光譜儀廣泛應用於實驗室和田間的物質化學組成評估
就近紅外光譜檢測系統而言，如果具有高精度和功能性的高性能試驗室系統能夠結合便攜性，那將顯著增強其實時分析檢測能力。電池供電的手持式光譜儀的開發，將使工業生產過程和田間果蔬成熟度監測變得更加高效。
大部分色散紅外光譜測量方法，開始時的方法大體相同。光線通過一個具有光柵的狹小縫隙進行分析，通過光柵來控制分析儀器的分辨率。衍射光柵經過特定設計，將不同波長的光以不同的角度反射出去。分析系統從而對分離出的各個波長的光，進行光強測量。
傳統光譜測量架構之間的差異主要在於如何測量分離出來的色散光。主要的方法有兩種：1）結合色散光物理掃描的單元素（或單點）探測器；2）將色散光成像在探測器陣列上。
利用MEMS技術的方法
許多傳統光譜技術的局限性，可以通過利用基於光學MEMS陣列技術的單點探測器來解決。固態光學MEMS陣列，利用結合空間波長濾鏡基於單點探測器的系統，來取代傳統的電動光柵。
用於藥物分析的手持式光譜儀
相對線性探測器陣列架構，光學MEMS陣列具有諸多優勢。首先，一款更大的單元素探測器可以提高光收集量，並大幅降低系統的成本和復雜性，尤其是對於紅外系統；其次，去除了陣列探測器後，也便去除了像素到像素的噪聲，這能夠顯著提高系統的信噪比性能。信噪比的提高，能夠使系統在更短的時間內獲得更準確的測量結果。
在採用MEMS技術的光譜系統中，衍射光柵和聚焦元件執行和以前一樣的功能，不同的是，來自聚焦元件的光線將成像在MEMS陣列上。為了選擇所要分析的波長，光波響應特定頻段將被激活，將光線引導到單點探測器元件上，進行光的收集和測量。
如果MEMS器件具有高度的可靠性和可預見性，並能夠隨時間和溫度持續穩定地產生濾鏡響應，那就能充分展現MEMS技術的優勢。
如果將MEMS器件應用於光譜儀系統架構中，採用數字光處理芯片（digital light proccessing, DLP）或者數字微鏡器件（digital micromirror device, DMD）作為空間光調製器，能夠克服傳統光譜儀系統面臨的諸多挑戰。首先，利用鋁製微鏡陣列的切換將光線投射到單點探測器上，在廣泛的波長范圍內都具有很高的光學效率。其次，數字微鏡的開閉狀態由機械止動裝置和CMOS靜態隨即存取存儲單元鎖存電路控制，能夠提供固定電壓微鏡控制。固定電壓靜電控制，意味著系統不再需要機械掃描或模擬控制系統，能夠簡化系統校準。它還使得光譜儀設計更能抵抗諸如溫度、老化或振動等誤差源。
利用數字光處理技術的光譜儀工作示意圖
數字微鏡器件的可編程特性具有許多優勢。將微鏡柱作為濾鏡來設計光譜儀架構時，便能體現其中的一個優勢。數字微鏡器件的分辨率通常要比所需要的光譜更高，因此數字微鏡器件的區域無需全部利用，而光譜可以進行過採樣。這使得波長選擇可以完全編程控制，在光學引擎發生極端機械漂移的情況下，額外的微鏡還可以作為重新校準列。
而且，數字微鏡器件還是一款二維可編程陣列，能夠賦予使用者高度的靈活性。通過選擇不同數量的光柱，可以調整系統的分辨率和通過量。掃描時間的動態變化，可以使感興趣的波長獲得更多的檢測時間和更豐富的細節，充分利用儀器的使用時間和檢測性能。此外，先進的光圈編碼技術，例如Hadamard模型，相比固定濾鏡可以獲得高度的靈活性和更高的性能。
總的來說，利用數字微鏡器件的光譜儀相對目前的產品，可以獲得更高的分辨率和靈活性，更加堅固耐用，更小的外觀尺寸和更低的成本，使其廣泛的適用於各種商業和工業領域。
單探測器架構可有效消除噪音
目前，基於線性陣列的光譜儀主要受制於兩大主要因素。首先，投射到探測器上的光的波長選擇受限於像素孔徑比。探測器的尺寸決定了收集光的總量，並界定了信噪比。典型的砷化銦鎵（InGaAs）256像素線性陣列，如Hamamatsu（濱松） G9203-256，像素尺寸為50 × 500微米。而數字微鏡陣列為完全可編程矩陣，光柱數量和掃描方法是可以根據應用進行配置的。利用數字微鏡器件可以將更強的光信號投射到尺寸更大（1~2 mm）的單點探測器上。經過濾波的窄波光投射到線性陣列（通常像素寬度為50微米）上，可能會引起像素間的干擾。像素間的干擾可能會成為數據讀取時的主要噪音來源。單點探測器架構能夠消除這些像素間的干擾。同樣，數字微鏡掃描速度可達1 kHz至4 kHz，利用這一優勢，單點掃描可以獲得和多點取樣相似的停留時間。利用基於MEMS技術（或數字微鏡器件）的緊湊型光譜儀光學引擎，其測量結果顯示其信噪比範圍>10000:1。
二維MEMS陣列是實現移動光譜儀的關鍵
為了獲得最優的性能，用戶需要考慮能夠用於將光線反射至探測器的整個MEMS區域面積，才能匹配合適的單點探測器光圈尺寸。
DLP2010NIR是一款現有的超過40萬有效像素的5.4微米微鏡，為700~2500納米波長的光進行了優化，利用了一種名為TRP的新像素架構。如下圖所示，每個像素能夠提供17度的傾角。DLP2010NIR已經裝備在一款評估模型產品中，它能夠為光譜學應用提供獨一無二的光學架構。利用17度傾角切換的光路實現了高性能傳感解決方案，其緊湊的光學引擎能夠使漫射光最小化。
具有17度傾角的微鏡結構
下圖展示了這款應用於光譜儀的獨特光學引擎。該系統對整個光路進行了光學信號優化。對樣本的光學響應成像在數字光學微鏡上，能夠對每段波長進行空間控制。評估模型希望利用高效的MEMS器件作為光譜儀的高速二維濾鏡，以此獲得有益的產品設計。該系統外觀緊湊、堅固且適應性強，將光譜學分析從實驗室帶到了各種需要檢測的實地場景。可更換測量頭，使其性能相比傳統光譜儀更加強大。
利用數字微鏡器件和單點探測器的光譜儀光學引擎
目前，有多個利用DLP2010NIR芯片的光譜儀光學引擎演示模塊，它們的運行略有差別。在一款透射模塊中，利用光源、比色皿支架、精密比色皿和其它附加硬件，可用於測量透射樣本的吸收和散射性質。NIR（近紅外）透射測量可用於測量液體樣本，比如果汁中的水分含量和氣態組分。測得數據可以提供關於果汁來源的豐富信息。對於固態樣本，近紅外透射可以測量塑料管道的不透明度，這是氣體和液體傳輸管道觀測的重要參數之一。嵌入式透射測量還可以用於黃油生產中的水分含量分析，準確調整黃油製作的時間，節省了生產時間，降低了成本，並能提高終端產品的產品質量。
此外，一款反射模塊也可以用於測量那些無需光譜儀視窗接觸的樣品。它能夠在距離樣品數厘米的地方進行掃描檢測，具有更大的靈活性，例如可以監測塑料包裝的肉製品的質量。利用人體皮膚散射出來的近紅外光，還可以預測人體血糖狀況，從而進行健康檢查。
最後，利用光纖制得的一款光線耦合模塊，既可以進行透射測量也可以進行反射測量。例如可以用於監測工業過程、管道中的液體、肉類中的脂肪和蛋白質含量等。該模塊大大擴展了應用範圍，並能提供增強的測量性能。Optecks已經推出演示模型實現了所有以上樣本監測方法。
綜上所述，利用數字微鏡器件的光譜儀設備擴展了其分析、測試及測量多種物質的能力。這些光傳感解決方案能夠提供更精準的檢測性能、更高的分辨率、更高的靈活性、更堅固更小巧的外形尺寸。此外，利用數字微鏡器件的光譜儀能夠提升測量可靠性，大幅超越傳統光譜儀系統。用戶無論是想利用它來測量莊稼需要多少灌溉，還是預測食品的保質期，光譜儀仍將是精確、實時分析的有效方法。
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