Обзор спектрометра Otophotonics SE2030-010-DUVN

1. Общее описание спектрометра

Спектрометры серии SmartEngine (SE)– это компактные спектрометры общего назначения с возможностью настройки пользовательской конфигурации.

Данные спектрометры оснащены линейным ПЗС-датчиком и высокопроизводительным 32-битным RISC-контроллером. Оптический механизм очень прост и оптимизирован для данного спектрометра. Оптическая скамья системы очень жесткая и стабильная для проведения измерений, особенно серия SE обладает выдающейся устойчивостью к термогидродинамическим изменениям, вибрациям и характеристикам сдвига длины волны. Компактный размер позволяет с легкостью интегрировать оборудование в системный комплекс.

Электронная система питается от USB-порта, а связь серии SE с ПК осуществляется через USB-порт. Он также включает 6 I/O для расширения внешнего интерфейса. Общий вид спектрометра представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Общий вид спектрометра

SpectraSmart — это программа для спектральных измерений, разработанная производителем OtO Photonics для работы с портативными спектрометрами собственного производства. Она предлагает широкий спектр оптических измерений, включая измерение спектра, поглощения, коэффициента пропускания, коэффициента отражения и концентрации элементов.

2. Комплектность оборудования

К стандартному комплекту поставки спектрометра относится (рис. 2):

• жесткий кейс для переноски;
• кабель USB;
• диск с программным обеспечением SpectraSmart и руководством пользователя к ПО.

Рисунок 2 – комплектация спектрометра

Дополнительно можно приобрести патч-корд с разной пропускной способностью и необходимыми коннекторами с двух сторон (общий вид рис. 3). По спектру пропускания патч-корды делятся на УФ видимый и видимый ИК диапазоны (рис. 4).

Рисунок 3 – Общий вид патч-корда

Рисунок 4 – Спектры пропуская патч-кордов длинной 1 м: (а) УФ-видимый диапазон, (б) видимый-ИК диапазон

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

3. 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 с одной стороны. С другой стороны, USB Type B для подключения питания и к компьютеру, а также 8-контактный аналоговый разъем для подключения к внешнему питанию, программируемый пользователем.

Рисунок 6 – Боковая панель с разъемами для USB и внешнего питания

Стоит отметить, что спектрометр поддерживает интерфейс USB2.0 @480 Мбит/с.

Поддерживаемая геометрия SMA905 коннектора: (18±0.005) мм и (20±0.01) мм.

4. Принцип работы

Спектрометр серии SE построен по оптической схеме Черни-Тернера (отклонение 2го и 3го порядка) и может обеспечить высокое оптическое разрешение, высокую чувствительность, низкий уровень рассеянного света и быструю спектральную характеристику.

Принципиальная оптическая схема работы спектрометра представлена на рисунке 7. 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 7 – Традиционная 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. 8). 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 8 – 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. От размера щели также зависит спектральное разрешение, другими важными факторами являются частота штрихов дифракционной решетки и размер пикселей детектора.

Свет попадает внутрь спектрометра через оптическое волокно, 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. 

5. Общая спецификация прибора

Общие характеристики серии SE спектрометров:

• Диапазон длин волн: от 180 до 1100 нм;
• Оптическое разрешение: от 0,2 до 10,5 нм в зависимости от комбинации щели и решетки;
• Для конкретного применения можно выбрать различные датчики:
• Высокочувствительный 2048-пиксельный ПЗС-датчик;
• 2048-пиксельная ПЗС-матрица с высоким соотношением сигнал/шум и высокой чувствительностью;
• Высокоскоростной датчик CMOS с разрешением 2048 или 4096 пикселей;
• 3648-пиксельная ПЗС-матрица с высоким разрешением;
• Время интегрирования от 0,2 мс до 65 с в зависимости от датчиков;
• 16-битный аналого-цифровой преобразователь 15 МГц;
• USB 2.0 @ 480 Мбит/с (высокая скорость);
• Plug-n-play интерфейс для ПК;
• Чрезвычайно точная непрерывная многократная экспозиция, обеспечивающая до 5000 буферизации спектров.

Таблица 1. Типы линейных датчиков для серии спектрометров SE

Таблица 2. Определение параметров спектрометра.  SE / EE с выбором решетки и разрешения

6. Программное обеспечение

Минимальные требования к компьютеру для установки программного обеспечения указаны в Таблице 3.

Таблица 3. Минимальные требования к компьютеру

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

Рабочее поле программного обеспечения визуально разделено на семь областей (рис. 9):

Рисунок 9 – Общий вид программного обеспечения

1) Device List: отображает количество и модели подключенных спектрометров;
2) Spectrum List: отображает информацию о текущих настройках измерения;
3) Spectrum: отображает спектральный график в режиме реального времени или при паузе измерения;
4) Spectrum Data: данные об измерении, настройка маркеров спектра, статистика измерений;
5) Управление спектрами;
6) Graph Toolbar Buttons;
7) Общее меню настроек.

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

Device List

В данном поле отображается информация о подключенном спектрометре: способ подключения, модель спектрометра, допустимый рабочий диапазон длин волн, максимальное и минимальное время интегрирования (рис. 10).  

Рисунок 10 – Поле Device List

Spectrum List

В поле Spectrum List отображается информация о текущих параметрах измерения (рис. 11). Также в этом поле можно обнаружить серийный номер подключенного спектрометра. 

Рисунок 11 – Поле Spectrum List

При открытии ранее сохраненных файлов данное поле отображает информацию об этих файлах.

Spectrum

Данное поле отображает график полученного спектра. Этот спектр можно скопировать, сохранить в нужном формате, распечатать, выбрав необходимые размеры.
Важно отметить, что при измерении спектра в видимой области спектр будет обозначаться цветами в соответствии со спектром видимого диапазона. Эту функцию «Show human visible spectrum» можно отключить в параметрах поля главных настроек (над полем 7) (рис. 12).  

Рисунок 12 – Функция «Show human visible spectrum» 

Если интенсивность источника превышает возможности приемника, то в поле спектра появится предупреждение (рис. 13). В этом случае необходимо откорректировать время интегрирования или уменьшить мощность источника. 

Рисунок 13 – Превышение интенсивности света на спектрометре

Спектры, отображаемые в поле Spectrum, записываются в числовом варианте. Их можно сохранить для дальнейшей самостоятельной обработки. Это можно сделать вручную, скопировав оба столбца или через Меню настроек измерений.

Управление спектрами

В данном поле отображаются наименования всех спектров, которые были измерены. Ими можно управлять следующим образом: сохранить все спектры (сохранение происходит в формате .sps, открываемый приложением Oto), удалить, сохранить как отдельный спектр (при наложении нескольких).

Graph Toolbar Buttons

Рисунок 14 –Меню настроек измерений

В данном случае рассмотрим каждую кнопку отдельно в Таблице 4.

Таблица 4. Обозначение кнопок меню настроек измерений.

	Позволяет вывести данные спектра
	Позволяет автоматически подстроить шкалы X и Y по уровню интенсивности (одновременно)
	Позволяет автоматически подстроить шкалы X и Y по уровню интенсивности (поочередно)
	Позволяет увеличить или уменьшить масштаб спектра
	Позволяет вернуть настройки масштаба к значениям по умолчанию
	Настройки графика, позволяет настраивать минимальные и максимальные значения для осей X и Y, а также размер основного шага
	Позволяет автоматически установить время интегрирования для измерения
	Установка базовой линии, то есть «темнового спектра»
	Позволяет скопировать численные значения полученного спектра
	Предварительный просмотр для печати
	Позволяет распечатать данные
	Позволяет сгладить полученный спектр
	FWHM
	Позволяет автоматически вывести пиковые значения на спектр
	Позволяет установить маркеры на спектре с помощью мыши клавиатуры
	Позволяет управлять состояниями включения/выключения внешнего источника света с помощью сигналов ввода/вывода. Когда лампочка загорается желтым – состояние активно, когда серым – не активно
	Интервал сканирования спектра
	Позволяет изменить единицы измерения (нм/см-1)

Общее меню настроек

Рисунок 15 –Общее меню настроек

В данном поле можно самостоятельно выбирать время интегрирования и уровень усреднения графиков, а также поставить на паузу измерения или продолжить измерять в режиме реального времени. В таблице 5 приведены обозначения для некоторых кнопок данной панели.

Таблица 5. Кнопки панели общего меню

	Позволяет откорректировать график от электрических шумов
	Линейная корректировка графиков
	Относительная освещенность
	Позволяет провести измерение один раз

В целом, программное обеспечение обладает широким функционалом. Благодаря большому количеству разнообразных настроек можно управлять спектрами и проводить измерения поглощения, линейных диаграмм, концентрации, отражения и пропускания (рис. 16). 

Рисунок 16 –Инструменты измерения

При этом достаточно легко корректировать настройки при измерении конкретного спектра.

7. Примеры измерений

Рисунок 17 – Спектр источника SLS201L при выдержке 100 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. 18).  

Рисунок 18 – 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 19. 

Рисунок 19 – Спектры пропускания источника SLS201L (обозначен как sls201l) с фильтрами DataRay: ND-1 – обозначен как sls201blue1; ND-2 – обозначен как sls201red1 и ND-4 – обозначен как sls201black

В данном случае видно, что у фильтра ND-1 самый большой коэффициент пропускания, а у ND-4 – самый маленький, 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. Заданием времени интегрирования или длительности экспозиции можно изменять уровень регистрируемого сигнала.   

7.2. Измерения спектра проведены и для источника суперконтинуума YSL SC-Pro 8 Вт. Мощность при измерении спектра составляла 40 % от максимальной при частоте 0,01 МГц (рис. 20).  

Рисунок 20 – Спектр суперконтинуума YSL SC-Pro 8 Вт

Спектры источника суперконтинуума изменяются в зависимости от мощности и частоты следования импульсов.

7.3. Измерен спектр визуализатора дефектов от OZ Optics FODL-42.5U-635-1 (рис. 21). 

Рисунок 21 – Спектр визуализатора дефектов FODL-42.5U-635-1Вт

Получена узкая линия на длине волны 634,82 нм, следовательно визуализатор дефектов может иметь небольшой сдвиг в области пиковой длины волны.

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.

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