Калибровка спектрографа, оснащенного цифровой камерой, по длинам волн и спектральной чувствительности

Содержание 

 

 

Введение 
 

      В данной работе разработана методика калибровки спектрального прибора по длинам волн и спектральной чувствительности, на основании которой выполнена юстировка и калибровка спектрографа SL 100M (Solar TII, Ltd.) с цифровой камерой HS 120H (Proscan Special Instruments).

      В последнее время в оптической спектроскопии широко используются многоканальные спектральные приборы позволяющие регистрировать сразу весь спектр за одно измерение. Это очень ускорило проведение эксперимента и значительно облегчило его. Однако существует ряд сложных и трудоемких операций, таких как юстировка и спектральная калибровка, необходимых для получения корректных и достоверных данных. У всех приборов есть свои особенности настройки, поэтому нет определенного алгоритма, или шаблона, действий для калибровки.

      Актуальность  разработки темы обусловливается тем, что для получения истинных скорректированных спектров свечения, регистрирующий прибор должен быть правильно откалиброван.

      Цель  и задачи исследования. Целью данной работы является юстировка и спектральная калибровка спектрографа SL 100M с цифровой камерой HS 120H. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи:

      изучить устройство и принцип работы прибора;

      откалибровать спектрограф по длинам волн;

      откалибровать спектрограф по спектральной чувствительности.

      Основным  результатом исследования является создание файлов калибровочных коэффициентов для разных спектральных диапазонов, которые, будучи использованы со штатным программным обеспечением цифровой камеры, позволят получать истинные спектры свечения.

 

      Глава 1

      Структура и принцип работы калибруемого прибора 
 

      В данной работе проводилась калибровка спектрального прибора состоящего из спектрографа SL 100M (Solar TII, Ltd.) с цифровой камерой HS 120H (Proscan Special Instruments). 

      1.1 Спектрограф SL 100M 

      1.1.1 Основные характеристики спектрографа

      Спектрограф является линзовым с компенсацией астигматизма <50 мкм по всему фокальному полю [1]. Cпектрограф обладает следующими характеристиками:

1. оптическая схема горизонтально-симметричная с двумя ахроматизированными линзовыми объективами;
2. один входной и один выходной порты;
3. пропускаемый диапазон длин волн составляет 360-1200 нм;
4. 100 мм фокусное расстояние;
5. фокальная плоскость 28х8 мм.
6. механизм развертки по спектру ручной синусный, представляет собой микровинт для поворота дифракционной решетки с диапазоном линейного перемещения 7 мм.

      Характеристики  дифракционной решетки:

1. нарезного типа;
2. размером мм;
3. период решетки составляет 1/400 мм;
4. длина волны в угле блеска – 500 нм.

      Спектральное  разрешение спектрографа составляет <0.35 нм. Точность установки длины волны - ±1 нм. Ширина спектральной щели 0-2,0 мм. 

      1.1.2 Оптическая схема и конструкция спектрографа

      Линзовый  спектрограф с компенсацией астигматизма SL 100M построен по горизонтально-симметричной схеме с двумя ахроматизированными объективами: коллиматорным и камерным. Оптическая схема представлена на рисунке 1.1.

             
 
 
 
 

      После прохождения через входную щель 1 и поворотное зеркало 2. излучение  с помощью коллиматорного объектива 3 направляется на дифракционную решетку 4 в виде параллельного пучка. Решетка 4 преобразует параллельный пучок из каждой точки входной щели в веер монохроматических параллельных пучков. Камерный объектив 5 формирует на фокальной плоскости 6 монохроматические изображения входной щели. Изменение диапазона длин волн, который формируется в фокальной плоскости 6, производится путём поворота решетки 4 вокруг оси, проходящей через центр нарезного участка дифракционной решетки и совпадающей с направлением штрихов. Диафрагма 7 предназначена для ограничения высоты входной щели.

      На  рисунке 1.2 приведен внешний вид спектрографа SL 100M. Прибор выполнен в виде моноблока с установленными внутри оптическими компонентами.

    

      
 
 

 

       1.2 Цифровая камера HS 120H 

      1.2.1 Характеристики камеры

      Камера состоит из фоточувствительного прибора с переносом заряда (ФППЗ), аналого-цифрового преобразователя и управляющей электроники.

      Технические характеристики камеры:

1. тип ФППЗ – матрица с зарядовой связью Hamamatsu S9840;
2. количество фоточувствительных элементов 2048х14;
3. размер элемента составляет 14х14 мкм;
4. размер поля – 28,674х0,196 мм;
5. расстояние от камеры до поля – 10 мм.

Внешний вид камеры приведен на рисунке 1.3. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1.2.2 Описание принципа работы фоточувствительного прибора с переносом заряда (ФППЗ)

      Фоточувствительные приборы с переносом заряда (далее ФППЗ) относятся к классу твердотельных полупроводниковых приемников. Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 90 % и выше [2].

      Упрощенно ФППЗ можно рассматривать как матрицу близко расположенных конденсаторов. В ФППЗ электрический сигнал представлен не током или напряжением, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами ФППЗ. Поэтому такие приборы названы приборами с переносом заряда.

      

      На рисунке 1.4 показана структура одного элемента (пикселя) линейного трехфазного ФППЗ в режиме накопления. Структура состоит из подложки, изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов. Один из электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно под ним происходит накопление заряда.

 

      В основе работы ФППЗ лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда - электрон и дырка. Электростатическое поле в области пикселя «растаскивает» эту пару, вытесняя дырку вглубь кремния. Неосновные носители заряда, электроны, будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся - диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля подэлектродной области. Носители, сгенерированные вблизи подэлектродной области, могут диффундировать в стороны и попасть под соседний электрод.

      Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен (рисунок 1.5). Перенос в трехфазном ФППЗ можно выполнить в одном из двух направлений. Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ФППЗ на столбцы. Стоп-каналы - это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы. 

      

 
 

      Перемещение зарядовых пакетов построчно осуществляется в сдвиговый регистр, представляющий собой линейку пикселов (строку), расположенную, как правило, внизу ФППЗ параллельно строкам фоточувствительного поля. Количество пикселов в сдвиговом регистре равно количеству пикселов строки фоточувствительного поля, но они закрыты маской, не пропускающей свет.

      Под воздействием падающего излучения в светочувствительных элементах накапливаются заряды с величиной, пропорциональной количеству попавших на них фотонов. Путем подачи тактовых импульсов на соответствующие электроды зарядовые пакеты одновременно и построчно начинают перемещаться в сторону сдвигового регистра (на одну строку за один такт). При этом необходимо помнить, что не закрытые от света элементы при переносе зарядовых пакетов продолжают накапливать заряд пропорционально величине падающего излучения.

      Сдвиговый регистр также имеет последовательность электродов, позволяющих осуществлять горизонтальный сдвиг зарядовых пакетов в выходной каскад усилителя (на один пиксель за такт). Выход усилителя подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), который преобразует каждый зарядовый пакет в цифровой код.

      Вид типового ФППЗ представлен на рисунке 1.6.

        

      
 

 

Глава 2

Калибровка  прибора по длинам волн 
 

      Перед началом калибровки была проведена  юстировка спектрографа в трех координатах (вертикаль, горизонталь и угол наклона) относительно положения ПЗС-матрицы. Правильность юстировки проверялась путем получения резкого изображения на ПЗС-матрицы с равномерной интенсивностью по полю матрицы.

      Для калибровки необходим калибровочный  источник света, в качестве которого использовалась газоразрядная лампа, содержащая атомы неона, аргона и ртути. Калибровка выполнялась для трёх положений дифракционной решетки спектрографа, при которых центр спектрального диапазона регистрации приходился на длины волн 500 нм, 600 нм, 800 нм.

      Проведение  измерений с заводской калибровкой ПЗС-камеры по длинам волн показало, что положение зарегистрированных спектральных линий существенно отличалось от табличных. Для настройки программы необходимо ввести в нее таблицу соответствия основных линий спектра (реперных точек) в пикселях к истинным значениям длин волн λ в нанометрах. Эти линии соответствуют положениям интенсивных атомарных линий в спектре калибровочной лампы. Для остальных длин волн программа аппроксимирует табличные данные неким встроенным полиномом N(λ), коэффициенты которого вычисляются из известных значений.