Zaloguj się
Wszystkie
17 marca 2025
106
Budowa klasycznego spektrometru opiera się na dość złożonym układzie elektroniczno-mechaniczno-optycznym, w którym światło jest najpierw rozszczepiane w celu dekompozycji wiązki wejściowej do postaci wiązki wachlarzowej, w której kąt propagacji poszczególnych promieni zależy od długości fali. Następnie wiązka wachlarzowa pada na przesuwną szczelinę, której precyzyjne pozycjonowanie umożliwia wybór pożądanej długości fali (a raczej wąskiego zakresu fal). I już taki pobieżny opis doskonale oddaje podstawowe problemy tej technologii: w celu uzyskania akceptowalnej jakości pomiarów konstruktor musi stawić czoło szeregowi wyzwań, w tym przede wszystkim rozważyć następujące aspekty:
- stateczność mechaniczna – elementy statyczne (układ optyczny, fotodetektor, system szczeliny przesuwnej) muszą być zamontowane w sztywnej, odpornej na zmiany temperatury „ramie”, która zapewni stałe pozycje poszczególnych elementów względem siebie,
- precyzja i powtarzalność pozycjonowania – rzeczywiste położenie szczeliny w plamie światła rozszczepionego bezpośrednio wpływa na wynikową dokładność pomiaru,
- dynamika pomiaru – przeskanowanie całego dostępnego widma (lub jego sporego fragmentu) wymaga dość długiego czasu, dlatego mechaniczne spektrometry zupełnie nie nadają się do prowadzenia pomiarów zjawisk szybkozmiennych,
- niski poziom sygnału wyjściowego – ilość światła docierającego do fotodetektora zależy nie tylko od natężenia wiązki wejściowej, ale także od szerokości szczeliny – im jest ona węższa, tym lepsza rozdzielczość widmowa (mierzona w nanometrach), ale także niższy poziom sygnału. Z tego względu spektrometry wymagają stosowania wysokiej klasy, bardzo czułych i niskoszumowych układów pomiarowych współpracujących z fotodetektorem,
- charakterystyka widmowa fotoelementu – sam czujnik również wpływa na poziom sygnału fotoelektrycznego. Pod uwagę trzeba wziąć nie tylko charakterystykę spektralną (musi ona obejmować całe docelowe widmo, które ma być badane w spektrometrze), ale także powierzchnię fotoelementu – większy czujnik to zwykle lepsze parametry szumowe, zwłaszcza w zakresie bardzo słabych sygnałów (podobna sytuacja ma miejsce w matrycach kamer i aparatów fotograficznych),
- rodzaj szkła elementów optycznych – optyka spektrometru musi uwzględniać docelowe widmo badanych zjawisk/obiektów, stąd np. zwykłe soczewki odpadają w przedbiegach w przypadku spektrometrów chociażby lekko zahaczających o zakres ultrafioletu – konieczne okazuje się stosowanie np. znacznie droższego szkła kwarcowego.
Te i inne aspekty sprawiają, że budowa dobrej klasy spektrometru od zera jest zadaniem trudnym, pracochłonnym i kosztownym, osiągalnym tylko dla niektórych, wysoce zaawansowanych technologicznie przedsiębiorstw.
Fotonika na wyciągnięcie ręki – minispektrometry OEM
Wszystkie opisane powyżej bolączki można rozwiązać, stosując gotowy moduł spektrometru OEM. Bohater tego artykułu – niewielki moduł o oznaczeniu C16767MA japońskiej marki Hamamatsu Photonics K.K. – należy do rodziny minispektrometrów o wymiarach 20,1×12,5×10,1 mm i masie zaledwie… 5 gramów! Tak imponująca miniaturyzacja była możliwa dzięki zastosowaniu technologii w pełni statycznej, tj. pozbawionej jakichkolwiek elementów ruchomych, mało tego – sama optyka także została zredukowana do absolutnego minimum. Światło wpada do wnętrza obudowy przez uszczelnione okno optyczne, a następnie przechodzi przez szczelinę wejściową, której zadaniem jest rozproszenie wiązki i skierowanie jej na specjalną siatkę dyfrakcyjną, zbudowaną w oparciu o odpowiednio zakrzywione podłoże.
Światło ulega rozszczepieniu i pada na jednorzędowy liniał pomiarowy CMOS, umieszczony po wewnętrznej stronie pokrywy spektrometru. Co ciekawe, szczelina jest wykonana w tej samej strukturze krzemowej, co… wbudowany układ ASIC oraz współpracujący z nim czujnik obrazu 1D. Taka konstrukcja jest nieprzypadkowa, oferuje bowiem dwie bardzo ważne zalety: po pierwsze, struktura doskonale „trzyma” wymiary, co wpływa na większą powtarzalność produkcji; po drugie zaś jakość wykończenia brzegów szczeliny jest zapewniona przez stabilny i ultraprecyzyjny proces produkcji półprzewodnikowej. W istocie jedynym elementem umieszczonym poza samym czipem jest zatem siatka dyfrakcyjna. Całość znajduje się w solidnej, metalowej puszce, co z kolei gwarantuje sporą odporność mechaniczną i termiczną oraz wysoką sztywność całej konstrukcji.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
