Espectrómetro de alta velocidad construido con CCD lineal económico

Si alguna vez ha soñado con construir un espectrómetro adecuado, parece que el sensor CCD ESPROS epc901 es absolutamente digno de su atención. Es rápido, receptivo, fácil de interactuar y por solo $ 24 USD, no destruirá el banco. Solo hay un problema: implementarlo en su proyecto significa trabajar con el dispositivo BGA de 2 × 16 0,5 mm de paso, o gastar casi $ 1,400 para el kit de desarrollo.

por suerte [Adrian Studer] inventó un compromiso. Si bien aún necesitará hacer una copia de seguridad del BGA para montarlo, su hardware abierto y las placas adaptadoras para el ESPROS epc901 facilitan el sensor.

Tampoco es solo una solución de hardware, también proporciona código de firmware para la placa de desarrollo Nucleus basada en STM32L4 y algunos scripts de Python que facilitan la extracción de datos del sensor. El firmware incluso incluye una interfaz de línea de comandos simple para controlar el hardware al que puede acceder vía serial.

Con el sensor disputado con éxito, [Adrian] asociado con [Frank Milburn] construya un espectrómetro asequible a su alrededor. El diseño utiliza una cámara impresa en 3D, una rejilla de difracción comercial simple y un conjunto de ranuras de entrada de 0,5 a 0,0254 milímetros de ancho que se dejaron cortadas en una hoja de acero inoxidable.

En los videos posteriores al descanso, puede ver el espectrómetro terminado que se usa para determinar la longitud de onda de los LED, así como una demostración de cómo el módulo de la cámara de alta velocidad puede estudiar las variaciones espectrales de una bombilla CFL a lo largo del tiempo. [Adrian] nos dice que él y [Frank] están abiertos a sugerencias sobre lo que buscan en su nuevo espectrómetro, así que hágales saber en los comentarios si tiene alguna idea interesante.

Hemos visto una cantidad increíble de construcciones de espectrómetros a lo largo de los años, y algunas de las más recientes realmente están empujando los límites en términos de lo que el científico de bricolaje es capaz de hacer en el laboratorio doméstico. Si bien todavía son bastante especializados, estos instrumentos se están encontrando lenta pero seguramente en manos de piratas informáticos más curiosos.

  • phil barrett dice:

    ¡muy genial!

    Algo así ha estado en mi TechnoBuckList desde siempre. Tengo un poco de miedo de BGA. especialmente a $ 24 por intento, podría costar rápidamente ... Pero, oye, no puedes llevarlo contigo.

    En el espectro de LiteOn, siempre he creído que estos gráficos no provienen de mediciones reales. Quiero decir, las medidas reales tienen ruido. Supongo que hay alguien en su grupo de redactores técnicos que llega a una curva de distribución normal pictórica y envía el documento. Parece que el pico está en 575 nm, mientras que el documento dice que es casi 600.

    En el lado de la calibración, ¿se tiene en cuenta la sensibilidad del sensor en función de la longitud de onda? Supongo que podría leer código ...

    • Adrian dice:

      Vuelva a limpiar los gráficos espectrales en las hojas de datos: simplemente pueden promediar varias mediciones para obtener gráficos agradables y suaves. Nuestro software no promedia.

      Sobre la sensibilidad sobre la longitud de onda: todavía no estamos compensando esto porque no tenemos los medios para medir la intensidad absoluta. Hay un gráfico muy básico en la hoja de datos del epc901, por lo que podríamos crear una curva con un globo ocular.

      • phil barrett dice:

        Sí, una hoja de datos llamativa no es muy satisfactoria aunque puede ser mejor que nada.

        Interesante problema de calibre. necesita una buena referencia. ¿Es el espectro solar muy consistente? Supongo que dependería de las condiciones atmosféricas, el ángulo (es decir, la hora del día), ...

        • Comedias dice:

          Utilice una lámpara blanca. Si conoce la temperatura o el pico, puede calcular la intensidad frente a la longitud de onda. De todos modos, es un buen comienzo. (La luz solar tiene demasiadas líneas de absorción y emisión)

        • ALINOME el A dice:

          para la calibración, los láseres DPSS serían una opción ... 532 nm para el típico Nd: YAG duplicado, 1064 nm sin la duplicación (si el sensor tiene alguna sensibilidad en tales longitudes de onda)
          un diodo de bomba debería funcionar a 808 nm, pero probablemente no sea tan preciso como los cristales ...

          • Andy Dodd dice:

            Los láseres son buenos para calibrar la abscisa (longitud de onda), pero no para calibrar la amplitud absoluta o compensar la sensibilidad del sensor que varía a lo largo de la longitud de onda. Para ello, necesita un espectro de referencia bien conocido; por lo general, es típica una fuente de blanco calibrada (controlador de corriente constante para máxima estabilidad).

      • Louis Haeberle dice:

        Adrian: Puede realizar una calibración de intensidad utilizando una lámpara halógena de tungsteno de cuarzo regular esparcida sobre una superficie blanca (idealmente teflón) y calculando la temperatura del filamento a partir de su resistencia, los resultados están dentro de un pequeño porcentaje de la calibración real con una lámpara de referencia rastreable por NIST.

        Consulte este artículo para obtener más detalles: https://eprints.lancs.ac.uk/id/eprint/6736/1/inproc_326.pdf

        • Andy Dodd dice:

          ¡Gracias por esto!

          Consideré construir un arreglo similar a los esfuerzos en los que Glenn Butcher trabajó en https://discuss.pixls.us/t/the-quest-for-good-color-1-spectral-sensitivity-functions-ssfs -and-camera- profiles / 18002 (y 3 puestos adicionales) para medir sensores CMOS SSF: uno de los desafíos allí era un buen espectro de referencia.

        • Andy Dodd dice:

          Además de mi otro comentario:

          Estoy en lo cierto al suponer que la determinación de la temperatura real se realizó de la siguiente manera:

          Determine una longitud efectiva de resistencia del filamento a la "temperatura ambiente" (probablemente ni siquiera sea estrictamente necesario para calcular la longitud efectiva, como todo se relaciona)

          Con base en la resistencia medida a temperatura ambiente y la resistencia funcional medida, vuelva a calcular la temperatura de la resistividad frente a las tablas de temperatura del Apéndice 2.

          • Louis Haeberle dice:

            Así es. La relación de resistencias es la misma que la relación de resistencias si descuida la expansión térmica de los filamentos (que es una aproximación razonable). Vea la ecuación (8) en el artículo que publiqué. Luego, a partir de esa temperatura calculada y utilizando valores conocidos publicados para la emisividad espectral de tungsteno, puede calcular fácilmente la emisión esperada de cuerpo negro mediante la ecuación (1).

            Las tablas del apéndice 2 no tienen muchos puntos de datos, pero puede interpolar.

      • Louis Haeberle dice:

        Debo agregar que no es suficiente usar la curva correspondiente del CCD solo, porque la eficiencia de difracción de la rejilla también depende de la longitud de onda (¡mucho! A veces por 2 o más factores entre azul y rojo dependiendo de la calidad de la rejilla. ). Cualquier calibración de intensidad debe compensar la validez de la respuesta de todo el sistema (filtros de clasificación de pedidos + óptica focal + rejilla + sensor).

        También puede usar una lámpara indicadora de neón de $ 0.50 como una buena fuente de línea espectral para calibrar la longitud de onda, con picos más estrechos y estables que la emisión de CFL. Puede encontrar fácilmente los valores de referencia oficiales para las líneas de transmisión de neón en el sitio web del NIST.

        • Adrian dice:

          Gracias por los consejos de calibración. ¡Muy útil!

  • fanto324 dice:

    Realmente me gusta esto. Es eficaz y útil para recopilar datos.

    Tengo un pequeño proyecto en el quemador trasero para mis hijos a medida que crecen un poco con un módulo de cámara Rpi y una película de apertura + difracción agrietada para que puedan ver la forma en que diferentes cosas dan diferentes espectros si se encienden. ¡Nunca tan divertido como este proyecto de chicos, sin embargo, no tengo tiempo para aprender sobre el reflujo BGA!

  • Paul dice:

    La dificultad de construir un espectrómetro barato de alta calidad no es en absoluto el detector. Toda cámara decente funcionará bastante bien.

    La parte difícil es conseguir una óptica decente a un precio razonable. Esta rejilla de difracción utilizada en este proyecto es sorprendentemente barata, pero es muy ineficaz y no muy precisa: apenas se puede utilizar, y solo uno o dos pasos anteriores utiliza un CCD o DVD como rejilla. De hecho, podría decirse que un DVD es mejor porque es reflectante y más eficaz.

    Todavía busco una rejilla reflectante brillante de menos de $ 20. O enfocado en menos de $ 50.

    Sin embargo, use una plantilla de PCB para una ranura: ¡eso es genial!

    • Ruido_en_la jungla dice:

      ¿Rejilla de difracción enfocada? ¿Como un elemento? Pégame con un enlace a un ejemplo, por favor.

      • Paul dice:

        Las rejillas cóncavas son un equipo casi estándar en cualquier espectrómetro alto hoy en día ...
        https://www.edmundoptics.com/search/?criteria=concave%20grating&Tab=Products#

    • Adrian dice:

      No se equivoca con la rejilla de difracción barata. Otros números de nuestro diseño son el gran tamaño debido a la distancia focal de la lente y la difícil alineación / enfoque manual cuando el diseño se está moviendo.

      Por eso, recientemente guardé el paquete óptico de un analizador de sangre que planeo renovar con este sensor.

    • jafinch78 dice:

      Para las rejillas de DVD y BluRay ... planeo usar un acelerador HD para barrer. También será interesante ver el rendimiento de las versiones de transmisión y transmisión, ya que los discos también se pueden separar con cuidado.

      También se planea utilizar un mecanismo de trineo para computadora portátil para cambiar el ancho de la ranura. Lo que sería realmente asombroso es poder usar ópticas de CD / DVD / BluRay, porque son muy rentables y abundantes.

      Todavía estoy esperando una unidad de disco láser rentable para esos componentes para un diseño aún más avanzado.

      Muy buenos comentarios con esta compilación también. ¡Bien!

      También es un buen momento para el final de sus proyectos. : - |) Hombre, veremos cómo avanza esta temporada de invierno.

  • JRD dice:

    Perdone mi ignorancia, pero estoy tratando de entender por qué un sensor de una sola línea es mejor que un sensor de cámara de un solo color normal. El espectrógrafo que construyó pasa a través de la imagen a través de una rendija (1D) para aterrizar en una rejilla de difracción (propagada a 2D), que luego es fotografiada por el sensor 1D. Ahora, muchos de ustedes solo estarán interesados ​​en la distribución del espectro desde un punto, pero ¿no obtendrían una línea completa de varios espectros de fuentes posibles con un sensor 2D completo? Es la rejilla de difracción la que realiza el trabajo de análisis espectral, no el sensor en sí.

    • Paul dice:

      Un sensor de espectrómetro lineal dedicado tiene píxeles muy delgados: permite integrarse inmediatamente en el sensor en lugar de después de la digitalización. Produce menos ruido de legibilidad, mayor rango dinámico, lectura mucho más rápida y un cabezal superior más bajo para su procesador de alojamiento.

    • Adrian dice:

      Re 2D vs 3D: Técnicamente, la ranura podría ser solo un orificio, lo que daría como resultado un espectro 1D (línea delgada). Pero es más práctico cortar esa línea de proyección 2D del espectro que crea un sensor de línea. Cuando se utiliza un sensor 2D, el software extrae la línea de interés 1D de la imagen 2D.

      Como mencionó Paul, los sensores de línea suelen ser más sensibles que los sensores de imagen normales. La razón es que los píxeles son físicamente más grandes que en su sensor 2D típico. En el píxel epc901 mide 7,5 x 120 micrómetros. Como referencia, los píxeles de los módulos de cámara RPi HQ son 1,55 x 1,55 um, o 375 veces más pequeño.

    • mac012345 dice:

      Y, de hecho, con muy poca luz, es mejor utilizar un sensor CCD 2D, alinear las columnas con los espectros y mover todas las filas que necesite en el interruptor de salida para aumentar la sensibilidad y reducir el ruido (n-binning básico).

  • mrehorst dice:

    No soy bueno experimentando estas cosas, pero si quieres un sensor de imagen de alta resolución, quizás valga la pena echar un vistazo a los escáneres Canon LIDE. Tienen un sensor CCD que ocupa una página con muchos miles de puntos de detección. Mi LIDE 70 tiene una resolución óptica de 2400 ppp y la LIDE 200 es de 4800 ppp (¡x 8.5 ″!). Los escáneres LIDE usados ​​están disponibles a muy bajo precio, especialmente porque la mayoría (¿todos?) Ya no son compatibles con Windows. No tengo idea de lo que se necesita para leer el sensor ...

    • pocos dice:

      No miré las unidades LIDE ... pero demasiado ancho se convierte en un problema. Las lentes no pueden enfocarse simplemente a través de un área sensorial realmente amplia. Los sensores lineales con la resolución más alta tienen píxeles que son demasiado pequeños para la mayoría de las espectroscopias porque los niveles de luz por píxel son demasiado bajos. Y la resolución alcanzada por tantos elementos suele ser de 12 bits, mientras que una buena espectroscopia generalmente requiere un ADC de 16 bits.

      • Chris Cox dice:

        Los sensores del escáner de superficie plana son pequeños (3 pulgadas de largo o menos) y se enfocan en el tamaño de la página (espejos + lentes). A menudo tienen 16 bits / canal, pero también suelen haber patrones RGB, algunos lineales, otros bayer. Casi siempre incluyen un filtro de rechazo de infrarrojos. Y no son un ruido pequeño en absoluto. Usé escáneres planos y de mano para espectroscopia (con rejillas excesivas); funcionan, pero no bien (aún mejores que las cámaras web).

  • Fetora_Steve dice:

    Utilice BGA para SMT como https://www.advanced.com/products/bga-socketing-systems?gclid=Cj0KCQiAkuP9BRCkARIsAKGLE8VehX4n47qH5cywsY4iIdBud5q6U6Fezjr7tzR_qvTkEj? ¿Lo haría más complicado?

    • Adrian dice:

      Dudo que haya enchufes para este factor de forma específico (2 × 16 bolas). E incluso si existe un enchufe, probablemente podría desperdiciar 10 sensores por el precio de un enchufe. Además, un enchufe no puede sujetarse desde la parte superior, donde se supone que debe entrar la luz. 🙂

      Este fue mi primer proyecto usando una pieza BGA, y logré armarlo 2 de 2 sin ningún problema. La dificultad IMO es comparable a QFN, excepto que la parte es delicada y el lado superior debe mantenerse limpio de corriente. Utilizo una tostadora sin modificar, el horno también funciona, el aire caliente puede ser problemático.

      • Fetora_Steve dice:

        Gracias por tu gran información. Esta es una construcción asombrosa

  • GenTooMan dice:

    Dependiendo del fabricante pueden darte la curva de sensibilidad de una fotocélula, con números reales (woo)
    Así que puede que solo necesites preguntar.
    Desafortunadamente, un método más difícil sería hacer una fuente de luz calibrada o encontrar una y luego usarla para averiguar cuál es la curva y la potencia.

    • Paul dice:

      La curva de sensibilidad y respuesta espectral está en la hoja de datos.
      Eso es un comienzo, pero no es suficiente: también debe incluir la respuesta espectral (eficiencia) de la red y cualquier otra óptica del sistema. A menudo hay un filtro de orden inclusivo, por ejemplo.
      Afortunadamente, la luz solar está bastante bien caracterizada si conoce su hora local, latitud y altitud, y se puede utilizar para aceptar una calibración aceptable.
      La mayoría de las aplicaciones, sin embargo, no requieren una calibración realmente precisa: la mayor parte del trabajo cuantitativo con espectrómetros se realiza mediante mediciones diferenciales.

  • Rob T dice:

    Podría hacer un analizador de oxígeno en sangre con esteroides: medir el O2, el desplazamiento del CO2 en términos de tiempo / concentración e incluso el desplazamiento constante del CO2.

  • Reggie dice:

    Un contenedor impreso en 3D es una mala elección porque deja pasar un infrarrojo y al final del día reduce la SNR.

Manuel Gómez
Manuel Gómez

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