Оптоволоконные спектрометры AvaSpec
AvaSpec-ULS2048x64-EVO и AvaSpec-ULS2048x64-TEC-EVO аналитический спектрометр
AvaSpec-ULS2048CL-EVO инновационный спектрометр
AvaSpec-ULS4096CL-EVO инновационный спектрометр
StarLine двухканальный
AvaSpec-2-EVO Dual
компактный спектрометр
AvaSpec многоканальный оптоволоконный спектрометр - высокое оптическое разрешение
AvaRaman cистема для Рамановской спектроскопии
AvaMouse ручной сканирующий спектрофотометр-фотоколориметр
Электронная платформа AS161
Электронная платформа AS5216 USB2.0
AvaBench оптические платформы AvaSpec спектрометров
Интерфейс-кабели для спектрометров AvaSpec
|
|
|
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.
Оптическая скамья
Сердцем новейшего семейства оптоволоконных спектрометров AvaSpec является оптическая скамья – миниатюрный полихроматор, в котором объединены диспергирующее свет устройство и встроенный многоэлементный фотоприёмник.
Avantes B.V. производит спектрометры на базе оптических скамей 3-х типов. Сверхминиатюрные спектрометры AvaMouse и AvaSpec-micro базируются на скамье AvaBench-28 с фокусным расстоянием 28 мм, построенной по схеме Литтрова с матричной входной оптикой и оригинальной патентованной конструкцией фокусирующей решетки-линзы. Скамья AvaBench-28 предназначена, главным образом, для колориметрических измерений с невысоким спектральным разрешением и оптимизирована для работы в спектральном диапазоне 380-750 нм. Многофункциональные спектрометры AvaSpec комплектуются оптической скамьей с фокусным расстоянием 75 или 45 мм, функционирующей по симметричной оптической схеме Черни-Турнера:
Скамья AvaBench-28
|
Скамьи AvaBench-45 и -75
|
|
|
В спектрометрах разных модификаций используются фотодетекторы с числом элементов от 102 до 2048. Базовая комплектация оптических скамей разной модификации приведена в последующей таблице 2.1.1:
Таблица 2.1.1. Базовая комплектация оптических скамей Avantes B.V.
Скамья
|
Базовые элементы
|
AvaBench-28-102
|
Унифицированная скамья с фокусным расстоянием 28 мм, 102-элементная фотодиодная матрица, специализированная дифракционная решетка
|
AvaBench-45-102
|
Унифицированная скамья с фокусным расстоянием 45 мм, 102-элементная фотодиодная матрица, специализированная дифракционная решетка
|
AvaBench-45-256
|
Унифицированная скамья с фокусным расстоянием 45 мм, 256-элементная CMOS матрица, специализированная дифракционная решетка
|
AvaBench-75-1024
|
Унифицированная скамья с фокусным расстоянием 75 мм, 1024-элементная CMOS матрица, специализированная дифракционная решетка
|
AvaBench-75-2048
|
Унифицированная скамья с фокусным расстоянием 75 мм, 2048-элементная CCD матрица, специализированная дифракционная решетка
|
Рабочий спектральный диапазон и спектральное разрешение многофункциональных спектрометров Avantes B.V. определяются типом используемой решетки и числом фоточувствительных элементов регистрирующего фотодетектора (табл. 2.1.2):
UТаблица 2.1.2. Технические характеристики спектрометров Avantes B.V. в зависимости
от типа используемой скамьи и применяемых фотодетекторов
Оптическая скамья
|
AvaBench-28
|
AvaBench-45
|
AvaBench-75
|
Тип спектрометра
|
AvaMouse / AvaSpec-micro
|
AvaSpec-102 / 256
|
AvaSpec-1024 / 2048
|
Фокусное расстояние
|
28 мм
|
45 мм
|
75 мм
|
Рабочий диапазон
|
380-750 нм
|
200-1100 нм
|
200-1100 нм
|
Разрешение (FWHM)
|
16 нм
|
0,2 – 40 нм*
|
0,08 – 20 нм*
|
Паразитный свет
|
< 0.4 %
|
< 0.15%
|
< 0.1%
|
Решётки
|
Решетка-линза
|
Различные
|
Различные
|
Щели
|
200 мкм x 2 мм
|
10, 25, 50, 100, 200, 500 мкм
|
10, 25, 50, 100, 250, 500 мкм
|
фотодетектор
|
TAOS 102
|
TAOS 102 / HAM 256
|
HAM 1024 / SONY 2048
|
Линза детектора
|
Стандартная, VIS
|
Стандартная, VIS
|
UV/VIS
|
Габариты модуля
|
49 x 34 x 31 мм
|
82 x 72 x 20 мм
|
120 x 91 x 21 мм
|
* определяется типом решётки и числом чувствительных элементов фотоприёмника
Оптическая скамья может иметь множество дополнительных оптических элементов, что в зависимости от предназначенной области использования спектрометра обеспечивается множеством различных конфигураций измерительных модулей с широким диапазоном оптических параметров. Оптимальный подбор оптических элементов: входная щель, дифракционная решётка, широкополосные оптические фильтры и фильтры 2-го порядка, цилиндрическая линза детектора и фотоэмиссионное покрытие датчика оказывают значимое влияние на аппаратные характеристики системы. Различные модификации спектрометров, их оптическое разрешение, диапазон измерений и используемые оптические и электронные компоненты обсуждаются ниже.
Дифракционные решётки
Дифракционная решётка – оптический элемент, разлагающий исходный полихроматический (ахроматический) свет на составляющие длины волн. Решётка состоит из ряда индивидуальных параллельных бороздок (штрихов), сформированных в отражающем или пропускающем свет покрытии, нанесённом на подходящую подложку. В большинстве спектрометров используются отражательные решетки.
Способ, которым сформированы бороздки, разделяет решётки на два типа – голографические и нарезные. В нарезных решётках отражающая поверхность формируется алмазным резцом на специальной делительной машине. Голографические решетки создаются с помощью лазеров и фотолитографии.
Волоконно-оптический спектрометр оснащается незаменяемой решёткой, тип которой должен быть определён пользователем, исходя из требований решаемых задач. Пользователь должен определить, какой диапазон длин волн должен регистрироваться фотодетектором. В ряде случаев требуемый диапазон решётки шире диапазона спектра, проецируемого на фотодетектор. Чтобы охватить более широкий спектральный диапазон, рекомендуется использовать двух- или трёхканальные спектрометры. В таких спектрометрах в разные спектрометрические каналы устанавливают решетки разного типа. Использование двух- или трёхканальных спектрометров может обеспечить и более высокое спектральное разрешение в широком спектральном диапазоне. В спектрометрах Avantes B.V. используется 14 типов дифракционных решёток. Выбор комплектующих решёток и диапазонов длин волн, регистрируемых фотодетектором, осуществляется при оптимальной комплектации спектрометрических каналов (см. ниже).
Для спектрометров AvaSpec-2048 оптимальный выбор решёток и диапазонов длин волн может быть сделан на основании данных таблицы 2.1.3:
UТаблица 2.1.3 Параметры и диапазон дифракционных решёток, применяемых
в спектрометрах Avantes
Область применения
|
Рабочий диапазон длин волн (l, нм)
|
Наблюдаемый диапазон
(Dl, нм)
|
Частота штрихов решётки
(лин/мм)
|
Угол блеска решётки (нм)
|
Тип
решётки
|
UV/VIS/NIR
|
200-1100
|
900
|
300
|
300
|
UA
|
UV/VIS
|
200-850
|
520
|
600
|
250
|
UB
|
UV
|
200-750
|
250-220
|
1200
|
250
|
UC
|
UV
|
200-650
|
165-145
|
1800
|
250
|
UD
|
UV
|
200-580
|
115-70
|
2400
|
250
|
UE
|
UV/VIS
|
250-850
|
520
|
600
|
400
|
BB
|
VIS/NIR
|
300-1100
|
800
|
300
|
500
|
VA
|
VIS
|
360-1000
|
500
|
600
|
500
|
VB
|
VIS
|
300-800
|
250-200
|
1200
|
500
|
VC
|
VIS
|
350-750
|
145-100
|
1800
|
500
|
VD
|
NIR
|
500-1050
|
500
|
600
|
750
|
NB
|
NIR
|
500-1050
|
220-150
|
1200
|
630
|
NC
|
NIR
|
600-1100
|
500
|
300
|
1000
|
IA
|
NIR
|
600-1100
|
500
|
600
|
1000
|
IB
|
Как видно из таблицы, выбор оптимального спектрального диапазона зависит от начального значения диапазона длин волн, наблюдаемого с данной решёткой и частоты штрихов решётки (лин/мм). Чем выше начальная длина волны, тем больше дисперсия и уже наблюдаемый спектральный диапазон.
При выборе решётки следует учитывать, что эффективность отражения света в разных участках спектрального диапазона неодинакова и различается для решёток разного типа. От этого зависит чувствительность спектрометра в разных спектральных диапазонах. Кривые спектральной эффективности светопередачи стандартных решёток спектрометров Avantes и зависимости от длины волны их спектрального разрешения (нм/пиксел) для AvaSpec-2048 приведены на рисунках в нижеследующих таблицах.
Кривые спектральной эффективности светопередачи стандартных решёток спектрометров AvaSpec-2048
|
|
|
|
|
|
При рассмотрении кривых эффективности решёток следует понимать, что полная эффективная спектральная чувствительность системы регистрации складывается из комбинации спектральной эффективности светопередачи оптоволокна, решётки, зеркал и оптических покрытий и спектральной чувствительности фотоприёмника.
Кривые зависимости от длины волны спектрального разрешения (нм/пиксел) стандартных решёток спектрометров AvaSpec-2048
|
|
|
|
|
|
|