eng
Выпуск #4/2021
В. М. Поляков , А. С. Бобе , С. И. Томашевич , Д. С. Денк, Д. Н. Калитеевский, И. Н. Калитеевский, А. Л. Павлова
Спектрометры видимого и ближнего инфракрасного диапазона для научного и промышленного применения
Спектрометры видимого и ближнего инфракрасного диапазона для научного и промышленного применения
Просмотры: 2158
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.4.316.322
Представлены спектрометры видимого и ближнего ИК-диапазонов, созданные для регистрации спектральных характеристик образцов разной природы. В основе прибора лежит оптическая схема Черни-Тернера, используются нарезные дифракционные решетки. Спектрометры могут быть использованы в качестве отдельного модуля в составе спектрофотометров, спектрофлюориетров, рамановских спектрометров. В конструкцию прибора заложена высокая адаптация под конкретные задачи промышленных и научных применений.
Представлены спектрометры видимого и ближнего ИК-диапазонов, созданные для регистрации спектральных характеристик образцов разной природы. В основе прибора лежит оптическая схема Черни-Тернера, используются нарезные дифракционные решетки. Спектрометры могут быть использованы в качестве отдельного модуля в составе спектрофотометров, спектрофлюориетров, рамановских спектрометров. В конструкцию прибора заложена высокая адаптация под конкретные задачи промышленных и научных применений.
Теги: czerny-turner scheme raman spectrometers spectrofluorometers spectrometers of the visible and near infrared ranges spectrophotometers рамановские спектрометры спектрометры видимого и ближнего ик-диапазонов спектрофлюориметры спектрофотометры схема черни-тернера
Спектрометры видимого и ближнего инфракрасного диапазона для научного и промышленного применения
В. М. Поляков , А. С. Бобе, С. И. Томашевич , Д. С. Денк , Д. Н. Калитеевский, И. Н. Калитеевский , А. Л. Павлова
ООО «ГК Р-АЭРО», Санкт-Петербург, Россия
ООО «Геофотоника», Санкт-Петербург, Россия
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
Представлены спектрометры видимого и ближнего ИК-диапазонов, созданные для регистрации спектральных характеристик образцов разной природы. В основе прибора лежит оптическая схема Черни-Тернера, используются нарезные дифракционные решетки. Спектрометры могут быть использованы в качестве отдельного модуля в составе спектрофотометров, спектрофлюориетров, рамановских спектрометров. В конструкцию прибора заложена высокая адаптация под конкретные задачи промышленных и научных применений.
Ключевые слова: спектрометры видимого и ближнего ИК-диапазонов, схема Черни-Тернера, спектрофотометры, спектрофлюориметры, рамановские спектрометры
Статья поступила: 22.04.2021
Статья принята: 04.06.2021
Спектральное исследование света является мощным инструментом, дающим прямой доступ к изучению состава веществ, а также физических процессов, происходящих в источниках света. Так, например, сравнение спектрального состава света, прошедшего через исследуемый образец, со спектральным составом света, падающим на образец, позволяет напрямую изучить молекулярную структуру вещества, которая и определяет центральные длины волн и силу линий поглощения [1]. Исследование спектров излучения лазерных и светодиодных источников позволяет оценивать качество излучения. Исследование рамановских спектров позволяет обратиться к атомарной структуре вещества [2].
Высокая грамотность современного пользователя спектрального оборудования предъявляет особые требования к принципам создания новых спектрометрических продуктов и их архитектуре. Современный пользователь зачастую формирует задания на нестандартные схемы измерения, которые не вышли еще на рынки измерительной аппаратуры в виде готовых решений. Если обратиться к опыту участников зарубежных рынков, то можно увидеть, что ведущие производители предлагают линейку продукции. В линейку входят элементарные блоки, которые могут использоваться как самостоятельные приборы, и сложные технические системы, построенные на основе этих элементарных блоков [3, 4]. При этом элементарные блоки также доступны в OEM исполнении для встраивания в системы клиента.
Перечисленные выше обстоятельства определили модель вывода на рынок спектральной продукции ООО «ГК Р-АЭРО» – линейки дифракционных спектрометров VISION2GO (рис. 1). Была разработана универсальная с точки зрения спектрального диапазона оптическая схема спектрометра и электроника для работы с кремниевыми и InGaAs приемниками.
Особенностью оптической схемы является работа всех элементов на отражение и широкая вариабельность в использовании дифракционных решеток с разной частотой штрихов. В сочетании с гибким программным обеспечением собственной разработки такой подход позволяет, используя стандартные хорошо отработанные в серийном производстве модули, применять их в составе сложных технических систем для решения широкого круга задач.
В частности, основным компонентом, вокруг которого строится вся архитектура продуктовой линейки, является компактный спектрометр с фокусным расстоянием 50 мм, построенный по схеме Черни-Тернера на внеосевых асферических элементах с компенсацией астигматизма. На сегодняшний день эта схема используется в диапазонах 200–1 100 нм, 900–1 600 нм и 900–2 500 нм. Характеристики наиболее массово изготавливаемых изделий представлены в таблице. В перспективе одного года планируется расширить спектральный диапазон работы спектрометров до 3–5 мкм.
В ближнем ИК-диапазоне указанная схема обеспечивает пикселную резкость (рис. 2) при ширине входной щели 50 мкм (входная щель в схеме изображается с увеличением 1 : 1 на приемник, имеющий ширину пиксела 50 мкм).
В видимом диапазоне (рис. 3) при щели 25 мкм схема позволяет добиться уверенной разрешающей способности не хуже 2 нм по полувысоте пика в диапазоне 200–1 100 нм.
За счет установки более частых решеток можно разменивать ширину доступного спектрального диапазона на разрешающую способность. Протокол информационного обмена и программное обеспечение позволяют объединять несколько элементарных спектрометров в один и таким образом добиваться большой информативности измерений.
Помимо непосредственно спектрометров производятся такие источники излучения, как стабилизированные галогенные лампы и светодиодные источники с ШИМ-управлением интенсивностью (ШИМ – широтно-импульсная модуляция, англ. PWM – pulse-width modulation). Также производятся устройства для введения образцов в измерительную схему – проточные кюветы, в том числе рассчитанные на давление до 125 МПа, и кюветы с зазором до 10 мкм; конденсоры для измерений коэффициентов отражения в микромасштабе, волоконные зонды.
Использование высокоразрядных АЦП и малошумящих источников питания позволяет добиваться сравнительно низкого уровня шумов (рис. 4а и 5а) и высокого динамического диапазона (рис. 4b и 5b). Для реализации синхронизации с работой источников света и иными рабочими процессами спектрометры оборудуются синхровходом. Ведется работа над аппаратной записью последовательности спектров во внутреннюю память спектрометра с последующей передачей по USB в программное обеспечение.
Программное обеспечение со встроенными функциями математической обработки позволяет дополнительно расширить динамический диапазон (рис. 6).
На основе описываемых модулей были реализованы несколько комплексных приборов, позволяющих проводить одновременную регистрацию спектров пропускания, отражения и флуоресценции жидких и твердых образцов, например спектрофотометр (рис. 7).
Спектрофотометр позволяет регистрировать спектр пропускания жидких образцов (рис. 8) в спектральном диапазоне 1 600–1 860 нм с оптическими плотностями до 5, а также регистрировать спектр флуоресценции образца при возбуждении излучением на длине волны 405 нм.
References
J. Michael Hollas. Modern Spectroscopy, 4th ed. Clin. Chem. 2004;50(12): 2469–2470.
Long D. A. Raman spectroscopy. – New York. 1977; 1–12.
Applied Spectral Knowledge | Spectrometers |. Ocean Insight [Electronic resource]. URL: https://www.oceaninsight.com/ (accessed: 09.06.2021).
Mini Rugged Spectrometer Systems | StellarNet Inc [Electronic resource]. URL: https://www.stellarnet.us/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIsAHdMTQzlxODjqJ3tHnbVc0XkTJQ228YqCuc4jNVqsPnWOEfnuxhLCLFbUZwaAh9cEALw_wcB (accessed: 03.06.2021).
АВТОРЫ
Поляков Вадим Михайлович, vadim.polyakov@r-aero.com, ООО «ГК Р-АЭРО», www.r-aero.com, технический директор, Санкт-Петербург, Россия.
Бобе Александра Сергеевна, ООО «Геофотоника», инженер-оптик, Университет ИТМО, кафедра прикладной и компьютерной оптики, Санкт-Петербург, Россия.
Томашевич Станислав Игоревич, к. т. н., ООО «Геофотоника», инженер-программист, Университет ИТМО; доцент, факультет систем управления и робототехники, Санкт-Петербург, Россия.
Денк Денис Сергеевич, ООО «ГК Р-АЭРО», инженер-электроник, www.r-aero.com, Санкт-Петербург, Россия.
Калитеевский Дмитрий Николаевич, ООО «ГК Р-АЭРО», инженер-конструктор, www.r-aero.com, Санкт-Петербург, Россия.
Калитеевский Илья Николаевич, ООО «ГК Р-АЭРО», генеральный директор, www.r-aero.com, Санкт-Петербург, Россия.
Павлова Анна Леонидовна, ООО «ГК Р-АЭРО», ведущий специалист по научно-техническим проектам, www.r-aero.com, Санкт-Петербург, Россия.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы. АО «ЛЛС» – официальный дилер товаров ООО «ГК Р-АЭРО» на территории Российской Федерации и стран СНГ.
В. М. Поляков , А. С. Бобе, С. И. Томашевич , Д. С. Денк , Д. Н. Калитеевский, И. Н. Калитеевский , А. Л. Павлова
ООО «ГК Р-АЭРО», Санкт-Петербург, Россия
ООО «Геофотоника», Санкт-Петербург, Россия
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
Представлены спектрометры видимого и ближнего ИК-диапазонов, созданные для регистрации спектральных характеристик образцов разной природы. В основе прибора лежит оптическая схема Черни-Тернера, используются нарезные дифракционные решетки. Спектрометры могут быть использованы в качестве отдельного модуля в составе спектрофотометров, спектрофлюориетров, рамановских спектрометров. В конструкцию прибора заложена высокая адаптация под конкретные задачи промышленных и научных применений.
Ключевые слова: спектрометры видимого и ближнего ИК-диапазонов, схема Черни-Тернера, спектрофотометры, спектрофлюориметры, рамановские спектрометры
Статья поступила: 22.04.2021
Статья принята: 04.06.2021
Спектральное исследование света является мощным инструментом, дающим прямой доступ к изучению состава веществ, а также физических процессов, происходящих в источниках света. Так, например, сравнение спектрального состава света, прошедшего через исследуемый образец, со спектральным составом света, падающим на образец, позволяет напрямую изучить молекулярную структуру вещества, которая и определяет центральные длины волн и силу линий поглощения [1]. Исследование спектров излучения лазерных и светодиодных источников позволяет оценивать качество излучения. Исследование рамановских спектров позволяет обратиться к атомарной структуре вещества [2].
Высокая грамотность современного пользователя спектрального оборудования предъявляет особые требования к принципам создания новых спектрометрических продуктов и их архитектуре. Современный пользователь зачастую формирует задания на нестандартные схемы измерения, которые не вышли еще на рынки измерительной аппаратуры в виде готовых решений. Если обратиться к опыту участников зарубежных рынков, то можно увидеть, что ведущие производители предлагают линейку продукции. В линейку входят элементарные блоки, которые могут использоваться как самостоятельные приборы, и сложные технические системы, построенные на основе этих элементарных блоков [3, 4]. При этом элементарные блоки также доступны в OEM исполнении для встраивания в системы клиента.
Перечисленные выше обстоятельства определили модель вывода на рынок спектральной продукции ООО «ГК Р-АЭРО» – линейки дифракционных спектрометров VISION2GO (рис. 1). Была разработана универсальная с точки зрения спектрального диапазона оптическая схема спектрометра и электроника для работы с кремниевыми и InGaAs приемниками.
Особенностью оптической схемы является работа всех элементов на отражение и широкая вариабельность в использовании дифракционных решеток с разной частотой штрихов. В сочетании с гибким программным обеспечением собственной разработки такой подход позволяет, используя стандартные хорошо отработанные в серийном производстве модули, применять их в составе сложных технических систем для решения широкого круга задач.
В частности, основным компонентом, вокруг которого строится вся архитектура продуктовой линейки, является компактный спектрометр с фокусным расстоянием 50 мм, построенный по схеме Черни-Тернера на внеосевых асферических элементах с компенсацией астигматизма. На сегодняшний день эта схема используется в диапазонах 200–1 100 нм, 900–1 600 нм и 900–2 500 нм. Характеристики наиболее массово изготавливаемых изделий представлены в таблице. В перспективе одного года планируется расширить спектральный диапазон работы спектрометров до 3–5 мкм.
В ближнем ИК-диапазоне указанная схема обеспечивает пикселную резкость (рис. 2) при ширине входной щели 50 мкм (входная щель в схеме изображается с увеличением 1 : 1 на приемник, имеющий ширину пиксела 50 мкм).
В видимом диапазоне (рис. 3) при щели 25 мкм схема позволяет добиться уверенной разрешающей способности не хуже 2 нм по полувысоте пика в диапазоне 200–1 100 нм.
За счет установки более частых решеток можно разменивать ширину доступного спектрального диапазона на разрешающую способность. Протокол информационного обмена и программное обеспечение позволяют объединять несколько элементарных спектрометров в один и таким образом добиваться большой информативности измерений.
Помимо непосредственно спектрометров производятся такие источники излучения, как стабилизированные галогенные лампы и светодиодные источники с ШИМ-управлением интенсивностью (ШИМ – широтно-импульсная модуляция, англ. PWM – pulse-width modulation). Также производятся устройства для введения образцов в измерительную схему – проточные кюветы, в том числе рассчитанные на давление до 125 МПа, и кюветы с зазором до 10 мкм; конденсоры для измерений коэффициентов отражения в микромасштабе, волоконные зонды.
Использование высокоразрядных АЦП и малошумящих источников питания позволяет добиваться сравнительно низкого уровня шумов (рис. 4а и 5а) и высокого динамического диапазона (рис. 4b и 5b). Для реализации синхронизации с работой источников света и иными рабочими процессами спектрометры оборудуются синхровходом. Ведется работа над аппаратной записью последовательности спектров во внутреннюю память спектрометра с последующей передачей по USB в программное обеспечение.
Программное обеспечение со встроенными функциями математической обработки позволяет дополнительно расширить динамический диапазон (рис. 6).
На основе описываемых модулей были реализованы несколько комплексных приборов, позволяющих проводить одновременную регистрацию спектров пропускания, отражения и флуоресценции жидких и твердых образцов, например спектрофотометр (рис. 7).
Спектрофотометр позволяет регистрировать спектр пропускания жидких образцов (рис. 8) в спектральном диапазоне 1 600–1 860 нм с оптическими плотностями до 5, а также регистрировать спектр флуоресценции образца при возбуждении излучением на длине волны 405 нм.
References
J. Michael Hollas. Modern Spectroscopy, 4th ed. Clin. Chem. 2004;50(12): 2469–2470.
Long D. A. Raman spectroscopy. – New York. 1977; 1–12.
Applied Spectral Knowledge | Spectrometers |. Ocean Insight [Electronic resource]. URL: https://www.oceaninsight.com/ (accessed: 09.06.2021).
Mini Rugged Spectrometer Systems | StellarNet Inc [Electronic resource]. URL: https://www.stellarnet.us/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIsAHdMTQzlxODjqJ3tHnbVc0XkTJQ228YqCuc4jNVqsPnWOEfnuxhLCLFbUZwaAh9cEALw_wcB (accessed: 03.06.2021).
АВТОРЫ
Поляков Вадим Михайлович, vadim.polyakov@r-aero.com, ООО «ГК Р-АЭРО», www.r-aero.com, технический директор, Санкт-Петербург, Россия.
Бобе Александра Сергеевна, ООО «Геофотоника», инженер-оптик, Университет ИТМО, кафедра прикладной и компьютерной оптики, Санкт-Петербург, Россия.
Томашевич Станислав Игоревич, к. т. н., ООО «Геофотоника», инженер-программист, Университет ИТМО; доцент, факультет систем управления и робототехники, Санкт-Петербург, Россия.
Денк Денис Сергеевич, ООО «ГК Р-АЭРО», инженер-электроник, www.r-aero.com, Санкт-Петербург, Россия.
Калитеевский Дмитрий Николаевич, ООО «ГК Р-АЭРО», инженер-конструктор, www.r-aero.com, Санкт-Петербург, Россия.
Калитеевский Илья Николаевич, ООО «ГК Р-АЭРО», генеральный директор, www.r-aero.com, Санкт-Петербург, Россия.
Павлова Анна Леонидовна, ООО «ГК Р-АЭРО», ведущий специалист по научно-техническим проектам, www.r-aero.com, Санкт-Петербург, Россия.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы. АО «ЛЛС» – официальный дилер товаров ООО «ГК Р-АЭРО» на территории Российской Федерации и стран СНГ.
Отзывы читателей
