Jste zde

Miniaturní spektrometr HAMAMATSU pro připojení k PC

Antonín Vojáček, 23. Prosinec 2008 - 20:15

V nabídce výrobce snímačů a senzorů, společnosti HAMAMATSU je miniaturní přenosný spektrometr o velikosti krabičky od sirek obsahující čočky i CMOS snímač. Připojuje se k PC přes USB, kde se vyhodnocují a zobrazují výsledky v softwaru pro OS Windows.

Pod pojmem spektrometr, tedy měřícího zařízení pro zjišťování složení, kvality a povrchu předmětů, si obvykle člověk představí nějaké velmi složité zařízení dost velkých rozměrů. Ale spektrometr lze se současnými nejmodernějšími technologiemi vyrobit i skoro ve velikosti malé krabičky od sirek. Taková je právě novinka společnosti HAMAMATSU, předního výrobce snímačů a optických integrovaných obvodů. Ten v druhé polovině letošního roku uvedl na trh miniaturní mini-spektrometry C9407MA až C9410MA, které již v jednom pouzdru v sobě integrují:

  • Přívodní optické vlákno pro přívod světla s konektorem SMA
  • Celou optickou soustavu rozkládající světlo na spektrum
  • Optický obrazový CMOS snímač
  • Vyhodnocovací elektroniku s 16bit. A/D převodníkem
  • USB rozhraní pro připojení k PC a přivedení 5V napájení

Stačí tedy pouze ke spektrometru po připevněném optickém kabelu přivést světlo z externího halogenového zdroje, které prošlo nebo se odrazilo od analyzovaného prostředí a již je možné provádět měření. Nejzajímavější na tom je, že to vše je umístěno v krychlovém pouzdru o velikosti jednoho palce (28 x 28 x 28 mm) při provedení jako samotné měřící hlavy bez USB nebo trošku většího kvádru 79 x 53 x 46 mm při provedení jako kompletní modul s USB rozhraním. Tím se tento měřící modul také výborně hodí pro použití / vestavbu v nově vyvíjených zařízeních, kde se výrobce nechce zabývat problematikou a vývojem samotného spektrometru a chce se pouze zabývat samotnou elektronikou a vyhodnocením digitálních výsledků. Také z tohoto důvodu HAMAMATSHU nabízí OEM provedení, což je pouze tzv. hlava, která je bez vnitřní vyhodnocovací elektroniky a bez USB, pouze s přímým videovýstupem z CMOS snímače na 20pinovém pružném konektoru MOLEX nebo HIROSE.

Mini-spektrometry HAMAMATSU řady C94xxMA se vyrábí ve dvou provedeních (menší hlava a větší modul s USB rozhraním)
a dvou rozsazích (340 až 780 nm a 640 až 1050 nm). Pro rozdílné vlnové délky je také nutné použít různé
obrazové CMOS snímače - viz na obrázku vpravo dole

Použití minispektrometrů C94xxMA?

 

  • Přenosný spektrometr (v provedení modul)
  • Pro vestavbu do příručních měřících přístrojů (v provedení hlava)
  • Pro senzory barev
  • Měření odstínu barev
  • Měření kvality vody
  • Zjišťování složení látek
  • Testování a měření zdrojů viditelného světla
  • Měření absorpce
  • Měření excitace
  • Měření remise a fluorescence
  • apod.
  

Co je a jak obecně pracuje spektrometr ?

Spektrometr je dnes elektronické zařízení, které vyhodnocuje přítomnost a intenzitu různých barev spektra světla, které do něho vstupuje. Takto by mohla znít krátká jednovětá odpověď. V praxi jde o to, že se již před více jak sto lety zjistilo, že různé materiály a povrchy některé vlnové délky (barvy) světla pohlcují nebo odráží a jiné naopak projdou nebo se neodrazí. Tato vlastnost závisí na složení a fyzikálních vlastnostech dané látky či objektu, ať již jde o pevné, kapalné či plynné skupenství. Prakticky tak podle toho, jaké vlnové délky (barvy) zůstanou po průchodu nebo odrazu bílého světla objektem, lze bezkontaktně analyzovat složení objektu, tzn. bez jeho "preparování". Toho se obecně využívá tam, kde je objekt příliš daleko, nesmí se poškodit, je nějak nebezpečný nebo jeho kontakt s jiným materiálem by změnil jeho vlastnosti. A právě přístroje, které umí analyzovat barevné složení světla, se nazývají spektrometry. Ty pak mohou nejen sloužit k analýze objektů, kterými světlo prošlo, ale i přímo určovat barevné spektrum různých generátorů světla. Tento typ a zde popisovaný spektrometr patří do skupiny tzv. polychromatických spektrometrů, které se vyznačují právě vyhodnocováním vícebarevného světla.


 

Existuje mnoho různých možných provedení a principů polychromatických spektrometrů, ale jejich základní princip je stále stejný. Je založen na rozložení úzkého paprsku světla na jednotlivé barevné složky (spektrum, duhu), které dopadají na fotosnímač tak, že každé barvě odpovídá určité místo na snímači. Ten pak intenzitu dopadajícího světla dané vlnové délky převádí na velikost náboje a následně na hodnotu napětí. Vyhodnocovací elektronika pak může na základě hodnot napětí zobrazit skutečnou spektrální charakteristiku analyzovaného světla a následně podle toho i třeba složení, absorpci či další vlastnosti předmětu, se kterým světlo předtím interaguje.

Moderní spektrometr je obvykle složen z následujících komponent:

  • Vstupní štěrbiny (Entrance slit) - reguluje velikost a tvar vstupního paprsku
  • Kolimační zrcadlo (Collimating Mirror) nebo čočka (Collimating lens) - rozšiřuje paprsek
  • Průchodová nebo odrazová mřížka (Grating) - rozkládací světlo na barevné spektrum (jako hranol)
  • Zaostřovací zrcadlo (Focusing Mirror) nebo čočka (Focusing lens) - směruje jednotlivé vlnové délky na snímač
  • Optický obrazový snímač (Image sensor) - převádí světlo na elektrický signál
 

Princip provedení elektronického polychromatického spektrometru pro kompaktní provedení

Jedno z možných základních a na výrobu jednodušších provedení polychromatického spektrometru

Bližší popis minispektrometrů C94xxMA

Fantastické na zde popisovaném minispektrometru HAMAMATSU C9409MA a C9410MA (resp. C9407MA a C948MA) je právě jeho minimalistické provedení, kde místo výše uvedených struktur vzduchem oddělených optických komponent, je mimo odrazné rozkládací mřížky a samotného snímače vše provedeno v jednom kuse skleněného těla. Přesněji napsáno kolimační a zaostřovací funkce je zde integrována do jednoho sférického zrcadla, což výrazně umožnilo zmenšit rozměry spektrometru. Konkrétně skleněné jádro spolu s rozkládací mřížkou a 256pixelovým obrazovým CMOS snímačem tvoří tzv. hlavu, tedy krabičku s rozměry 28 x 28 x 28 mm, do které je pouze nutné přivést bílé světlo pomocí 30 cm optického vlákna s průměrem 0.6 mm, připojit napájení 5 VDC a na pružném konektoru odebírat přímo multiplexovaný videosignál. Toto tzv. OEM provedení je vhodné pro zabudování do nějakého většího měřícího zařízení – analyzátoru, kde jej lze snadno napřímo připojit k nějakému výkonnému 32bitovému MCU.

V nabídce společnosti HAMAMATSU jsou dvě provedení lišící se měřícím rozsahem vlnových délek světla

  

Princip funkce mini-spektrometrů C94xxMA - funkce je založena na speciálním celoskleněném těle, které zároveň slouží jak pro vedení světla, tak i pro kolinační a zaostřovací zrcadlo

Pro přímé použití mini-spektrometru spolu s PC je dále k dispozici provedení v trošku větší krabičce 79 x 53 x 46 mm. Ta mimo zmíněný OEM modul dále obsahuje vyhodnocovací elektroniku, která digitalizuje video signál z CMOS snímače 16bitovým A/D převodníkem, provádí jeho teplotní kompenzaci, linearizaci a upravuje jej do dat formátu pro klasické USB rozhraní verze 1.1. Pak již prostřednictvím zasunutí USB konektoru do PC či na USB rozhraní průmyslového PC se bude spektrometr napájet a komunikovat s vyhodnocovací softwarem běžícím na PC. Ten data ze spektrometru zpracuje do grafických výsledků.

Schéma převodu náboje na digitální data

Hlavní části minispektrometrů C94xxMA

Hlavními prvky mini-spektrometru je tedy světlorozkládací mřížka, která ve funkci hranolu rozkládá do spektrometru příchozí paprsek bílého světla na barevné spektrum („duhu“), tedy bíle světlo na jednotlivé barevné složky, a následně obrazový optický senzor, který převádí dopadající světlo na elektrický signál.

 

Odrazná rozkládací mřížka

Rozkládací mřížka, která supluje funkci hranolu a rozkládá bílé světlo na celé barevné spektrum, je transmisního typu vyrobená holografickým procesem. Její hlavní výhoda jsou hlavně její malé rozměry a tedy poskytuje možnost prostorové miniaturizace. Při její výrobě se využívá technologie MEMS a holografický proces, což je výborný způsob, jak v masové produkci součástek vyrábět mřížky přímo na substrátu krystalu. Navíc to dovoluje vytvořit přesně takový rozklad světla na spektrum, jaký je vyžadován a minimalizuje parazitní generování rozptýleného světla, čím se získává velká účinnost difrakce světla při nízkém šumu. Tím lze vyrábět menší a přesto přesnější spektrometry.

  

Detail struktury odrazné rozkládací mřížky

Lineární obrazový CMOS snímač

Další, asi nejdůležitější komponentou, je samotný lineární obrazový snímač. Zde se využívá dnes již osvědčené a přesné CMOS technologie, která se vyznačuje velkou přesností a linearitou při dlouhé životnosti i díky nábojovému zesilovači již integrovanému přímo na čipu společně s na světlo citlivými prvky. Také poskytuje vysokou citlivost od UV záření až po infračervenou oblast světla. Proti CCD snímačům pak CMOS poskytuje větší náboj, což je výhodné pro aplikace vyžadující větší intenzitu světla, jako právě ve spektrometrii (hlavně při měření absorpce).

 

Vyhodnocení dat ze spektrometru na PC

Vyhodnocení informací a dat ze spektrometru v provedení modulu se provádí v běžném PC s OS Windows prostřednictvím programu a datové USB komunikace s mini-spektrometrem.

Program provádí:

  • Vyhodnocení zaslaných dat a jejich uložení
  • Zobrazení a nastavení parametrů spektrometru
  • Grafické zobrazení zpracovaných dat
  • Aritmetické funkce
    • Odečtení tmy (naměření úrovně „tmy“ a její odečtení od užitečného signálu)
    • Měření a grafické zobrazení referenčních dat
    • Aproximace dat Gaussovou křivkou (její částí)

Spuštěný program na PC pak může pracovat v jednom z následujících režimů:

  • Sledovací režim – měřící režim pro potřeby monitorování bez ukládání dat
  • Měřící režim – režim pro získání a uložení dat
  • Režim tma – měřící režim pro získaní dat černého pozadí pro funkci jejich odečtení
  • Referenční režim – měřící režim pro získání referenčních dat

Dále spolu s programem jsou dodávány ovladače (drivery) pro USB rozhraní a pak pro možnost naprogramování vlastní softwarové PC aplikace Microsoft Visual C++, Visual Basic a LabVIEW.

Výrobcem dodávaný CD-ROM pro PC obsahuje nejen kompletní USB ovladače a software pro zobrazení výsledků (Sample software),
ale i DLL knihovny pro možnost naprogramování vlastní aplikace

Parametry mini-spektrometrů C9407MA až C9410MA

  • Provedení:
    • modul: C9407MA a C9408MA
    • hlava (OEM verze): C9409MA a C94010MA
  • Rozsah spektrální odezvy:
    • C9407MA a C9409MA: 340 až 780 nm (viditelné světlo)
    • C9408MA a C9410MA: 640 až 1050 nm
  • Spektrální rozlišení: 9 nm
  • Obrazový lineární snímač:
    • C9407MA a C9409MA: Hamamatsu S8378 CMOS linear sensor
    • C9408MA a C9410MA: Infračervený lineární CMOS senzor
    • Rozlišení 256 pixelů
    • Napájení: 5 VDC z USB
    • Nechlazený
  • A/D převod: 16 bitů (v provedení modul)
  • Integrační čas: 5 ms až 10 s (v provedení modul)
  • Komunikační výstup
    • Provedení hlava: 20pin. MOLEX nebo HIROSE video rozhraní
    • Provedení modul: USB 1.1
  • Napájení: 5 VDC / max. 100 mA (u USB)
  • Pracovní teplota: + 5 až +40°C
  • Rozměry:
    • hlava: 28 x 28 x 28 mm (C9409MA) nebo 35 x 28 x 20 mm (C94010MA)
    • modul: 79 x 53 x 46 mm (C9407MA i C9408MA)
  • Připojení zdroje halogenového světla přes 30 cm optické vlákno s SMA konektorem

 

Závěr

Každý si obvykle pod slovem spektrometr představí velké těžké měřící zařízení na stole vykachlíčkované laboratoře. Tato situace však již dávno skončila a miniaturizace dospěla i do tohoto oboru měření a analýzy. Miniaturní spektrometry HAMAMATSU řady C94xxMA jsou toho jasným důkazem. Navíc možnost vyhodnocení dat přímo v jakémkoliv PC s OS Windows XP nebo Vista je elegantní a dále zjednodušuje konstrukci samotného spektrometru, resp. umožňuje využívat samotnou krabičku jen s PC bez potřeby doplnění o ovládací a zobrazovací rozhraní. Více informací najdete na stránkách výrobce -

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: