CC BY
824
компоненты датчики
Мини-спектрометры серии MS
фирмы Hamamatsu
Игорь КонюшЕнКо
9322817@mail.ru
В статье рассматриваются особенности и возможности применения ультракомпактных спектрометров Hamamatsu серии MS. В свете достигнутых производителем оптических и электронных характеристик прибора обсуждаются вероятные области его применения. надеемся, что статья будет полезна при разработке аппаратуры для оптико-спектральных и колориметрических измерений.
Одним из направлений развития современной оптоэлектроники является внедрение в широкую практику технологий оптического спектрального анализа. Эти методы, бывшие долгое время уделом исключительно лабораторного оборудования — спектрометров и спектрофотометров, в настоящее время активно развиваются как элементы промышленного оборудования и даже бытовой техники. Такое направление их развития определяется двумя аспектами. С одной стороны — стремлением быстро и эффективно производить "on-line" контроль большого количества технологических параметров, связанных с измерением спектральных характеристик, на различных этапах производства или в различных точках технологического оборудования. С другой — развитием микроэлектроники и связанных с ней технологий, позволяющих наладить серийное производство сравнительно недорогих миниатюрных спектрометрических датчиков с хорошо воспроизводимыми параметрами.
Концепция миниатюрных (для обеспечения встраиваемости в оборудование) и недорогих (для обеспечения незначительного удорожания этого оборудования) спектрометрических датчиков при всей внешней привлекательности не лишена значительных недостатков. Размеры спектрального прибора (по отношению к длине волны измеряемого излучения) определяют величину аберраций. В небольших и миниатюрных приборах очень сложно добиться хорошего разрешения при достаточной светосиле. Таким образом, миниатюризация оптических спектральных датчиков неизбежно связана с компромиссом между разрешающей способностью и светосилой с одной стороны и размерами и массой — с другой. Уменьшение размеров и стоимости сопровождается ухудшением оптических характеристик, в первую очередь — разрешающей способности прибора.
Современный спектрометр для встраиваемых приложений, как правило, представляет собой небольшой прибор с характер-
ными геометрическими размерами 5-10 см, имеющий в своем составе раздельно смонтированные нерегулируемую входную щель, диспергирующий элемент (в подавляющем большинстве случаев — дифракционную решетку) и приемник излучения (ПЗС или фотодиодную линейку). Электронная часть, обрабатывающая сигнал с линейки и формирующая протокол передачи данных во внешнюю среду, может размещаться в корпусе спектрометра, представлять собой внешний подключаемый модуль или отсутствовать, предоставляя пользователю свободу в схемотехнических решениях. Для ввода измеряемого излучения и формирования соответствующего апертурного угла на входе в спектрометр зачастую используется оптоволокно.
Такого рода приборы выпускают Ocean Optics (серия STS), Horiba (серия СР), Ibsen (серия Rock), Hamamatsu (серия RC), Avantes (серия AvaBench), HeadWall (серия NanoSpec), StellarNet (несколько типов) и др. Названные приборы, в зависимости от числа штрихов решетки и фотоприемника, перекрывают спектральный диапазон от ближнего УФ (200 нм) до ближнего ИК (2 мкм и далее) и имеют типичное разрешение в видимом диапазоне от 1 до 10 нм (в зависимости от ширины щели). Диапазон приложений таких приборов широк и включает в себя как научные исследования (в составе сложных установок, где возможность быстрого перемещения небольшого прибора или его входного световода в нужную точку делает мини-спектрометры практически незаменимыми), так и промышленные применения.
Эти приборы, однако, могут быть избыточны для таких приложений, где спектральные особенности имеют значительную ширину (полосы в десятки нм), и речь идет не о спек-трофотометрии, а о колориметрии. Это может касаться, например, измерения параметров технологических процессов при работе с красителями в пищевой, легкой, лакокрасочной промышленности, исследовании покрытий и цветопередачи мониторов, постро-
ения компактной химико-аналитической аппаратуры и т. д. В этом случае интерес могут представлять ультракомпактные недорогие спектрометрические датчики с величиной разрешения свыше 10 нм, рабочим диапазоном, включающим исключительно видимую область. Среди таких приборов — устройства серии Spectro3 фирмы НопЬа, а также серий RC и MS фирмы Hamamatsu. И если Spectro3 и RC при небольших размерах и разрешении 5-10 нм ближе к спектрофотометрам, то серия MS, по всей видимости, является пограничной при переходе к собственно колориметрическим методам измерений.
Поскольку приборы серии MS считаются новой разработкой Hamamatsu и занимают особое место среди миниатюрных встраиваемых спектрометров, рассмотрим их подробнее.
Семейство на данный момент представлено двумя миниатюрными спектрометрами — С10988МА и С11708МА, отличающимися спектральным диапазоном и разрешением. Внешний вид спектрометров представлен на рис. 1. Как можно заметить, приборы помещены в DIP-корпус с шагом выводов 2,54 мм. Учитывая размеры корпуса 27,6x13x16,8 мм и вес 9 г, можно ввести для этого семейства определение «сверхминиатюрный спектрометр». В качестве возможных применений производитель указывает для С10988МА «контроль цвета для печатающих машин
Рис. 1. Внешний вид спектрометров C10988MA и C11708MA
датчики
компоненты
25
100 ООО р 10
10 000 — си - - ИД нал с АЦП зальный сигнал с АЦП SHOCTb
-----ра
6
Отсчеты АЦП о о о о о 4
2
£ п &
: 0 о
-2 û_
/
/ ! -Л
10 -Г- -6
--
/ -8
/ . -10
10 100 1000 10 000 Время интегрирования, мс
Рис. 2. График зависимости воспроизводимости по длине волны и линейности
Тактовый генератор
Аналоговое арифметическое устройство* (вычитание, усиление и т. п.)
* Использование по необходимости
Vdd
s.
С10988МА, С11708МА
Gain б
EOS
Vdd
2
Gain
CLK
ST
EOS
Vdd GND
Video
Рис. 4. Схема включения мини-спектрометра серии MS
CMOS-линейка
Свет
на входе Входная щель
Дифрагированный
Опорный электрод
Стеклянная печатная плата
\ Линза
Дифракцционная решетка
Таблица 1. Оптико-спектральные характеристики спектрофотометров С10988МА и С11708МА
Параметр С10988МА С11708МА
Спектральный диапазон,нм 340-750 640-1050
Разрешение, нм 14 20
Воспроизводимость по длине волны, нм ±0,5
Температурный уход спектра, нм/°С ±0,05
Уровень рассеянного света*, дБ -25
Примечание. * Измеряется на расстоянии ±40 нм от одиночной линии.
Рис. 3. Структура мини-спектрометра серии MS
Таблица 2. Оптико-спектральные характеристики спектрофотометра UVmini-1240
Параметр Значение
Спектральный диапазон,нм 190-1100
Разрешение, нм 5
Воспроизводимость по длине волны, нм ±0,3
Уровень рассеянного света, дБ -33
и принтеров» и «установку в дисплеи большого размера для контроля цветности». В свою очередь прибор С11708МА можно применять при измерении числа Брикса и качества злаковых культур в пищевой промышленности. Вывод: основные области применения — те, в которых измерения проводятся на широких спектральных полосах и не требуется значительная разрешающая способность.
Основные оптико-спектральные характеристики приведены в таблице 1. Для сравнения в таблице 2 даны характеристики недорогого стационарного спектрофотометра UVmini-1240 производства компании Shimadzu. Стационарный лабораторный спектрофотометр, как можно ожидать, превосходит миниатюрный по всем основным параметрам (спектральный диапазон, разрешающая способность, уровень рассеянного света), однако необходимо иметь ввиду, что спектрометры серии MS представляют собой чрезвычайно компактные (размером с микросхему) встраиваемые и сравнительно недорогие приборы, тогда как даже небольшой стационарный спектрофотометр имеет массу около 10 кг, соответствующие размеры и стоимость несколько тысяч евро. В этом смысле рассматриваемые спектрометры совершенно вне конкуренции. Что же касается воспроиз-
водимости по длине волны и линейности (данные о которой приведены на рис. 2), то их величины вполне достаточно для предлагаемых или подобных применений.
Прибор выполнен по схеме, представленной на рис. 3. В качестве основы для нанесения вогнутой дифракционной решетки использована выпуклая линза. Линза жестко связана с кристаллом, на котором выполнена как входная щель, так и регистрирующая линейка. Все вместе формирует жесткую оптическую схему, обладающую свойствами монолитной. Вместе с тем следует учесть, что использование линзы и связанной с ней стеклянной платы, расположенной между входной щелью и линзой, должно приводить к значительной чувствительности измеренного спектра к положению источника излучения относительно входной щели. Специальных мер, снижающих такую зависимость, в конструкции не предусмотрено. Следовательно, для проведения надежных и воспроизводимых спектральных измерений схема установки спектрометра должна предусматривать точное позиционирование источника излучения на перпендикуляре к входной щели. Кроме того, температурный ход коэффициентов преломления элементов оптической системы влияет на измеряемый
спектр, в результате чего появляется значительная зависимость спектра от температуры, что и видно, судя по данным таблицы 1.
Схема включения прибора представлена на рис. 4. Интерфейс предусматривает управление внутренним усилителем (вход "Gain") в режиме «Высокое/низкое усиление».
Таблица 3. Электрические и оптические характеристики
Параметр Значение
Тип линейки Диодная
Число пикселей 256
Размер пикселя, мкм 12,5x1000
Размер щели, мкм 75x750
Темновой ток, пА Усиление высокое 0,01
Усиление низкое 0,01
Выходной сдвиг, В 0,3
Насыщение*, В Усиление высокое 1,7
Усиление низкое 2,7
Шумы считывания, мВ rms Усиление высокое 0,3
Усиление низкое 0,2
Примечание. * Относительно напряжения сдвига.
300 400 500 600 700 800
L, нм
Рис. 5. Спектр ртутной лампы низкого давления
Сдвиговый регистр линейки и схема преобразования позволяют получать на выходе "Video" сигнал напряжения, который затем может быть подан на АЦП (напрямую или после соответствующего преобразования). Электрооптические характеристики представлены в таблице 3.
Для описываемых миниспектрометров фирма Hamamatsu выпускает отладочную плату С11351. Плата позволяет оцифровывать сигнал с разрешением 16 бит, управлять временем интегрирования линейки в пределах от 5 до 10 000 мс, регулировать усиление как внутреннего усилителя спектрофотометра, так и усилителя на отладочной плате. Связь платы с компьютером и питание платы осуществляются по интерфейсу USB 2.0. Поставляемое с платой программное обеспечение, являясь, по существу, программой управления настоящим спектрофотометром, обладает широким
набором функций. В частности, программа позволяет проводить калибровку прибора по длинам волн, устанавливать параметры измерения (усиление, время интегрирования), измерять темновой, опорный и собственно аналитический спектр. Темновой и опорный спектры могут быть затем использованы программой в автоматическом режиме (по желанию оператора). Темновой спектр вычитается из сигнала, а на опорный производится нормировка. Существует возможность одновременного отображения аналитического и опорного спектров. Предусмотрена также возможность аппроксимации выделенной части спектра гауссовой кривой. В общем, характеризуя программное обеспечение, можно сказать, что его функций вполне достаточно для проведения несложных спектральных измерений, на какие и рассчитан предлагаемый спектрометр. Основным недостатком предла-
гаемой отладочной платы, а вернее — ее программного обеспечения, является невозможность построения собственных программных средств, так как функции управляющей библиотеки скрыты от пользователя и описание их отсутствует.
На рис. 5 приведен спектр ртутной лампы низкого давления, полученный на спектрофотометре С10988МА с помощью отладочной платы и поставляемого программного обеспечения. Числами на графике обозначены длины волн, соответствующие максимумам линий. Измерение проводилось с использованием заводской калибровки по длинам волн. Ширина линий на полувысоте составляет 12-14 нм, что согласуется с заявленной производителем величиной разрешения.
Из приведенного описания можно сделать следующие выводы. Во-первых, диапазон измеряемого излучения и величина разрешения вынуждают, как уже указывалось, рекомендовать приборы этой серии в основном для колориметрических приложений. Во-вторых, оформление входа прибора в виде щели требует проявлять внимание к углам ввода излучения в спектрометр. Следует помнить, что даже небольшие вариации этого угла могут вызвать значительные изменения измеренного спектра. Может быть, вход прибора, выполненный в виде волокна, уменьшил бы эту проблему, однако такое решение уже не вполне вписывается в концепцию сверхминиатюрности. Третьим замечанием может служить то, что «интегральная» конструкция прибора, основанная на линзе, может привести к значительной температурной зависимости измеренного спектра.
Автор надеется, что приведенный анализ будет полезен при выборе встраиваемого спектрометра с соответствующим соотношением между ценой и характеристиками, как оптико-спектральными, так и электрическими. ■
