Разработка и исследование спектрометрического программно-аппаратного комплекса для анализа светоизлучающих диодов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Кострин, Дмитрий Константинович

• Кострин, Дмитрий Константинович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кострин, Дмитрий Константинович

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

1.1. Современное развитие аппаратуры для спектрометрического исследования светоизлучающих диодов

1.1.1. История развития спектроскопических методов исследования

1.1.2. Классификация спектральных приборов

1.1.3. Современные приборы для спектрометрических исследований

1.2. Общие вопросы цветовых измерений при исследовании светоизлучающих диодов

1.2.1. Основные принципы описания цвета

1.2.2. Цвет в физике и физиологии

1.2.3. Цветовое пространство и функции сложения цветов

1.2.4. Колориметрические системы

1.3. Основные выводы по главе

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

2.1. Разработка аппаратной части спектрометрического комплекса

2.1.1. Выбор оптической схемы и разработка оптического

модуля спектрометра

2.1.2. Разработка электронного блока спектрометра

2.1.3. Разработка модуля охлаждения фотоприемника

2.2. Исследование аппаратной части спектрометрического комплекса с целью повышения его метрологических характеристик

2.2.1. Исследование линейности светосигнальной характеристики ФПЗС

2.2.2. Исследование светосигнальной характеристика ФПЗС в области больших световых потоков

2.2.3. Влияние интерференции в поверхностном слое ФПЗС

на метрологические параметры спектрометров

2.2.4. Влияние изгибов оптического волокна

на колориметрические измерения

2.3. Основные выводы по главе

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ ЧАСТИ

СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

3.1. Основные функции программы Aspect

3.2. Фильтрация шумов ФПЗС с помощью программы Aspect

3.3. Калибровка спектрометрического комплекса по длинам волн

3.4. Реализация колориметрических измерений в программе Aspect

3.5. Обнаружение и компенсация ложных спектральных линий

3.6. Основные выводы по главе

4. АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

4.1. Коррекция спектральной характеристики прибора

4.2. Исследование воспроизводимости результатов колориметрических измерений

4.3. Подбор близких по цветовым характеристикам белых светодиодов для систем освещения

4.4. Исследование светодиодов ИК диапазона

4.5. Основные выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ПК - инфракрасный (например, ИК диапазон излучения)

МК - микроконтроллер

МКО - Международная комиссия по освещению MC - микросхема

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ПЗС - прибор с зарядовой связью

ПК - персональный компьютер

ПЛМ - программируемая логическая матрица

ПО - программное обеспечение

СИД - светоизлучающий диод

УФ - ультрафиолетовый (например, УФ диапазон излучения) ФД - фотодиод ФП - фотоприемник

ФПЗС - фотоприемник с зарядовой связью ЭВМ - электронная вычислительная машина

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование спектрометрического программно-аппаратного комплекса для анализа светоизлучающих диодов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

В последнее десятилетие технология производства светоизлучающих диодов сделала огромный шаг вперед. В настоящее время СИД смогли вытеснить использовавшиеся ранее источники оптического излучения за счет своих исключительных характеристик - в особенности долговечности, надежности и низкого энергопотребления.

СИД используются в устройствах, обеспечивающих свет одного цвета -светофорах, аварийных огнях, сигнальных лампах на всех видах транспорта. Белые СИД уже сейчас широко применяются для освещения, дальнейшее улучшение их характеристик неизбежно приведет к постепенной замене ими иных источников освещения.

Расширение областей применения СИД приводит к существенному увеличению важности измерения их параметров. Параметры СИД разных производителей значительно различаются, что только повышает необходимость контроля их параметров. Важным является измерение их световых и цветовых характеристик, а также возможность визуального отображения спектров излучения исследуемых СИД.

Актуальность выполненной работы состоит в том, что существует очевидная необходимость в контроле параметров СИД как на этапе их производства, так и при их использовании в серийно производимых приборах.

Цель диссертационной работы - оптимизация метрологических параметров и разработка программно-аппаратного спектрометрического комплекса, позволяющего регистрировать спектры излучения светодиодов, а также с высокой точностью и воспроизводимостью производить вычисление их световых и цветовых характеристик.

Для достижения поставленной цели были решены следующие теоретические и практические задачи:

- выработаны требования к характеристикам разрабатываемого ком-

плекса;

- выбрана элементная база и схемотехнические решения, позволяющие добиться регистрации спектров излучения, их последующей обработки и передачи в ПК;

- разработан обладающий требуемыми характеристиками спектрометрический комплекс;

- разработано программное обеспечение, позволяющее отображать зарегистрированные спектры излучения на ПК, производить их обработку и расчет по ним параметров СИД;

- проведено исследование разработанного программно-аппаратного комплекса с целью повышения его основных метрологических характеристик.

Объект исследования - портативные спектрометрические комплексы на основе фотоприемников с зарядовой связью.

Предмет исследования - эффекты и явления, возникающие при анализе СИД с применением спектрометрических комплексов на основе ФПЗС.

При решении поставленных задач применялись следующие методы исследования: анализ и обобщение литературных данных по спектрометрии и колориметрии; аналитические и статистические методы обработки сигналов; методы математического анализа и компьютерного моделирования; экспериментальные исследования с использованием разработанного спектрометрического комплекса.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

- исследованы факторы, влияющие на неоднородность цветового восприятия источников освещения, состоящих из набора дискретных белых СИД;

- сформулированы рекомендации по выработке критериев подбора близких по цветовым характеристикам СИД для источников освещения;

- предложено ограничить рабочий диапазон ФПЗС ТС01304, т. к. его светосигнальная характеристика нарушается при малых временах накопления, сопоставимых со временем сдвига заряда, а также при больших уровнях сигнала, приводящих к появлению эффекта блюминга, имеющего в данном ФПЗС неоднородный вид;

- разработана методика подавления интерференции в поверхностном слое ФПЗС путем покрытия ее слоем оптически прозрачного компаунда с показателем преломления, близким к показателю преломления диоксида кремния.

Практическая значимость подтверждается тем, что в процессе работы:

- выработаны рекомендации по установке параметров работы ФПЗС, уровню сигнала и изгибу вводного оптоволокна спектрометра;

- создано оригинальное ПО, позволяющее визуализировать и оперативно производить обработку полученных оптических спектров на ПК;

- разработан компактный оптико-электронный программно-аппаратный комплекс с микропроцессорным управлением, построенный с применением вогнутой дифракционной решетки и ФПЗС, предназначенный для проведения спектрометрических и колориметрических исследований СИД;

- показано, что для сравнительной оценки параметров белых СИД, изготовленных в рамках одного технологического процесса, может быть применена простая быстродействующая схема на фотодиодах, контролирующая интенсивность излучения на двух длинах волн, взамен дорогостоящего колориметрического оборудования.

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований на защиту выносятся следующие научные положения:

1. Для однородного цветового восприятия источника света селекция белых светодиодов, изготовленных в рамках одного технологического процесса, может осуществляться по балансному методу сравнения на двух спектральных максимумах излучения вместо расчета цветовых координат, что

позволит повысить скорость автоматической сортировки светодиодов не менее чем в 2 раза;

2. Нанесение на поверхность фотоприемника слоя оптически прозрачного компаунда толщиной не менее 200 мкм с показателем преломления, близким к аналогичному показателю диоксида кремния, обеспечивает эффективное подавление интерференции в поверхностной диэлектрической пленке во всем рабочем диапазоне длин волн;

3. Термостатирование фотоприемника и применение специализированной методики обработки сигнала позволяет получить воспроизводимость измерения цветовых параметров в разработанном программно-аппаратном комплексе не хуже 0.1 %.

При непосредственном участии автора были внедрены в научно-исследовательские организации и производственные предприятия портативные спектрометрические комплексы для анализа параметров СИД. По результатам эксплуатации приборов получены акты внедрения. Разработанные комплексы были переданы на следующие предприятия в рамках договоров на разработку научной продукции:

- Научно-исследовательский институт командных приборов (ФГУП НИИКП), Санкт-Петербург, по договору № 6641/ЭПУ-251 (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») от 15.07.2006 г.;

- ОАО Н1111 «Буревестник», Санкт-Петербург, по договору № 6682/ ЭПУ-255 (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») от 15.03.2007 г.;

- Институт проблем машиноведения РАН (ИПМаш РАН), Санкт-Петербург, по договору № 6903/ЭПУ-266 (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») от 02.11.2009 г.;

- ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», Санкт-Петербург, по договору № 77/2009 (ЗАО «Спектральная лаборатория») от 16.11.2009 г.;

- ООО «МЕГА-СМ», Зеленоград, по договору № 27/2010 (ЗАО «Спектральная лаборатория») от 10.04.2010 г.;

- ОАО НИИ точного машиностроения (ОАО НИИТМ), Зеленоград, по

договору № 93/2010 (ЗАО «Спектральная лаборатория») от 10.11.2010 г.

Результаты работы внедрены в курс лабораторных работ и часть лекционного материала по дисциплине «Датчики в электронных устройствах» читаемой автором работы в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» магистрам, обучающимся по программе 210153.68 «Электронные приборы и устройства».

Апробация работы проводилась на следующих научно-технических конференциях:

- 63-ья, 65-ая, 66-ая, 67-ая и 68-ая Научно-технические конференции, посвященные Дню радио, 2008, 2010, 2011, 2012, 2013 гг., Санкт-Петербург;

- 60-ая, 61-ая, 62-ая, 63-ья, 65-ая, 66-ая Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, 2007, 2008, 2009, 2010, 2012, 2013 гг., Санкт-Петербург;

- Научно-техническая конференция молодых специалистов ЦНИИ «Электрон», 2013 г., Санкт-Петербург;

- 11-ая Международная конференция «Пленки и покрытия», 2013 г., Санкт-Петербург.

По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них 11 статей в научно-технических журналах, в том числе 10 статей, опубликованных в рецензируемых изданиях, входящих в список рекомендованных ВАК, материалы 9 докладов на российских и международных научно-технических конференциях.

По результатам работы получено 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, выпущено учебное пособие и монография.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения и заключения. Она содержит 130 страниц машинописного текста, 83 рисунка и 7 таблиц. Список литературы насчитывает 85 наименований.

1. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

1.1. Современное развитие аппаратуры для спектрометрического исследования светоизлучающих диодов

1.1.1. История развития спектроскопических методов исследования

Возникновение спектроскопии можно отнести к 1672 г. когда И. Ньютон впервые разложил солнечный свет в спектр. Одним из важнейших этапов дальнейшего развития спектроскопии явилось открытие и исследование в начале XIX века фраунгоферовых линий (линий поглощения в солнечном спектре). Эти линии наблюдал в 1802 г. английский физик У. Волластон, в 1814 г. они были обнаружены и описаны И. Фраунгофером, и в дальнейшем объяснены Г. Кирхгофом. Наблюдается более 20 тысяч фраунгоферовых линий в ИК-, УФ- и видимой областях спектра, многие из них отождествлены со спектральными линиями известных химических элементов. Еще одним важным этапом развития спектроскопии в XIX веке стало установление связи спектров испускания и поглощения и возникновение на её основе спектрального анализа [1,2].

В дальнейшем, спектроскопия продолжала развиваться как эмпирическая наука, был накоплен материал об оптических спектрах атомов и молекул [3], установлены закономерности в расположении спектральных линий и полос. В 1913 г. Н. Бор объяснил эти закономерности на основе квантовой теории, согласно которой спектры электромагнитного излучения возникают при квантовых переходах между уровнями энергии атомных систем в соответствии с постулатами Бора. В дальнейшем спектроскопия сыграла большую роль в создании квантовой механики и квантовой электродинамики, которые, в свою очередь, стали теоретической базой современной спектроскопии [1].

Деление спектроскопии может быть произведено по различным признакам. По диапазонам длин волн электромагнитного излучения в спектроскопии выделяют радиоспектроскопию, охватывающую всю область радиоволн;

оптическую спектроскопию, изучающую оптические спектры и содержащую спектроскопию инфракрасную, видимого излучения и ультрафиолетовую; рентгеновскую спектроскопию и гамма-спектроскопию.

Оптические спектры разделяют на спектры испускания (называемые также спектрами излучения, или эмиссионными спектрами), спектры поглощения, рассеяния и отражения. Спектры испускания получаются от источников света разложением их излучения по длинам волн X спектральными приборами. Они характеризуются функцией /{X), дающей распределение энергии испускаемого света в зависимости от длины волны. Спектральными приборами называют все оптические приборы, в которых тем или иным способом

осуществляется разложение электромагнитного излучения оптического диа--3 3

пазона (10 ...10 мкм) на монохроматические составляющие. Такие приборы используют для качественного и количественного исследования спектрального состава света излучаемого, поглощаемого, отражаемого или рассеиваемого веществом. Спектральные приборы различаются методами спектрометрии, приёмниками излучения, исследуемым (рабочим) диапазоном длин волн и другими характеристиками [4-7].

1.1.2. Классификация спектральных приборов

Рассмотрим принципиальную оптическую схему спектрального прибора (рис. 1.1). Узкая входная щель освещаемая исследуемым излучением, устанавливается в фокальной плоскости коллиматорного объектива Оь который от каждой точки щели направляет параллельные пучки лучей в диспергирующее устройство £). Диспергирующее устройство отклоняет лучи на различные углы 9, в зависимости от длины волны излучения X, превращая параллельный пучок от каждой точки щели в веер монохроматических параллельных пучков. Фокусирующий объектив 02 создает на некоторой поверхности монохроматические изображения щели, совокупность которых и образует спектр. Поверхность изображения Р (фокальная поверхность) в общем случае не является плоскостью.

д

\

1о

Рис. 1.1. Принципиальная оптическая схема спектрального прибора

В некоторых случаях отдельные элементы оптической схемы могут отсутствовать. Иногда диспергирующий элемент устанавливают не в параллельных, а в расходящихся или в сходящихся пучках лучей. Тогда отсутствуют соответственно объектив 0\ или 02- В приборах с вогнутой дифракционной решеткой нет ни коллиматорного, ни фокусирующего объектива, так как их функции выполняются самой решеткой.

Классифицировать спектральные приборы можно:

- по способу регистрации спектра (визуальный, фотографический, фотоэлектрический и т. д.);

- по способу осуществления спектрального разложения излучения (приз-менные, дифракционные, интерференционные);

- по области спектра, в которой они работают (видимая, ультрафиолетовая, инфракрасная);

- по назначению (например, для эмиссионного спектрального анализа, для исследования комбинационного рассеяния, для внеатмосферных астрофизических исследований).

Конструкция прибора и его оптическая схема определяются совокупностью всех четырех классификационных признаков, но в наибольшей степени первым из них, по которому обычно прибор и получает свое название.

Спектральные приборы с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками лучистой энергии называют спектрометрами или спектрофотометрами [8]. Фотоэлектрический или тепловой приемник спектрального прибора не может одновременно регистрировать лучистую энергию в различных точках

спектра, поэтому необходимой деталью такого прибора является выходная щель, совмещаемая с поверхностью изображения фокусирующего объектива и выделяющая узкий участок спектра.

Основная часть спектрометра или спектрофотометра, включающая входную щель, коллиматорный и фокусирующий объективы, диспергирующее устройство и выходную щель, представляет собой монохроматор. В отличие от спектрографа, при регистрации излучения с помощью фотоэлектрического или теплового приемника для получения информации о спектральном распределении энергии в широкой области длин волн необходимо последовательно выделять различные участки спектра с помощью выходной щели. Это можно осуществить изменением длины волны излучения, направляемого на выходную щель при изменении положения диспергирующего устройства относительно падающего пучка лучей (сканирование спектра).

Если вдоль фокальной поверхности фокусирующего объектива разместить ряд выходных щелей, то одновременно выделяется несколько узких интервалов длин волн. Такой прибор называют полихроматором. Если к тому же за каждой выходной щелью полихроматора установить отдельные приемники излучения, то получится многоканальный спектрометр [9-11]. Положение щелей на фокальной поверхности полихроматора может быть как фиксированным, так и регулируемым.

Свойства оптической системы спектрального прибора зависят также от применяемого диспергирующего элемента. Спектральное разложение излучения может осуществляться:

- призмами;

- плоскими отражательными дифракционными решетками;

- пропускающими дифракционными решетками;

- вогнутыми дифракционными решетками.

В современных приборах в качестве диспергирующего элемента используют дифракционные решетки [12-14]. Оптическая схема с призмой обладала двумя существенными недостатками, а именно, большими потерями

излучения в ультрафиолетовой части спектра за счет поглощения и рассеяния в элементах оптической схемы и изменяющимся от пикселя к пикселю шаг шкалы по длинам волн, обусловленный снижением дисперсии показателя преломления материала призмы по мере увеличения длины волны. Плоские дифракционные решетки используют во всех областях спектра, вогнутые преимущественно в ультрафиолетовой [4]. Применение вогнутых решеток, обладающих одновременно дисперсионными и фокусирующими свойствами, резко упрощает конструкцию приборов.

1.1.3. Современные приборы для спектрометрических исследований

В настоящее время роль спектроскопических методов исследования в науке и технике очень велика. Различные спектрометры используются практически во всех сферах деятельности человека [10, 11, 15-18]: в металлургии - контроль элементного состава входного сырья, полупродуктов технологического процесса, конечного продукта; в горнорудной промышленности -химический анализ минерального сырья, продуктов обогащения и переработки руд; в нефтехимии - химический анализ нефти и нефтепродуктов на содержание серы, фосфора, хлора и хлоридов, а также тяжелых металлов, элементный химический анализ масел и присадок; в цементной промышленности - химический анализ состава известняков, глин, сырьевых смесей и цемента на содержание добавок; в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и экологии - химический анализ состава воды, почвы, воздушной пыли и аэрозолей, определение состава промышленных выбросов, определение микроэлементов в почвах, кормах, продуктах животноводства и пищевых продуктах; в энергетике - контроль процесса водоподготовки, определение качества топлива; в машиностроении - входной контроль состава материалов, определение состава и толщин плёнок и покрытий; в ювелирной промышленности - определение содержания драгоценных металлов во вторичном сырье и конечном продукте, неразрушающий химический анализ ювелирных изделий.

Основными требованиями, предъявляемыми к современному спектрометрическому оборудованию, являются широкий рабочий диапазон длин волн, высокая разрешающая способность, возможность панорамного изображения спектра и малое время регистрации [10].

В зависимости от решаемой задачи вывод излучения может производиться интегрально из всего объема технологической камеры или выборочно из определенной зоны, представляющей наибольший интерес для отработки технологического процесса.

Излучение удается ввести в спектрометрический канал с наименьшими потерями, если входная щель спектрометра примыкает вплотную к источнику оптического излучения. Однако такое решение усложняет эксплуатацию, как технологической установки, так и спектрометрической системы. Более целесообразным является применение волоконно-оптического ввода излучения в спектральный прибор (рис. 1.2).

Входная щель спектрометра

Спектрометр

Рис. 1.2. Широкоапертурная (а) и узкоапертурная (б) схемы вывода излучения из технологической установки

В первом случае (рис. 1.2, а) один торец волоконно-оптического жгута находится в непосредственной близости от окна технологической камеры, а другой имеет волокна, уложенные в одной плоскости, что обеспечивает либо хорошее сопряжение со щелью спектрометра, либо позволяет использовать данный торец напрямую в качестве щели. Вторая схема (рис. 1.2, б) дает воз-

можность исследовать распределение интенсивности излучения в пространстве технологической камеры. Это достигается за счет применения микролинзового объектива и перемещением приемного оптического узла в различных направлениях. Оптоволокно, безусловно, увеличивает потери и вносит дополнительную неравномерность в характеристику спектральной чувствительности спектрометрического устройства. В современных системах спектрометрического контроля можно учесть неравномерность спектральной характеристики с помощью программных средств. Преодолеть потери удается лишь за счет правильного выбора материала оптоволокна и применения высокочувствительных фотоприемников, к которым относятся приборы с зарядовой связью. Основным источником потерь в коротковолновой части спектра у широкозонных диэлектриков, из которых производят световоды для видимой и УФ частей оптического диапазона, является рэлеевское рассеяние, связанное с микронеоднородностями плотности вещества и соответственно показателя преломления. В инфракрасной части оптического диапазона потери связываются преимущественно с поглощением излучения модами колебаний решетки и их гармониками. Отдельные пики поглощения возникают в

результате взаимодействия излучения с ионами металлов и гидроксила ОН

(1.25; 1.39; 2.73 мкм). Прозрачность современного кварцевого волокна (Si02)

практически достигла своего теоретического предела как в УФ, так и в ПК частях спектра. Потери в нем не превышают 1 дБ/м в области длин волн примерно от 0.22 до 3 мкм (рис. 1.3) [5].

Это соответствует ослаблению лучистого потока на длине волны 220 нм при длине световода 1 м всего в 1.1 раза, но в 1.6 раза при длине 2 м и в 4 раза для волокна длиной 6 м. Дальнейшее продвижение в УФ-область чревато для кварца значительными потерями.

В последние десятилетия новое развитие получил метод одновременного, многоэлементного спектрального анализа. В сравнении с ранее существовавшей методикой панорамный спектр излучения регистрируется не фото-

пластинкой, а одной или несколькими одномерными ПЗС-матрицами, каждая из которых содержит несколько тысяч фоточувствительных элементов. Благодаря электронной регистрации отпала необходимость проявки фотопластинок, время регистрации сократилось до нескольких миллисекунд, расширился спектральный диапазон измерений, исчез процесс расшифровки спектра, появились возможности анализа формы спектральных линий и ввода спектра в ЭВМ для его последующей автоматизированной обработки.

Рис. 1.3. Спектральная зависимость удельных потерь мощности в различных оптических волокнах

В условиях отлаженного технологического процесса зачастую не требуется иметь высокое разрешение спектрального прибора. В спектре каждого источника излучения с линейчатым спектром чаще всего присутствуют слабые и сильные линии и если ориентироваться на последние, то для выполнения задач технологического контроля достаточно иметь разрешение порядка 0.5... 1.5 нм. Снижение разрешения упрощает оптику и схемотехнику спектрометров, что выгодно отражается на их цене.

Наиболее востребованными спектрометрическими приборами для исследования источников оптического излучения в целом и СИД в частности являются относительно недорогие портативные компактные устройства с относительно средними характеристиками по ширине рабочего диапазона длин волн и разрешающей способности, но с малым временем регистрации спектра, построенные с применением ФПЗС. В табл. 1.1 приведены основные параметры некоторых оптических спектрометров крупнейших производителей оборудования для спектральных исследований [20-23].

Основными областями применения рассмотренных выше устройств являются: фотоколориметрия, оценка толщины тонких пленок, контроль спектральных характеристик светодиодов, анализ излучения плазмы и т. п.

Большинство современных компактных оптических спектрометров имеет близкие массогабаритные характеристики и схожие оптические параметры. Все они представляют собой малогабаритные, компактные приборы, вес которых колеблется от 0.5 кг до 1 кг, что делает возможным их применение в полевых условиях. Количество пикселей ФПЗС таких приборов обычно составляет несколько тысяч.

Некоторые крупные фирмы (например, «Ауап1е5») позволяют заказчику выбрать параметры оптического прибора самостоятельно. В табл. 1.2-1.3 на примере спектрометра Ауа8рес-ЦЬ83648 приведено влияние используемых в оптической схеме дифракционной решетки и входной щели на параметры устройства [24].

Все производители спектральных приборов поставляют свое оборудование в комплекте с базовым набором ПО. Любые дополнительные модули позволяющие использовать специальные алгоритмы обработки полученных спектров (например, колориметрия и спектральный анализ) поставляются за дополнительную плату, зачастую превышающую стоимость самого прибора.

Таблица 1.1

Основные параметры некоторых современных компактных оптических спектрометров

Ocean Optics HR2000CG Avantes AvaSpec-256 getSpec-3648 ЕРР2000 UVN-SR

Параметр к

Ширина входной щели 5 мкм 5 мкм 10. ..500 мкм 10 мкм

Спектральный диапазон 200...1100 нм 200... 1100 нм 200... 1100 нм 200...1100 нм

Оптическое разрешение 1.0 нм 0.5...6.4 нм 0.025...20 нм 1.0 нм

Количество пикселов ФПЗС 2048 256 3648 2048

Дифракционная решетка 300 штр./мм 300 штр./мм 300...2400 штр./мм 300 штр./мм

Отношение сигнал/шум 250:1 1000:1 300:1 500:1

Время интегрирования 3.8 мс ... Юс 2 мс ... 60 с 10 мке ... 600 с 1 мс ... 65 с

Динамический диапазон 1300:1 5000:1 2000:1

Рассеянное излучение менее 0.05 % (600 нм), менее 0.1 % (435 нм) менее 0.1 % менее 0.1 % менее 0.1 % (435 нм), менее 0.15% (200 нм)

Питание 5 В, 90 мА 12 В, 160 мА 12 В, 440 мА 5 В, 100 мА

Габаритные размеры 148.6 х 104.8x45.1 мм 175 х 110 x44 мм 175 х 110 x44 мм 60 х 170 х 205 мм

Вес 570 г 690 г ...

Таблица 1.2

Влияние типа дифракционной решетки на спектральный диапазон прибора

Оптический диапазон Доступный спектральный диапазон, нм Ширина спектрального диапазона, нм Тип дифракционной решетки, штр./мм Длина волны блеска, нм

УФ/Видимый/ИК 200...1100 900 300 300

УФ/Видимый/ИК 200...1100 900 300 300/1000

УФ/Видимый 200...850 520 600 300

УФ 200...750 250...220* 1200 250

УФ 200...650 165...145* 1800 УФ

УФ 200...580 115...70* 2400 УФ

УФ 220...400 70...45* 3600 УФ

УФ/Видимый 250...850 520 600 400

Видимый/ИК 300...1100 800 300 500

Видимый 360...1000 500 600 500

Видимый 300...800 250...200* 1200 500

Видимый 350...750 145...100* 1800 500

Видимый 350...640 75...50* 2400 Видимый

ИК 500...1050 500 600 750

ИК 500...1050 220...150* 1200 750

ИК 600...1160 350...300 830 800

ИК 600...1100 500 300 1000

ИК 600...1100 500 600 1000

* Примечание: зависит от начальной длины волны выбранного спектрального диапазона; чем больше длина волны, тем выше дисперсия и меньше ширина спектрального диапазона

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кострин, Дмитрий Константинович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. - М.: Физма-тгиз, 1962.-892 с.

2. Зайдель А. Н. Основы спектрального анализа. - М.: Наука, 1965. - 324 с.

3. Зайдель А. Н., Прокофьев В. К., Райский С. М., Шрейдер Е. Я. Таблицы спектральных линий. - М.: Наука, 1977. - 800 с.

4. Скоков И. В. Оптические спектральные приборы. - М.: Машиностроение, 1984.-239 с.

5. Лебедева В. В. Техника оптической спектроскопии. - М.: Изд-во МГУ, 1986.-351 с.

6. Malacara D., Malacara Z. Handbook of optical design. New York: Marcel Dek-ker, 2004. - 522 p.

7. Пейсахсон И. В. Оптика спектральных приборов. - Л.: Машиностроение, 1975.-312 с.

8. James J. F. Spectrograph design fundamentals. - Cambridge: Cambridge University Press, 2007. - 198 p.

9. Скоков И. В., Журавлев Д. А., Журавлева В. П. Проектирование дифракционных спектрографов. -М.: Машиностроение, 1991. - 68 с.

10. Барченко В. Т., Быстрое Ю. А., Колгин Е. А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве. - СПб.: Энергоатомиздат, 2001. - 332 с.

11. Колгин Е. А., Ухов А. А., Савушкин А. В. Спектрометры на основе поли-хроматора и одномерной ПЗС матрицы: опыт разработки и применения // Петербургский журнал электроники, 2008. № 2-3, С. 120-126.

12. Palmer С. Diffraction Grating Handbook. - New York: Newport Corporation, 2005.

13. Loewen E. G., Popov E. Diffraction gratings and applications. - New York: Marcel Dekker, 1997.

14. Palmer E. W., Hutley M. C., et al. Diffraction gratings // Rep. Prog. Phys., 1975. Vol. 38, pp. 975-1048.

15. Колгин Е. А., Ухов А. А., Воронин А. А. и др. Спектрометрическое устройство для идентификации пород древесины // Петербургский журнал электроники, 2008. № 2-3, С. 116-119.

16. Fernandez М., Bordel N., Pereireo R. Investigations on the use of radiofre-quency glow discharge optical emission spectrometry for in-depth profile analysis of painted coatings //J. Anal. At. Spectrom, 1997. Vol. 12, No. 10, pp. 1209-1214.

17. Holzgrabe U. Quantitative NMR spectroscopy in pharmaceutical applications // Progress in NMR Spectroscopy, 2010. Vol. 57, pp. 229-240.

18. Соколов M. А., Брытов И. А. Использование электрического разряда в жидкости для эмиссионного анализа // Петербургский журнал электроники, 2008. №2-3, С. 100-104.

19. Cerr М. Instrumentation Industrielle // Tech & Doc, Paris, 1996. Vol. 1, pp. 533-598.

20. Техническая документация по спектрометру HR2000CG фирмы «Ocean Optics». URL: http://www.oceanoptics.ru/spectrometers/163-spec-hr2000cg.html.

21. Техническая документация по спектрометру AvaSpec-256 фирмы «Avantes». URL: http://www.avantes.ru/spectroavaspec256.php.

22. Техническая документация по спектрометру getSpec-3648 фирмы «GetSpec». URL: http://www.getspec.com.

23. Техническая документация по спектрометру ЕРР2000 UVN-SR фирмы «StellarNet». URL: http://www.stellarnet-inc.com/public/download/StellarNet-EPP2000-UVNSR-SPEC.pdf.

24. Рекомендации по выбору оптимальных параметров спектрометра фирмы «Avantes» URL: http://www.avantes.ru/spectrometer/tec/avaspec3648.php.

25. Кривошеев М. И., Кустарев А. К. Цветовые измерения. - М.: Энергоатом-издат, 1990.-240 с.

26. Луизов А. В. Цвет и свет. Д.: Энергоатомиздат, 1989. - 256 с.

27. Гуревич М. М. Цвет и его измерение. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1950.-269 с.

28. Cleland Т. M. A practical description of the Munsell color system, with suggestions for its use. - Boston: Munsell Color Company, 1921.

29. Фоли Дж., Вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики: В 2 т. Т. 2-М.: Мир, 1985.-368 с.

30. ГОСТ 7601-78. Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин.

31. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. - М.: Мир, 1978. - 593 с.

32. Smith Т., Guild J. The С.I.E. colorimetric standards and their use // Trans. Opt. Soc., 1931. Vol. 33, No. 3, pp. 73-134.

33. Fairman H. S., Brill M. H., Hemmendinger H. Erratum: How the CIE 1931 color-matching functions were derived from the Wright-Guild data // Color Research and Application, 1998. Vol. 23, No. 4, pp. 259-259.

34. Jenkins F. A., White H. E. Fundamentals of optics. - Singapore: McGraw-Hill book company, 1981.

35. Гуревич M. M. Фотометрия (теория, методы и приборы). - Л.: Энергоато-миздат, 1983. - 272 с.

36. Ухов А. А., Кострин Д. К. Оптимизация системы регистрации многоканального оптического спектрометра // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. №4, С. 8-12.

37. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. 2012661366 РФ. Программа для микро-контроллера в составе малогабаритного спектрометра ISM3600, предназначенная для регистрации спектральных данных и передачи их в ПЭВМ (ISM3600) / Кострин Д. К., Ухов А. А.; № 2012619286; заявл. 29.10.12; зарег. 13.12.12.

38. Пресс Ф. П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: Радио и связь, 1991.- 264 с.

39. Неизвестный С. И., Никулин О. Ю. Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС // Специальная техника, 1999. № 5, С. 30-38.

40. Малинин В. В. Моделирование процесса преобразования оптического сигнала в электрический в ФПМ ПЗС // Информация и космос, 2004. № 4, С. 21-24.

41. Тришенков М. А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. - М.: Радио и связь, 1992 - 400 с.

42. Кострин Д. К. Исследование линейности светосигнальной характеристики ПЗС фотоприемника // Петербургский журнал электроники, 2008. № 2-3, С. 86-91.

43. Каталог цветного стекла. М.: Машиностроение, 1967.

44. Martinez P., Klotz A. A practical guide to CCD astronomy. - Cambridge: Cambridge University Press, 1998.

45. Кострин Д. К., Ухов А. А. Светосигнальная характеристика ПЗС-фото-приемника в области больших световых потоков // Контроль. Диагностика, 2013. № 5, С. 40-42.

46. Рохлин Г. Н. Разрядные источники света. - М.: Энергоатомиздат, 1991. -720 с.

47. Кострин Д. К., Ухов А. А. Интерференция в поверхностном слое и метрологические параметры спектрометров с ПЗС-фотоприемниками // Датчики и системы, 2013. № 5, С. 13-15.

48. Gowar J. Optical Communication Systems. - Hempstead: Prentice-Hall, 1993.

49. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. - M.: Мир, 1996. - 323 с.

50. Гроднев И. И., Ларин Ю. Т., Теумин И. И. Оптические кабели. Конструкции, характеристики, производство и применение. - М.: Энергоатомиздат, 1991.-264 с.

51. Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики. Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

52. Барноски М. Введение в интегральную оптику. - М.: Мир, 1977. - 368 с.

53. Слюсарев Г. Г. Расчет оптических систем. - Л.: Машиностроение, 1975.-640 с.

54. Красюк Б. А., Корнеев Г. И. Оптические системы связи и световодные датчики. Вопросы технологии. -М.: Радио и связь, 1985. - 192 с.

55. Acuña R., Causado J., Torres P. I. Sensor de fibra óptica para medición de pequeños desplazamientos basado en pérdidas por curvature // Revista colombiana de física, 2006. Vol. 38, No. 2, pp. 866-869.

56. Gambling W. A., Matsumura H., Ragdale С. M. Curvature and microbending losses in single-mode optical fibres // Optical and Quantum Electronics, 1979. Vol. 11, pp. 43-59.

57. Zendenham A., Mirzaei M., et al. Investigation of bending loss in a singlemode optical fibre // J. Phys., 2010. Vol. 74, No. 4, pp. 591-603.

58. Кострин Д. К., Ухов А. А. Влияние изгибов оптоволокна спектрометра на результаты колориметрических измерений // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. № 1, С. 9-12.

59. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. 2012661367 РФ. Программа для управления малогабаритным спектрометром ISM3600 и анализа оптических спектров (ASPect2010) / Кострин Д. К., Ухов А. А.; № 2012619287; заявл. 29.10.12; зарег. 13.12.12.

60. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики. - М.: Мир, 2001.-604 с.

61. Никифоров С. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители // Компоненты и технологии, 2005. № 7.

62. Приказчик С. П. Исследование светотехнических параметров светодиодов // Свгглотехшка та електроенергетика, 2008. № 4, С. 24-30.

63. Юдин Р. В., Кострин Д. К., Шишов Д. И., Ухов А. А. Повышение точности и воспроизводимости результатов колориметрических измерений свето-излучающих диодов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. № 3, С. 8-13.

64. Schanda J., Muray К., Kránicz В. LED colorimetry // Proc. SPIE, 2001. Vol. 4421, pp. 781-784.

65. Ohno Y. Optical metrology for LEDs and solid state lighting // Proceedings of SPIE, 2006. Vol. 6046.

66. Ngoi В. К. A., Venkatakrishnan К., Tan В., Sivakumar N. R. The effect of Rowland Ghost on sub-micron machining using femtosecond pulsed laser // Optics Express, 2001. Vol. 8, No. 9.

67. Кострин Д. К., Ухов А. А. Обнаружение и компенсация ложных спектральных линий в спектрометре с вогнутой дифракционной решеткой // Контроль. Диагностика, 2013. № 6, С. 26-28.

68. Техническая документация на оптические волокна производства Лаборатории оптических волокон НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С. И. Вавилова». URL: http://fiber-lab.ru/produkcija.html.

69. Техническая документация по ФПЗС TCD1304 производства фирмы «Toshiba». URL: http://www.spectra-laser.pl/pdf/fotodetektory/TCD1304DG.pdf.

70. Gaigalas А. К., Wang L., Не H.-J., DeRose P. Procedures for wavelength calibration and spectral response correction of CCD array spectrometers // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 2009. Vol. 114, pp. 215-228.

71. Instrument response corrections. Технический отчет фирмы «Horiba Jobin Yvon». URL: http://www.horiba.com/fileadmin/uploads/Scientific/Documents/ OSD/203_Instrument_Response_Corrections.pdf.

72. Automated wavelength and intensity calibration routines significantly improve accuracy of recorded spectra. Технический отчет фирмы «Princeton Instruments», 2011. URL: http://www.princetoninstruments.com/Uploads/Princeton/ Documents/TechNotes/PI_Automated wavelength and intensity calibration routines _tech_note_AO .pdf.

73. CIE. Publication No. 15.2, Colorimetry. Official Recommendations of the International Commission on Illumination. Vienna, Austria. Central Bureau of the CIE, 1986.

74. Никифоров С. Температура в жизни и работе светодиодов. Ч. 2 // Компоненты и технологии, 2006. № 1.

75. Никифоров С. Температура в жизни и работе светодиодов. Ч. 1 // Компоненты и технологии, 2005. № 9.

76. Агафонов Д. Р., Иванов В. С., Сапрйцкий В. И., Столяревская Р. И. Измерения световых характеристик сверхярких светодиодов // Светотехника, 2000. № 3, С.9-12.

77. Молодцов В. Линейка светодиодов SVETLED // Полупроводниковая светотехника, 2010. № 6, С. 16-18.

78. Narendran N. Improved performance white LED // Proceedings of SPIE, 2005. Vol. 5941, pp. 45-50.

79. Yamada K., Imai Y., Ishii K. Optical simulation of light source devices composed of blue LEDs and YAG phosphor // J. Light & Vis. Env., 2003. Vol. 27, No. 2, pp. 70-74.

80. Hoelen C., Borel H., de Graaf J., et al. Remote phosphor LED modules for general illumination - towards 200 lm/W general lightning LED light sources // Proceedings of SPIE, 2008. Vol. 7058.

81. Musante F., Rossi M. Colorimetry evaluation supporting the design of LED projectors for paintings lighting: a case study // Journal of the International Colour Association, 2012. Vol. 8, pp. 44-54.

82. MacAdam D. L. Visual sensitivities to color differences in daylight // Journal of the Optical Society of America, 1942. Vol. 32, pp. 247-275.

83. Vogels I., Seuntiens P., Sekulovski D. Visual Perception Issues of LED Applications // LED professional Review, 2008. Vol. 5, pp. 12-16.

84. Mazzochette J. LED Binning: A Process to Watch // LED professional Review, 2008. Vol. 5, pp. 30-31.

85. HR4000 and USB4000 Shutter Mode Performance in Hardware Trigger Mode. Технический отчет фирмы «Ocean Optics». URL: http://www.oceanoptics.com/ technical/engineering/HR4000&USB4000ShutterPerformanceinHWtrigger.pdf.