|
А.И.Андреев, С.В.Мухин, В.В.Некрасов, В.А.Никитенко, А.В.Пауткина
Модульная многофункциональная оптоволоконная спектрометрическая система
Часть I
Устройство и принципы эксплуатации аппаратуры
2.1.3. Устройство оптоволоконных модулей Avantes B.V.
Матричные фотодетекторы
 Спектрометры AvaSpec комплектуются несколькими типами матричных многоэлементных фотодетекторов. Для диапазона 200-1100 нм используются многоэлементные кремниевые CCD-, CMOS-детекторы и фотодиодные матрицы (PD). Для диапазона NIR (900-2200nm) – InGaAs детекторы. Матричные элементы, в зависимости от типа, могут содержать от 102 до 2048 последовательно расположенных фоточувствительных элементов.
CCD-детекторы – зарядово-сопряженные устройства, или приборы с зарядовой связью (ПЗС), накапливают заряд, распределённый по светочувствительной поверхности многоэлементной матрицы пропорционально количеству падающих на каждый её элемент фотонов. В конце заданного временного интервала (времени интегрирования) накопленный заряд перемещается в буфер и затем передаётся в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). CCD-детекторы имеют огромный динамический диапазон, ограниченный только темновым (термическим) потоком и быстродействием АЦП.
Чувствительность CCD-детекторов в спектральной области короче 350 нм очень низкая. Для работы в этой области в спектрометрах AvaSpec-2048 применяют два типа специальных люминофорных покрытий детекторов – UV и DUV. DUV покрытие увеличивает чувствительность детектора в области 150-350 нм, и UV покрытие – в области 200-350 нм. Общая эффективность UV покрытия лучше, чем DUV покрытие.
Линейные датчики изображения CMOS имеют более низкую эффективность преобразования заряд-напряжение по сравнению с матрицами CCD и поэтому меньшую светочувствительность, но намного лучше по отношению сигнал/шум.
Фотодиодные (PD) матрицы. Кремниевые фотодиодные матрицы представляют собой линейки последовательно расположенных фотодиодов, содержащих 102, 256 или 1024 фоточувствительных элемента (пиксела). Каждый пиксел состоит из pn-перехода с положительно допированной р-областью и отрицательно допированной n-областью. Электрический сигнал в фотодиоде вызывается светом, возбуждающем фотоэлектроны. Сигнал большинства фотодиодных матриц объединяется в единую технологическую цепочку с усилителем считывания/интеграции на общем чипе.
 Технические параметры матричных фотодетекторов
Спектральная чувствительность фотодетекторов разного типа приведена на рисунке слева.
 Чувствительность отдельного элемента (пиксела) фотодетектора на некоторой длине волны определяется как величина электрического сигнала на единицу падающей на этот пиксел лучистой энергии фотонов. С данным АЦП эта величина может быть выражена как число отсчётов на mJ падающего излучения. Соотношение между световой энергией, входящей в оптическую скамью и её количеством, попадающим на отдельный пиксел, зависит от оптической конфигурации скамьи. Главными параметрами конфигурации скамьи, определяющими эту величину, являются эффективность используемой решетки, диаметр оптоволокна и ширина входной щели, качество применяемых зеркал и используемой коллимационной линзы. Конфигурацией спектрометра можно обеспечить варьирование диапазона измерения оптических сигналов около 6-7 порядков. Для повышения чувствительности, на фотодетектор может быть установлена дополнительно цилиндрическая собирающая линза. В частности такая цилиндрическая линза из УФ-кварца, установленная на фотодетектор спектрометра AvaSpec-2048, увеличивает его чувствительность в 3-5 раз в зависимости от диаметра входного оптоволокна. Некоторые технические параметры спектрометров с различными фотодетекторами приведены в таблице 2.1.4:
UТаблица 2.1.4.U Технические параметры спектрометров с различными фотодетекторами
|
Детектор
|
TAOS 102
|
HAM256
|
HAM1024
|
SONY2048
|
|
Тип
|
Фотодиодная матрица
|
CMOS линейная матрица
|
CMOS линейная матрица
|
CCD линейная матрица
|
|
Число элементов, шаг
|
102, 85 µm
|
256, 25 µm
|
1024, 25 µm
|
2048, 14 µm
|
|
Размеры элемента (ширина/высота)
|
77 x 85 µm
|
25 x 500 µm
|
25 x 500 µm
|
14 x 56 µm
|
|
Чувствительность – число отсч. за 1 ms интегрирования
(лампа HL2000, волокно 8 µm)
|
2720 (AvaSpec-102)
56
(AvaSpec-micro)
|
30 (AvaSpec-256)
|
t.b.d
|
6500 (AvaSpec-2048)
|
|
Область макс. чувствительности
|
750 nm
|
500 nm
|
500 nm
|
500 nm
|
|
Сигнал/шум
|
1000:1
|
10.000 :1
|
10.000 :1
|
1000 :1
|
|
Темновой сигнал
|
Ca. 11 counts
|
Ca. 14 counts
|
t.b.d
|
Ca. 22 counts
|
|
Спектральный диапазон
|
360-1100 nm
|
200-1000 nm
|
200-1000 nm
|
200-1100 nm
|
Полная чувствительность фотодетекторов дается в таблице в числе отсчётов за 1 миллисекунду времени интегрирования. Данные приведены для решёток 600 лин/мм, входного волокна диаметром 8 мкм, галогенного источника AvaSpec-HL2000, в отсутствии цилиндрической линзы детектора.
Паразитный свет и эффекты второго порядка
При работе на пределе чувствительности фотодетектора, порог чувствительности спектрометра определяет паразитный свет. Паразитный свет – излучение длин волн, не соответствующих настройке монохроматора, попадающее на фотоприёмник. Источниками паразитного света могут быть:
• Окружающий свет
• Рассеяние света несовершенными оптическими элементами или отражение света от конструктивных элементов спектрометра
• Перекрывающиеся порядки дифракции решетки.
Окружающий паразитный свет устраняется размещением спектрометра в светозащитном кожухе. Кроме того, крепёжные сочленения оптической скамьи, изготовленной из чернёного анодированного алюминия, защищены суперчёрным силиконом.
При работе на пределе чувствительности спектрометра, порог обнаружения определяет уровень паразитной засветки от оптической скамьи, фокусирующих зеркал и дифракционной решётки. Для снижения этих эффектов сейчас применяют голографические решётки, обладающие низким уровнем паразитного света.
Измерения уровня паразитного света проводят, освещая оптическую скамью лазерными источниками и измеряя интенсивность света на удалённых от положения проекции лазерной линии пикселях. В других методах используют галогенные источники света в совокупности с широкополосными и узкополосными оптическими фильтрами. Характеристики уровня паразитного света указываются в сопровождающей спектрометр калибровочной документации.
Типичные уровни паразитной засветки спектрометров Avantes – < 0.05 % в 600 нм; < 0.10 % в 435 нм; < 0.10 % в 250 нм.
Эффекты второго порядка, обусловленные 2-м порядком дифракции света, могут играть важную роль при использовании решёток с низкой частотой штрихов для измерений в широком спектральном диапазоне. Иногда этими эффектами можно пренебречь, но в ряде случаев они требуют принятия специальных мер для устранения. Эти меры заключаются в ограничении света областью спектра, где перекрывание порядков невозможно. Эффекты второго порядка могут быть устранены установкой широкополосного фильтра во входном SMA-коннекторе.
Для устранения эффектов второго порядка при использовании дифракционных решёток разного типа рекомендуется использование следующих типов широкополосных фильтров: OSF-475 для решёток NB и NC, OSF-515 для решёток NB и OSF-550 для решёток IB. Диапазон широкополосных фильтров, рекомендуемых для установки в оптической скамье Avantes может быть найден в Таблице паразитной засветки, размещённой по адресу: TUhttps://www.avantes.ru/Spectrometers/filters_table.htmUT.
Оптическое разрешение оптоволоконных спектрометров Avantes BV
Оптическое разрешение оптоволоконных спектрометров Avantes BV определяется как минимально различимая длина волны, разрешаемая спектрометром. Для разделения двух спектральных линий необходимо отобразить их, по крайней мере, в 2 элементах светочувствительной детекторной матрицы.
Основным параметром функции оптического разрешения спектрометров является диспергирующая способность дифракционной решётки. Этот параметр решётки определяет ширину полосы света падающего на многоэлементную детекторную матрицу и её спектральные характеристики. Другой важный параметр – ширина входящего в оптоволоконный спектрометр светового луча. В общем случае ширина луча определяется шириной оптической щели на входе спектрометра или диаметром оптического волокна, когда входная щель отсутствует.
 При использовании оптоволоконных кабелей большого диаметра, степень оптического разрешения спектрометра может быть повышена установкой оптических щелей (рис. слева), ширина которых меньше диаметра оптического волокна.
Для получения требующегося уровня избирательности спектрометра на входе оптической скамьи могут быть установлены оптические щели: 25, 50 мкм ширины и 1000 мкм высоты или 100, 200, 500 мкм ширины и 2000 мкм высоты. Изображение щели на поверхности детектора перекрывает множество светочувствительных элементов. Для оптического разрешения нескольких спектральных линий требуется, чтобы количество светочувствительных элементов оптического детектора в поле изображения щели, по крайней мере, на единицу превышало число разрешаемых линий (полос) спектра.
Зависимость оптического разрешения спектрометра AvaSpec-2048 от типа выбранной дифракционной решётки и эффективной ширины пучка входящего света представлена в таблице 2.1.5:
UТаблица 2.1.5UU.UОптическое разрешение (FWHM in nm) спектрометров AvaSpec-2048
|
решётка (лин/мм)
|
Щель (мкм)
|
|
10
|
25
|
50
|
100
|
200
|
500
|
|
300
|
0.8
|
1.4
|
2.4
|
4.3
|
8.0
|
20.0
|
|
600
|
0.4
|
0.7
|
1.2
|
2.1
|
4.1
|
10.0
|
|
1200
|
0.1-0.2*
|
0.2-0.3*
|
0.4-0.6*
|
0.7-1.0*
|
1.4-2.0*
|
3.3-4.8*
|
|
1800
|
0.07-0.12*
|
0.12-0.21*
|
0.2-0.36*
|
0.4-0.7*
|
0.7-1.4*
|
1.7-3.3*
|
|
2400
|
0.05-0.09*
|
0.08-0.15*
|
0.14-0.25*
|
0.3-0.5*
|
0.5-0.9*
|
1.2-2.2*
|
* зависит от рабочего спектрального диапазона решётки; чем выше длина волны, тем больше дисперсия и лучше решение
Оптическое разрешение спектрометра в этой таблице определяется как F (ull) W (idth) H (alf) М (aximum), представляемое шириной пика в nm на уровне 50 % максимальной интенсивности. Определение этой величины поясняет приведённый ниже рисунок:
| 
ATP/ATR СПЕКТРОМЕТР 
О КОМПАНИИ