仪中信号弱、信噪比低等问题，并使用单点探测器，以降低拉曼光谱仪的成本。

本实用新型目的通过以下技术方案实现：一种拉曼光谱仪的工作电路，基于微机电系统，包括光电探测器、数字微镜元件（DMD）阵列，入射光自数字微镜元件（DMD）阵列将光谱按阿达玛编码进行调制，调制光进入光电探测器转换成电信号，经前置放大电路、模数转换器（ADC）转换模块进行模数转换，产生数字信号；该数字信号被现场可编程门阵列（FPGA）控制模块读取，经现场可编程门阵列（FPGA）控制模块FPGA内置的解调算法实时计算之后，由现场可编程门阵列（FPGA）控制模块调制和解调后经外触发，由通用串行总线（USB）传输模块，传送至上位机，其中，所述的现场可编程门阵列（FPGA）控制模块中内置了协调各个模块同时工作的逻辑，并内置了用于调制和解调光谱的阿达玛变换算法的模块。

在上述方案基础上，所述的数字微镜元件（DMD）阵列由数字微镜元件（DMD）阵列驱动模块驱动，该驱动模块内采用DMD配套的驱动芯片，数字微镜元件（DMD）阵列驱动模块与现场可编程门阵列（FPGA）控制模块连接，数据及控制信号由现场可编程门阵列（FPGA）控制模块给出，以使数字微镜元件（DMD）阵列在一定频率下按阿达玛编码迅速变换微镜角度，经光栅分光后的光照射在DMD数字微镜阵列上实现调制。

为降低成本，所述的光电探测器为单点探测器，数字微镜元件（DMD）阵列在一定频率下按阿达玛编码迅速变换微镜角度，经光栅分光后的光谱照射在DMD数字微镜阵列上实现调制，被调制的光被反射并成像在单点探测器上。

在上述方案基础上，所述的数字微镜元件（DMD）阵列在现场可编程门阵列（FPGA）控制模块控制下，调节微镜角度为二个角度：+10°或-10°，实现阿达玛编码。

在上述方案基础上，所述的数字微镜元件（DMD）阵列的微镜单元在不同的编码下有两种状态，分别为开、关，对应微镜的旋转角度分别为+10°或-10°。

在上述方案基础上，所述的通用串行总线（USB）传输模块内置先进先出的数据缓存器（FIFO）。

本实用新型原理是：基于MEMS技术的拉曼光谱仪的工作电路，DMD数字微镜的驱动模块采用DMD配套的驱动芯片，数据及控制信号由FPGA给出，此FPGA还同时控制ADC、USB模块并提供外触发接口，ADC转换出来的光谱信号也经由FPGA送到USB模块，并进一步传至上位机。FPGA同时控制DMD、ADC、USB、外触发等模块的工作，简化了电路的设计并提高了各部分工作的协同性和稳定性，并最大限度的减小了延时。

本实用新型优越性在于：

1、利用DMD数字微镜阵列将光谱按阿达玛编码进行调制，提高拉曼光谱的信噪比；

2、利用单点探测器实现光电转换，增大灵敏度并降低拉曼光谱仪的成本；

3、利用FPGA控制DMD、ADC、USB、外触发等模块的工作，简化了电路的设计并提高了各部分工作的协同性和稳定性，并最大限度的减小了延时。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图。

1——DMD阵列；     2——DMD驱动模块；   3——光电探测器；

4——FPGA控制模块； 5——USB传输模块；    6——前置放大电路；

7——ADC转换模块；  8——上位机；             9——解发信号。

具体实施方式

如图1所示：一种拉曼光谱仪的工作电路，基于微机电系统，包括光电探测器、DMD阵列1，入射光自DMD阵列1将光谱按阿达玛编码进行调制，调制光进入光电探测器3转换成电信号，经前置放大电路6、ADC转换模块7进行模数转换，产生数字信号；该数字信号被FPGA控制模块4读取，经FPGA控制模块4内置的解调算法实时计算之后，由FPGA控制模块调制和解调后经外触发9，由USB传输模块5，传送至上位机8，其中，FPGA控制模块4中内置了协调各个模块同时工作的逻辑，并内置了用于调制和解调光谱的阿达玛变换算法的模块。即由所述FPGA控制模块4负责控制电路中所有器件的运行，并监视其状态。

所述的DMD阵列1由DMD阵列驱动模块2驱动，该驱动模块内采用DMD配套的驱动芯片， DMD阵列驱动模块2与FPGA控制模块4连接，数据及控制信号由FPGA控制模块4给出，以使DMD阵列1在一定频率下按阿达玛编码迅速变换微镜角度，经光栅分光后的光谱照射在DMD阵列1上实现调制。

所述的光电探测器3为单点探测器，所述FPGA控制模块4控制DMD驱动模块4，以使 DMD阵列1在一定频率下按阿达玛编码迅速变换微镜角度，经光栅分光后的光照射在DMD阵列1上实现调制，被调制的光被反射并成像在单点探测器上。

单点探测器产生的电信号经所述前置放大电路6放大、ADC模块7转换之后，产生数字信号；此数字信号经所述的FPGA缓冲并解调，再由USB传输模块5送至上位机8，完成拉曼光谱采集流程。

所述DMD阵列1可在FPGA控制模块和驱动电路控制下，调节微镜角度+10°或-10°，实现阿达玛编码。DMD阵列1在一定频率下按执行阿达玛编码序列，同时经光栅分光后的光照射在DMD数字微镜阵列上而实现调制，被调制的光谱在DMD镜面反射并成像在单点探测器上；

单点探测器接收光信号并根据不同光强响应产生不同强弱的电信号，此电信号经所述前置放大电路6放大，并输入ADC转换模块7进行模数转换，转换后产生数字的信号被FPGA控制模块4读取；

FPGA控制模块4读取此数字信号，此信号为调制过的光谱产生的，需经FPGA控制模块4内置的解调算法实时计算之后，再写入USB传输模块5内置的FIFO，等待上位机取走，从而完成拉曼光谱采集流程。

DMD阵列1上的微镜单元在不同的编码下有两种状态，分别为开、关，对应微镜的旋转角度分别为+10°或-10°。

一片DMD阵列1的信噪比是有限的，如果所要求的光谱信噪比高于单片DMD阵列所能达到的极限，可以采用多片DMD同时工作的方式解决。

Claims (6)

1.一种拉曼光谱仪的工作电路，基于微机电系统，包括光电探测器、数字微镜元件（DMD）阵列，内置了协调各个模块同时工作的逻辑，并内置了用于调制和解调光谱的阿达玛变换算法的可编程门阵列（FPGA）控制模块，其特征在于，入射光自数字微镜元件（DMD）阵列将光谱按阿达玛编码进行调制，调制光进入光电探测器转换成电信号，经前置放大电路、模数转换器（ADC）转换模块进行模数转换，产生数字信号；该数字信号被现场可编程门阵列（FPGA）控制模块读取计算之后经外触发，由通用串行总线（USB）传输模块，传送至上位机。

2.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪的工作电路，其特征在于，所述的数字微镜元件（DMD）阵列由数字微镜元件（DMD）阵列驱动模块驱动，该驱动模块内采用DMD配套的驱动芯片，数字微镜元件（DMD）阵列驱动模块与现场可编程门阵列（FPGA）控制模块连接，数据及控制信号由现场可编程门阵列（FPGA）控制模块给出，以使数字微镜元件（DMD）阵列在一定频率下按阿达玛编码迅速变换微镜角度，经光栅分光后的光谱照射在DMD数字微镜阵列上实现调制。

3.根据权利要求1或2所述的拉曼光谱仪的工作电路，其特征在于，所述的光电探测器为单点探测器，数字微镜元件（DMD）阵列在一定频率下按阿达玛编码迅速变换微镜角度，经光栅分光后的光照射在数字微镜元件（DMD）数字微镜阵列上实现调制，被调制的光被反射并成像在单点探测器上。

4.根据权利要求2所述的拉曼光谱仪的工作电路，其特征在于，所述的数字微镜元件（DMD）阵列在现场可编程门阵列（FPGA）控制模块控制下，调节微镜角度为二个角度：+10°或-10°。

5.根据权利要求2所述的拉曼光谱仪的工作电路，其特征在于，所述的数字微镜元件（DMD）阵列的微镜单元在不同的编码下有两种状态，分别为开、关，对应微镜的旋转角度分别为+10°或-10°。

6.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪的工作电路，其特征在于，通用串行总线（USB）传输模块内置先进先出的数据缓存器（FIFO）。