Миниатюрные спектрометры серии ATP2400 от компании Optosky Photonics

1. Общее описание спектрометра

Спектрометры ATP2400 от компании Optosky Photonics – это оптимальное решение (рис. 1), которое сравнимо по характеристикам со спектрометрами от Ocean Insight (Ocean Optics) серии USB2000+ (модель, предшествующая серии Flame-S). Результаты измерений не меняются в зависимости от температуры окружающей среды, что является преимуществом данного спектрометра.

ATP2400 может принимать входной сигнал от патч-корда с коннектором SMA905 или через free-space, спектральные данные выводятся с помощью подключения спектрометра к компьютеру через порты USB Type-C или UART.

Рисунок 1 – Общий вид спектрометра ATP2400

Специальное программное обеспечение (ПО) Optosky Spectra, разработанное специально для визуализации спектров, является достаточно простым и адаптированным под пользователя.

2. Сравнение ATP2400 Optosky и USB2000+ Ocean Insight

Ocean Insight (Ocean Optics) – популярная американская компания, которая производит и разрабатывает оборудование для спектроскопического анализа высокого качества с 1992 года. Каждый из пользователей спектрометров не на слуху знает качество и возможности спектрометров данной компании. Однако китайские производители не отстают ни на шаг.

Компания Optosky Photonics имеет 20-летний опыт работы и производства в области спектроскопии. Широкая линейка приборов для различных отраслей производства и науки отвечает всем современным стандартам и требованиям. Все продукты Optosky являются их собственной разработкой.

В спектрометрах ATP2400 используется малошумящая электроника, которая позволяет получить в 2 раза более высокие значения отношения сигнал/шум по сравнению с аналогичными спектрометрами на рынке. Ниже приведена сравнительная таблица некоторых характеристик со спектрометром USB2000+ Ocean Insight.

Таблица 1. Сравнение спектрометров ATP2400 Optosky и USB2000+ Ocean Insight

Спектрометры ATP2400 от Optosky Photonics – это новое уникальное поколение миниатюрных высокотехнологичных спектрометров. Они компактнее спектрометров USB2000+ Ocean Insight, более просты в интеграции и предлагают высокую производительность.

3. Комплектность оборудования

В стандартный комплект поставки спектрометра Optosky ATP2400 включены (рис. 2):

• спектрометр;
• кабель USB Type-C;
• отчет об испытаниях, гарантийный талон, сертификат качества;
• руководство пользователя на английском языке;
• 20-pin кабель для внешней связи и передачи данных;
• ПО (скачивается с официального сайта производителя).

Рисунок 2 – Стандартная комплектация спектрометра ATP2400

Дополнительно можно приобрести патч-корд с разной пропускной способностью и необходимыми коннекторами с двух сторон. В качестве стандартного разъема используются коннекторы SMA905, однако FC также используются (рис. 3). 

Рисунок 3 – Примеры патч-кордов для спектрометров

Волокна малого диаметра рекомендуется использовать для передачи сильного сигнала, например, при измерении поглощения или энергетической освещенности.

Волокна большого диаметра предпочтительнее использовать для передачи слабого сигнала, например, при флуоресцентных измерениях.

Вариации конструкции патч-корда также могут отличаться зависимости от применения (пример на рис. 4).

Рисунок 4 – Возможная схема подключения спектрометра для измерения параметров твердого образца

В зависимости от длины патч-корда интенсивность пропускания может измениться, но незначительно.

4. Оптический модуль

Оптический модуль достаточно компактный, что позволяет интегрировать его в более масштабную оптическую систему (рис. 5).  

Рисунок 5 – Геометрия спектрометра

На боковых панелях установлен оптический вход для коннекторов с разъемом SMA905. Тут же расположен USB Type-С для подключения питания и к компьютеру, а также 20-контактный аналоговый разъем для подключения к внешнему питанию, программируемый пользователем. 

5. Программное обеспечение

Минимальные требования к компьютеру для установки программного обеспечения указаны в Таблице 2.

Таблица 2. Минимальные требования к компьютеру

Для корректной установки программы необходимо ознакомиться с руководством пользователя к ПО Optosky Spectra.

Рабочее поле программного обеспечения визуально разделено на шесть областей (рис. 6):

Рисунок 6 – Общий вид программного обеспечения

1) Меню;
2) Панель инструментов;
3) Отображение статуса;
4) Информация о спектрометре;
5) Запись сохранения спектральных данных;
6) Интерфейс изображения.

Рассмотрим каждое поле немного подробнее, чтобы раскрыть весь потенциал программного обеспечения.

Меню

Общий вид поля «Меню» представлен на рисунке 7.  

Рисунок 7 – Общий вид поля «Меню»

Данное поле разбито на подменю, которое отвечает за общие настройки спектрометра.

В подменю Files пользователь может сохранить спектр или открыть из ранее сохраненных. В подменю Equipment доступна калибровка по длине волны спектрометра, а также общая информация о подключенном спектрометре. Стоит отметить, что калибровка каждого спектрометра производится на производстве перед отгрузкой. В Setup находятся две основные функции: Setup X-Axis и Number of Curves, а также возможность изменения языка (английский и китайский).

Setup X-Axis позволяет выбрать систему измерения по оси Х: пиксели, длину волны или время. Number of Curves активен только в случае, если по оси Х отложены пиксели или длина волны. Number of Curves относится к количеству кривых, которые могут отображаться одновременно на графике данных измерений, и разные кривые отличаются разными цветами.

Подменю Measurement можно найти настройки временной последовательности, коррекции освещенности, триггер выхода и проблемная точка измерений.

В подменю Help можно выйти на главную страницу производителя и изучить дополнительную выпускаемую продукцию, историю компании и другие дополнительные материалы.

Панель инструментов

Общий вид панели инструментов представлен на рисунке 8. 

Рисунок 8 – Общий вид поля «Панель инструментов»

Здесь расположены 4 основные кнопки для управления изображением в режиме реального времени:

Рисунок 9 – Кнопки управления изображением в реальном времени

Далее представлены поля для настройки проводимого эксперимента. Изменению подлежат:

• Acquire parameters – настройка параметров;
• Average time – среднее время;
• Algorithm – алгоритмы;
• Process mode – режим обработки;
• Peak search – поиск пика.

Отображение статуса

Определение статуса работы спектрометра.

Информация о спектрометре

В данном поле отображается полная информация о спектрометре.

Запись сохранения спектральных данных

Отображение записанных данных.

Интерфейс изображения

В данном поле генерируется изображение спектра, в режиме реального времени или с помощью остановки изображения.

В поле интерфейса можно вносить корректировки, например, выводить значения пиков, менять значения по осям, копировать и распечатывать график спектра. 

6. Экспериментальные данные

a. В качестве источника излучения использовался источник белого света от Thorlabs SLS201L, с диапазоном рабочих длин волн от 360 нм до 2600 нм. Спектр источника представлен на рисунке 10. 

Рисунок 10 – Спектр источника SLS201L при выдержке 1000 мкс

Далее использованы комплектные фильтры от камеры профилометра DataRay BladeCam2-HR, ND-1, ND-2 и ND-4, имеющие разный коэффициент пропускания на видимом диапазоне (рис. 11). 

Рисунок 11 – Спектры пропускания фильтров DataRay ND-1, ND-2 и ND-4

В итоговом приближении, при наложении спектров: исходного и с фильтрами мы получаем спектр на рисунке 12. 

Рисунок 12 – Спектры пропускания источника SLS201L с использованием фильтров

В данном случае видно, что у фильтра ND-1 самая маленькая блокировка излучения, а у ND-4 – самая высокая, так как видимый диапазон не пропускается.

Отметим также, что время интегрирования для каждого измерения выбиралось автоматически, так как одно и тоже значение либо зашкаливало интенсивность, либо мощности света не хватало. Время интегрирования отображает как долго получается один спектр. Чем дольше время интегрирования, тем сильнее интенсивность получаемого спектра.

7. Принцип работы спектрометра

Спектрометр серии ATP2400 построен по оптической схеме Черни-Тернера (отклонение 2-го и 3-го порядка), как и многие спектрометры, доступные на рынке. Данное оборудование может обеспечить высокое оптическое разрешение, высокую чувствительность, низкий уровень рассеянного света и быструю спектральную характеристику.

Общий принцип работы спектрометров построен на одной оптической схеме, и он не отличается от принципа работы спектрометров серии SE от Oto Photonics. Ключевыми особенностями являются параметры самих спектрометров. Параметры спектрометра ATP2400 мы рассмотрим ниже.

Принципиальная оптическая схема работы спектрометра представлена на рисунке 13. Излучение через оптический разъем и входную щель попадает на коллимирующее зеркало, после чего свет, отраженный от этого зеркала, попадает в виде параллельного пучка на дифракционную решётку. Далее излучение попадает на фокусирующее зеркало – это зеркало фокусирует спектры первого порядка в плоскости детектора. Далее идет выходная щель для внешнего детектирования излучения, или устанавливается переменный фильтр высших порядков, который отрезает второй и третий порядки дифракции, предотвращая их попадание на детектор. Благодаря детектору излучение детектируется с помощью программного обеспечения в режиме реального времени. 

Рисунок 13 – Принципиальная схема работы спектрометра

В широкой трактовке, оптический спектрометр – это прибор для спектрального анализа излучения, диапазон которого может варьироваться от ближнего УФ до ближнего ИК, включая всю видимую область спектра.

В небольшом модуле происходит разложение анализируемого излучения в спектр (рис. 14). Существенной разницей спектрометра является то, что на выход устройства подается весь спектр (точнее, значительный его участок), в то время как в монохроматоре на выход устройства подается лишь узкая, специально выделенная из спектра полоса.

Рисунок 14 – Схема распространения излучения внутри модуля: цифрой 1 обозначена входная щель

Основополагающий параметр для спектрометра – это размер входной щели, от которой зависят характеристики спектрометра, так как щель задает размер светового потока, попадающего на оптическую часть.

Свет попадает внутрь спектрометра через оптическое волокно или линзу, от щели зависит угол расходимости попадающего внутрь света. От ширины изображения во входном отверстии зависит спектральное разрешение прибора, если он превышает ширину пикселя в детекторе. 

Общие характеристики спектрометров серии АТР2400:

• диапазон длин волн: от 180 до 1100 нм;
• оптическое разрешение: от 0,1 до 2 нм в зависимости от комбинации щели и решетки;
• легкость и компактность;
• конструктивные особенности расположения входных портов, позволяют легко интегрировать спектрометр в систему;
• детектор: линейный КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник);
• пиксели детектора: 2048 пикселей;
• сверхмалошумящая схема обработки сигнала;
• случайное время (Casual time): 0,1 мс-130 с;
• источник питания DC 5 В ± 10% или питание от USB Type-C;
• AЦП: 16 бит, 2МГц;
• SMA905 или free-space;
• поддерживаемый интерфейс вывода данных: USB Type-C или UART.

Точные параметры спектрометра приведены в Таблице 3.

Таблица 3. Параметры спектрометров АТР2400

Спектрометры обладают большим функционалом и малыми габаритами. Их легко встроить в готовое устройство для проведения мониторинга систем, а также удобно использовать в качестве лабораторных исследований. Малые габариты и широкий перечень настроек позволяет оптимизировать весь процесс под необходимую задачу. Легко проводятся измерения спектров в разных областях применения, что является преимущественным для проведения исследовательских работ.

Автор статьи: Раъно Кашина, Виктория Васильева

АО «ЛЛС» является официальным дистрибьютором компании Optosky Photonics в РФ и странах Таможенного Союза.

Данное оборудование протестировано инженерами АО «ЛЛС» и при наличии дополнительных вопросов просим обратиться к специалистам компании.

Получить дополнительную информацию вы можете, обратившись к нашим специалистам. Мы с радостью поможем сделать вам правильный выбор именно для вашего применения.




Васильева Виктория
Ведущий инженер по спектрометрам и образовательным продуктам