Содержание к диссертации
Введение
1. Спектральные приборы 16
1.1. Краткая история развития оптической спектрометрии и создания фоточувствительных приборов с зарядовой связью 16
1.2. Электромагнитное излучение и его взаимодействие с веществом 20
1.3. Состав спектрального прибора 24
1.4. Классификация спектральных приборов
1.4.1. Способ регистрации излучения 26
1.4.2. Тип устройства разложения излучения в спектр 28
1.4.3. Количество одновременно регистрируемых спектральных линий 31
1.4.4. Способ взаимодействия с исследуемым объектом 32
1.4.5. Назначение
1.5. Основные параметры спектральных приборов 33
1.6. Оптические схемы спектрометров
1.6.1. Схема Czernyurner 38
1.6.2. Схема Ebert-Fastie 40
1.6.3. Схема Monk-Gillieson 40
1.6.4. Схема Littrow 41
1.6.5. Схема Echelle 42
1.6.6. Схемы с кругом Роуланда 43
1.6.7. Схема Wadsworth 45
1.7. Конструкция малогабаритного спектрометра с многоэлементным фотоприемником 45
1.7.1. Выбор оптической схемы малогабаритного спектрометра 46
1.7.2. Выбор дифракционной решетки 47
1.7.3. Выбор входной щели 49
1.7.4. Выбор многоэлементного фотоприемника 52
1.7.5. Влияние температуры на сигнал многоэлементного фотоприемника
1.7.6. Снижение уровня рассеянного света 67
1.7.7. Устранение высоких порядков дифракции 69
1.7.8. Спектрометр ISM3600B
3 1.8. Малогабаритные спектрометры отечественного производства 71
1.9. Выводы и постановка задачи исследования 72
2. Оптические узлы и элементы 74
2.1. Постановка задачи 74
2.2. Модификация ПЗС-фотоприемников
2.2.1. Технология снятия защитного стекла с ПЗС-фотоприемника 76
2.2.2. Интерференция в структуре ПЗС-фотоприемника 78
2.2.3. Нанесение слоя люминофора на поверхность ПЗС-фотоприемника 83
2.2.4. Подавление интерференции путем увеличения толщины поверхностного слоя ПЗС-фотоприемника 91
2.2.5. Установка оптоволоконной шайбы на поверхность фотоприемника для выравнивания фокусировки 95
2.2.6. Установка оптоволоконных шайб для устранения мертвых зон в многоканальных спектрометрах
2.3. Автоматизированная спектральная щель 101
2.4. Автоматическая компенсация ухода калибровки 106
2.5. Оптимизация юстировки спектрометра с многоэлементным фотоприемником ПО
2.6. Выводы 117
3. Электронные блоки оптических спектрометров 119
3.1. Постановка задачи 119
3.2. Шумы ПЗС-фотоприемников 120
3.3. Цифровая коррелированная выборка 124
3.4. Оптимизация тактирования для снижения шумов ПЗС-фотоприемников 136
3.5. Принципы построения систем регистрации сигнала линейных ПЗС-фотоприемников 145
3.6. Многоканальные системы регистрации 148
3.7. Системы регистрации инфракрасного спектрального диапазона 151
3.8. Выводы 157
4. Обработка данных в оптических спектрометрах с многоэлементными фотоприемниками 159
4.1. Постановка задачи 159
4.2. Программное обеспечение для управления малогабаритными спектрометрами Aspect 1 4.2.1. Основные параметры 161
4.2.2. Измерение толщины полупроводниковых мембран
4.3. Программное обеспечение для управления малогабаритными спектрометрами ASpect.NET 166
4.4. Программное обеспечение для управления малогабаритными спектрометрами ASpect2010 1 4.4.1. Основные параметры 167
4.4.2. Структура спектральных данных 174
4.4.3. Измерение амплитуды и длины волны 177
4.4.4. Вычисление статистических параметров 179
4.4.5. Параметры регистрации спектров 181
4.4.6. Калибровка спектрометра 191
4.4.7. Элементы таблицы Менделеева 194
4.4.8. Колориметрические измерения 197
4.4.9. Измерение параметров тонких пленок
4.4.10. Адаптивная фильтрация 213
4.4.11. Спектральный калькулятор 217
4.5. Выводы 220
5. Параметры разработанных приборов и области их применения 222
5.1. Универсальные спектрометры 222
5.2. Спектрометры для контроля содержания солей урана в водном растворе 235
5.3. Спектрометры для медицинских применений 236 5.4. Спектрометры для колориметрии 238
5.4.1. Колориметр для парфюмерной промышленности СК 1А 238
5.4.2. Колориметр для исследования старения бумаги 240
5.5. Спектрометры для идентификации пород древесины 242
5.5.1. Спектрометр для идентификации пород древесины «Кедр» 242
5.5.2. Спектрометр для идентификации пород древесины «Кедр-М»
5.6. Спектрометры для измерения параметров источников излучения 250
5.7. Спектрометры для измерения параметров тонких пленок 253
5.8. Спектрометры для инфракрасной области спектра 255
5.9. Системы регистрации для эмиссионного анализа 256
5.10. Многоэлементные фотоприемники, использованные в разработанных спектральных приборах 263
Заключение 264
Список сокращений 268
Список литературы
- Электромагнитное излучение и его взаимодействие с веществом
- Модификация ПЗС-фотоприемников
- Шумы ПЗС-фотоприемников
- Программное обеспечение для управления малогабаритными спектрометрами ASpect.NET
Введение к работе
Актуальность темы
Спектральные методы анализа успешно применяются во многих областях науки и техники, однако дорогое и сложное лабораторное измерительное оборудование, в силу определенных ограничений, не может быть использовано везде, где это необходимо. В первую очередь это касается стоимости приборов. Применение дорогостоящего контрольно-измерительного оборудования приводит к увеличению производственных издержек и, соответственно, к снижению конкурентоспособности выпускаемой продукции, даже несмотря на повышение ее качества. Сложность проведения измерений также накладывает существенные ограничения на уровень подготовки персонала. Следовательно, имеется насущная необходимость в проведении исследований, результатом которых является разработка и создание новых типов спектральных приборов с многоэлементными фотоприемниками, обладающих следующими преимуществами:
относительно невысокая стоимость, позволяющая применить данные приборы для непосредственного контроля параметров технологических процессов, и, без значительных финансовых затрат, повысить качество выпускаемой продукции;
простота управления и возможность автоматизации измерений, позволяющая исключить влияние «человеческого фактора» и снижающая требования к квалификации обслуживающего персонала;
достаточно высокие метрологические параметры, достигнутые в новых типах разработанных и реализованных спектральных приборов с многоэлементными
фотоприемниками, позволяющие получать результаты, достижимые ранее только на специализированном лабораторном оборудовании;
высокая производительность систем регистрации, полученная за счет применения новых методов обработки сигналов многоэлементных фотоприемников и позволяющая проводить измерения с быстродействием, удовлетворяющим требованиям массового производства;
простота перестройки спектрального диапазона, достигнутая за счет применения разработанных методик юстировки и калибровки, позволяющая с минимальными затратами адаптировать приборы под нужды конкретного производства;
расширенный спектральный диапазон малогабаритных спектрометров за счет снижения стоимости InGaAs многоэлементных фотоприемников, чувствительность которых находится в ближней инфракрасной области спектра, позволивший без значительных затрат дополнить области применения приборов новыми направлениями;
малые габариты и вес, позволяющие использовать разработанные приборы в «полевых» условиях за пределами лабораторий и существенно расширяющие области применения малогабаритных спектрометров.
Преимущества малогабаритных оптических спектрометров с многоэлементными фотоприемниками также подтверждаются их большой популярностью как в научных лабораториях, так и на производстве.
Цель работы
Целью работы является проведение исследований оптико-электронных приборов с многоэлементными фотоприемниками, разработка методов оптимизации их конструкции и обработки спектральных сигналов, а также создание новых спектральных приборов с метрологическими и эксплуатационными характеристиками на уровне лучших мировых образцов.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
-
Разработка методов и поиск путей повышения динамического диапазона многоэлементных фотоприемников, применяемых в оптических спектрометрах. Разработка технологии модификации фотоприемников на основе проведенных исследований.
-
Проведение исследований характеристик оптических спектрометров с целью выявления и последующего устранения недостатков, связанных с конструктивными особенностями многоэлементных фотоприемников.
-
Разработка методов снижения уровня шума в электронной системе регистрации оптических спектров.
-
Анализ конструкционных элементов спектрометров с многоэлементными фотоприемниками и создание технологических решений, позволяющих оптимизировать юстировку и калибровку.
-
Оптимизация конструкции модульной системы регистрации для оптических спектрометров с несколькими многоэлементными фотоприемниками.
-
Исследование и разработка методов и алгоритмов обработки спектральных данных, создание на их основе программного обеспечения для повышения эксплуатационных и метрологических параметров спектральных приборов.
Методы исследования
Решение поставленных в работе задач проводилось путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретические методы исследования основаны на законах взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона с элементами спектрометра, математическом анализе этого взаимодействия и математической статистике. Экспериментальные методы исследования основаны на макетировании разработанных электронных блоков.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Объективная информация о реальной ширине автоматизированной спектральной щели может быть получена при измерении емкости плоского конденсатора, образованного ее ножами м.
-
Линейный размер изображения полуширины спектрального распределения излучения светодиода служит объективной оценкой качества фокусировки прибора. Отклонение в линейных размерах изображения для светодиодов в середине и на краях спектрального диапазона прибора, является объективной информацией о характере вогнутой дифракционной решетки.
-
Цифровая коррелированная выборка с многократной оцифровкой каждого пикселя и статистической обработкой данных позволяет повысить динамический диапазон сигнала ПЗС-фотоприемника в два и более раз путем снижения амплитуды шумовой составляющей сигнала.
-
Представление спектральных данных с постоянным шагом по длинам волн и неизменным спектральным диапазоном позволяет проводить поэлементные операции над данными вне зависимости от установленного спектрального диапазона и текущей калибровки прибора.
-
Снижение уровня шума сигнала оптических линейчатых спектров достигается заменой значений, не выходящих за пределы порогов, установленных в процессе предварительной статистической обработки, на усредненные значения, чем обеспечивается значительное ускорение фильтрации спектральных данных.
Научная новизна
Разработаны методы, позволяющие повысить соотношение сигнал/шум стандартных многоэлементных фотоприемников, в результате чего внедрена технология модификации многоэлементных фотоприемников.
На основании проведенных исследований, позволивших оптимизировать конструкцию, значительно уменьшить габариты и энергопотребление, увеличить динамический диапазон работы прибора и повысить его метрологические характеристики, разработано семейство малогабаритных спектрометров с многоэлементными фотоприемниками для использования в научных исследованиях, промышленном производстве и идентификации пород древесины.
Разработана модульная конструкция системы регистрации для эмиссионных спектрометров, позволившая использовать единую электронную регистрирующую платформу для применения в спектрометрах с различным числом многоэлементных фотоприемников.
Предложена новая методика юстировки оптических спектрометров, позволяющая снизить трудоемкость процесса настройки, и повысить качество прибора.
Разработаны методы обработки спектральных данных, позволившие повысить динамический диапазон и воспроизводимость результатов измерений. На основании проведенных исследований разработано программное обеспечение для управления спектральными приборами с многоэлементными фотоприемниками и обработки экспериментальных данных.
Практическая значимость диссертационной работы
Разработано несколько семейств спектральных приборов, выпущенных в виде макетов, мелкосерийно и серийно:
-
Семейство спектрометров с многоэлементными фотоприемниками отечественного производства типа ФППЗ-1Л, ФППЗ-7Л, ФППЗ-8Л и ФППЗ-10Л для технологических применений, таких как контроль скорости напыления и травления диэлектриков и полупроводников, контроль содержания солей урана в водном растворе, контроль процессов травления кремниевых пластин, регистрация спектров излучения плазмы;
-
Семейство различных универсальных малогабаритных спектрометров типа IS3600, ISM3600 и NKS1001, выпускающихся мелкосерийно и предназначенных, в том числе, для контроля параметров светодиодов;
-
Система регистрации спектрометра, предназначенного для определения концентрации полигексаметиленгуанидина в поликомпонентных дезинфицирующих средствах медицинского назначения;
-
Колориметры для парфюмерной промышленности типа СК 1А и для исследования старения бумаги;
-
Спектрометры для идентификации пород древесины «Кедр» и «Кедр-М», выпускающиеся серийно;
-
Экспериментальный прототип Рамановского спектрометра для идентификации пород древесины;
-
Системы регистрации для фотоэлектронной кассеты к спектрографам «Анализаторы атомных спектров ЦС» и первого отечественного передвижного
оптического эмиссионного спектрометра «Минилаб-СЛ»;
-
Система регистрации инфракрасного спектрального диапазона для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах;
-
Модульные системы регистрации для эмиссионных спектрометров, в том числе для модернизации эмиссионных спектрометров NK5001.
Основные результаты разработок и исследований внедрены в следующих отечественных научных организациях и промышленных предприятиях:
-
ГП «НИИЭФА» им. Д. В. Ефремова;
-
АО «Государственный Оптический Институт им. СИ. Вавилова» (ГОИ);
-
ПО «Маяк»;
-
ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника»;
-
«Научно-исследовательский институт командных приборов» (ФГУП НИИКП);
-
НПП «Буревестник», ОАО;
-
Учреждение Российской академии наук Институт проблем машиноведения РАН (ИПМаш РАН);
-
ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН;
-
ОАО «НИИТМ»;
-
ООО «Нординкрафт-Сенсор»;
-
000 «Научно-производственное предприятие «АДВЕНТ»;
12. СПбГЭТУ (ЛЭТИ).
Апробация работы
Результаты, изложенные в работе, докладывались и обсуждались на Российских и международных научных конференциях, в том числе на:
-
I Всесоюзная НТК «Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники», Ленинград, 1989.
-
Всесоюзная НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 1990.
-
НТ-семинар «Опыт внедрения прогрессивных средств и методов размерного контроля», ЛДНТП, Ленинград, 1990.
-
II Международная НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 1994.
-
НТК с зарубежным участием «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, окт. 1995.
-
Международная НТК, «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96», Новосибирск, 1996.
-
IV международная НТК, «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 1998.
-
III международная НТК «Электроника и информатика - XXI век», Зеленоград, 2000.
-
X международная конференция «Физика диэлектриков» (Диэлектрики - 2004). СПб, 2004.
-
НТК, посвященные Дню Радио, СПб, 2008-2015.
-
НТК «Вакуумная техника и технология - 2012», СПб, 2012.
-
11-я международная конференция «Пленки и покрытия - 2013», СПб, 2013.
-
3-я научно-техническая школа-семинар «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире», 2013.
-
12-я международная конференция «Пленки и покрытия - 2015», СПб, 2015.
15. 11th German-Russian Conference on Biomedical Engineering, 2015.
Публикации
По теме диссертации опубликовано более 50 научных работ (из них 22 статьи в журналах, рекомендованных ВАК и 2 публикации в зарубежных изданиях, индексируемых в SCOPUS), 1 монография, получено 30 отечественных и зарубежных патентов и свидетельств на полезную модель, а также 8 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Достоверность материалов диссертационной работы
Достоверность подтверждена результатами спектральных измерений, выполненных на разработанных оптических спектрометрах с многоэлементными фотоприемниками.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Она содержит 290 страниц машинописного текста, включает 182 рисунка и 16 таблиц. Список литературы насчитывает 216 наименований.
Электромагнитное излучение и его взаимодействие с веществом
Первые наблюдения цветовых эффектов с помощью призмы проводились Сенекой в сороковых годах первого века нашей эры, а в Китае даже ранее [5], так что призменные «спектрометры» являются наиболее древними из известного человечества спектральных приборов.
В 1634 году Рене Декарт опубликовал «Трактат о свете» [6], в котором были заложены основы представлений о свете и его взаимодействии с окружающими предметами, в частности были описаны понятия отражения и преломления, что послужило основой для дальнейших исследований в оптике в целом и в частности в спектроскопии.
Термин «спектр» (в переводе с латыни spectrum означает изображение в душе) был введен Исааком Ньютоном в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной световой полосы, которая была им получена в результате экспериментов по прохождению солнечного луча через стеклянную призму. В 1704 году он опубликовал свой труд «Оптика», в котором изложил результаты опытов с призмой - разложение белого света на отдельные спектральные компоненты [7]. Можно утверждать, что в этом труде были заложены основы оптической спектроскопии, поскольку там были описаны все три метода разложения света, используемых и в настоящее время — преломление, интерференция и дифракция, а его прибор с призмой, щелью и линзой был первым в мире спектроскопом.
В 1756 году русский ученый М. В. Ломоносов на торжественном собрании Академии наук прочитал «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее». В этой работе он сделал предположения о единой природе световых и электрических явлений, а также отдал предпочтение волновой теории Гюйгенса и Декарта в противовес воззрениям Ньютона. Ломоносов был первым ученым, выдвинувшим гипотезу о трех основных цветах, легшую в основу колориметрии [8].
В 1854 году Кирхгоф (Gustav Robert Kirchhoff) и Бунзен (Robert Wilhelm Eberhard von Bunsen) начали эксперименты с парами металлических солей в пламени и их спектрами [9], заложив тем самым основы спектрального анализа.
В 1868 году физик Андерс Йонас Ангстрем (Anders Jonas Angstrom) опубликовал детальное исследование длин волны солнечного спектра, используя в качестве единицы измерения 10 10 метра (в настоящее время известна как ангстрем А). Его считают одним из основоположников современной спектроскопии. Также в 1869 году он изготовил первую отражательную дифракционную решетку.
В 1882 году физик Роуланд (Henry A. Rowland) изготовил первую вогнутую дифракционную решетку, конструкция которой, став фактическим стандартом, применяется и сегодня. Такой тип решетки позволил отказаться от дополнительных оптических элементов, что позволило снизить потери излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Машины для изготовления дифракционных решеток, изготовленные Роуландом с успехом использовались и в начале двадцатого века. В том же году Артур Шустер (Arthur Schuster) ввел термин спектроскопия (spectroscopy), добавив к слову spectrum греческое skopein (наблюдение).
В 1936 году в Государственном оптическом институте (ГОИ) был разработан и выпущен первый отечественный спектрограф для регистрации спектра в ультрафиолетовой и видимой частях спектра.
В 1937 году Морис Хэслер (Maurice Hasler) из лабораторий прикладных исследований (Applied Research Laboratories) изготовил первый коммерческий спектрограф с дифракционной решеткой.
В 1940 году ученый Арнольд Дж. Бекман (Arnold J. Beckman) и его коллеги из National Technologies Laboratory (NTL) разработали спектрофотометр, названный Beckman DU, который обеспечивал очень высокую точность анализа. Было разработано несколько моделей прибора, а его базовая конструкция оставалась неизменной с 1941 по 1976 год. Всего было выпущено более 30000 экземпляров спектрофотометра.
Появление микропроцессоров в восьмидесятые годы прошлого века открыло новую эру в приборостроении и с тех пор ими стали оснащаться почти все спектральные приборы, что позволило выйти на новый уровень обработки спектральной информации. Первым известным спектрометром с микропроцессорным управлением был, разработанный в 1981 году, прибор фирмы Cecil Instruments [10].
Многоэлементные твердотельные детекторы излучения (ТДИ) появились сравнительно недавно. Наиболее известными из них являются ПЗС-фотоприемники. История их изобретения довольно необычна - Дж. Смит (George Smith) и В. Бойль (Willard Boyle) разрабатывали новые типы запоминающих устройств в Bell Labs, а вовсе не фотоприемники. В ходе обсуждения 17 октября 1969 года они практически в течение часа разработали полупроводниковую структуру, использующую принцип переноса заряда [11] и изготовили первый в мире реальный прибор, за что впоследствии им была присуждена Нобелевская премия. Затем ими была предложена трехфазная схема управления со скрытым каналом [12], использующаяся в большинстве приборов с переносом заряда и в настоящее время. Уже в 1975 году фотоприемник с переносом заряда впервые был использован в астрономическом эшелле спектрометре [13]. Первое упоминание о применении ПЗС-фотоприемника в Рамановском спектрометре появилось в 1987 году [14]. В 1992 году фирмой Thermo Jarrell Ash был выпущен первый коммерческий спектрометр IRIS с твердотельным матричным детектором на приборе с зарядовой инжекцией (charge injection device - CID). В том же году фирма Ocean Optics продала, как ими утверждается, «первый в мире миниатюрный спектрометр» с линейным ПЗС- фотоприемником.
Бойль и Смит в своих первых работах дали совершенно точный прогноз по областям применения разработанного ими устройства. Они предположили, что наибольшее распространение приборы с переносом заряда получат в устройствах регистрации изображений, что и произошло в действительности. Наиболее известны на сегодняшний день такие производители ПЗС-фотоприемников общего назначения как Sony, Toshiba, Thomson, Dalsa, Kodak (в настоящее время производство принадлежит ON Semiconductor) а также фотоприемников для научных применений, таких, например, как Hamamatsu или Scientific Imaging Technologies. Всего в мире на сегодняшний день насчитывается более ста фирм производителей ПЗС-фотоприемников различного назначения.
Отечественная промышленность также успешно освоила производство приборов с переносом заряда. В частности, уже в 1973 году была зарегистрирована заявка на патент [15], описывающая соответствующую структуру ПЗС. Российские ученые и инженеры, такие как Р. А. Сурис, В. А. Гергель, Ф. П. Пресс, Ю. А. Кузнецов, В. А. Шилин, В. А. Арутюнов и др. внесли большой вклад в разработку конструкций и развитие технологии производства приборов с переносом заряда. Производство ПЗС-фотоприемников, начиная с 1975 года, было освоено на таких предприятиях как ОАО ЦНИИ «Электрон» (основано в 1956 году) [16] и его дочерним предприятием ЗАО НПП «Элар» (основано в 2007 году), а также ОАО «НПП «Пульсар» (основано в 1953 году). В настоящее время ОАО «ЦНИИ «Электрон» специализируется на функционально-ориентированных линейных ПЗС, а ОАО «НПП «Пульсар» на линейных ПЗС общего применения.
Модификация ПЗС-фотоприемников
Одним из самых важных параметров ПЗС-фотоприемника, применительно к спектральным приборам, является спектральная характеристика чувствительности. Данный параметр определяет рабочий диапазон длин волн фотоприемника, и, как следствие, спектральный диапазон спектрометра, построенного на его основе.
Спектральная характеристика ПЗС-фотоприемников имеет ряд особенностей. Во-первых, как было показано в главе 1, при длине волны X 200 нм квантовая эффективность ПЗС-фотоприемника падает практически до нуля. Это ограничивает применение приборов в определенных областях, где используются источники ультрафиолетового излучения. Повышение чувствительности в данной части спектра позволит расширить области применения приборов. Во-вторых, вследствие интерференции излучения в системе слоев на поверхности ПЗС-фотоприемника, спектральная характеристика обладает волнообразной модуляцией [72]. Вследствие модуляции относительная интенсивность линий излучения, измеренная с помощью спектрометра, может существенно отличаться от реального значения.
В результате проведенных исследований были предложены способы коррекции спектральной характеристики ПЗС-фотоприемника, которые позволяют увеличить ультрафиолетовую чувствительность, подавить модуляцию, а также достичь обоих эффектов одновременно.
Модификация поверхности ПЗС-фотоприемника невозможна без непосредственного доступа к кристаллу, который, как правило, закрыт защитным стеклом. Без такого стекла кристалл фотоприемника может быть легко поврежден даже при незначительном механическом воздействии. Существуют зарубежные компании, такие, например, как Framos или Eureca которые предлагают услуги по удалению стекла практически с любых ПЗС-фотоприемников [73], правда, не раскрывая технологических особенностей процесса. Стоимость таких услуг достаточно высока, а вероятность разрушения фотоприемника около 10%. При этом утверждается, что после многолетнего использования ПЗС-фотоприемников со снятым стеклом их параметры практически не меняются.
Для удаления стекла может быть использован нагрев прибора с последующей длительной выдержкой при достаточно высокой температуре [74]. В результате воздействия температуры клей, с помощью которого защитное стекло крепится к корпусу фотоприемника, разрушается и стекло может быть удалено. Данный способ, однако, может быть применен далеко не ко всем многоэлементным фотоприемникам. Опыты по вскрытию, проведенные с популярным ПЗС-фотоприемником типа TCD1304 показали, что их клей не претерпевает существенных изменений механических свойств даже при длительном воздействии температуры порядка 300С. Дальнейшее повышение температуры позволило удалить стекло, но привело к повреждению самого ПЗС-фотоприемника.
Для удаления (размягчения) клея, в качестве которого обычно используются эпоксидные компаунды, возможно применение специальных растворителей типа дихлорметан (хлористый метилен) или диметилформамид. Процесс удаления клея при этом длится до месяца, а сами растворители достаточно токсичны. Кроме того, производители ПЗС-фотоприемников используют различные типы клеев и одного универсального растворителя просто не существует
Еще один способ удаления стекла, который практически не зависит от типа корпуса фотоприемника и используемого клея - механическое «вырезание» части стекла, не имеющего прямого клеевого контакта с корпусом. Данный способ также не гарантирует сохранность фотоприемника, поскольку при механическом разрушающем воздействии на стекло мелкие осколки попадают внутрь корпуса и на большой скорости «бомбардируют» поверхность фотоприемника, приводя к его повреждению (Рисунок 2.1, а).
Для предотвращения повреждений фотоприемника была разработана следующая технология удаления стекла. На первом этапе в стекле на максимальном удалении от фотоприемника делается минимальный пропил для получения доступа к внутреннему объему корпуса. Затем под стекло закачивается жидкость, не наносящая вреда фотоприемнику, например, спирт. На следующем этапе проводится основная процедура удаления стекла с помощью алмазного отрезного круга (Рисунок 2.1, б). Жидкость, в силу достаточно высокой плотности, не позволяет осколкам стекла достичь поверхности ПЗС-фотоприемника на скорости, достаточной для его повреждения. После удаления стекла фотоприемник освобождается от жидкости и мелких осколков, после чего его поверхность может быть модифицирована.
Результаты удаления стекла с ПЗС-фотоприемника типа TCD1304 двумя различными способами представлены на Рисунок 2.2.
Функционирование ПЗС-фотоприемника основано на свойствах структуры металл- оксид-полупроводник (МОП) накапливать неосновные носители зарядов в локализованных потенциальных ямах на границе полупроводника и оксида. Потенциальные ямы заполняются зарядами в результате их генерации в полупроводнике под воздействием падающего на него оптического излучения.
В ПЗС-фотоприемниках имеется специальная область, т.н. секция накопления, в которой и происходит генерация носителей зарядов под воздействием оптического излучения. В качестве фоточувствительных элементов обычно используются фотодиоды или, в некоторых случаях, МОП-элементы. В процессе генерации, в отдельных элементах секции накопления возникает заряд, зависящий от площади элемента, интенсивности регистрируемого излучения и времени, в течении которого производится накопление носителей зарядов.
Традиционная конструкция ПЗС-фотоприемника приведена на Рисунок 2.3. На его поверхности лежит тонкий слой естественного оксида. Далее, в зависимости от типа фотоприемника, идут поликремниевые электроды, а также диэлектрическая система оксид-нитрид кремния, находящаяся между электродами и подложкой.
Шумы ПЗС-фотоприемников
Дальнейшее снижение уровня шума путем увеличения количества оцифровок каждого пикселя становится труднореализуемым, поскольку время на регистрацию одного пикселя составляет всего 1 мкс. Увеличить количество выборок в массиве возможно только за счет добавления отсчетов соседних пикселей к текущему массиву. В этом случае отсчет каждого пикселя будет представлять собой среднее из нескольких пикселей, что по сути означает низкочастотную фильтрацию спектрального сигнала и может привести к искажению формы линий линейчатых спектров (уширению и снижению амплитуды). В малогабаритных приборах на одну спектральную линию, как правило, приходится не менее 5-6 пикселей, поскольку на полный спектральный диапазон 200-1000 нм, при разрешении 1,5 нм, приходится 3648 пикселей (ПЗС-фотоприемник типа TCD1304). В этом случае, без ущерба для разрешения, можно проводить усреднение максимум по двум соседним пикселям.
Для ПЗС-фотоприемника типа TCD1304 также характерно некоторое отличие значений сигналов четных и нечетных пикселей ввиду двухрядной организации системы считывания, при которой сигнал с четных и нечетных пикселей переносится на выход разными секциями переноса (геометрический шум). Небольшое различие геометрических размеров элементов ПЗС кристалла в отдельных секциях переноса приводит к возникновению геометрического шума, а усреднение по соседним пикселям позволяет его уменьшить. Результат вычисления сигнала как простого скользящего среднего по восьми последним отсчетам при четырех отсчетах на пиксель (Рисунок 3.6, для одного из пикселей АЛ = 0,16%) дает среднее значение уровня шума 0,17 % что означает повышение динамического диапазона до 588, т.е. почти в два раза по сравнению с паспортным значением для данного ПЗС-фотоприемника. При этом дополнительно уменьшается геометрический шум, но спектральное разрешение прибора практически не снижается.
Линейчатые спектры не единственные, которые регистрируются малогабаритными спектрометрами. Одно из популярных применений таких приборов - исследование параметров источников излучения, например, таких как светодиоды, для которых спектральное разрешение для вычисления колориметрических параметров должно быть не менее 10 нм [139], при этом увеличение разрешения до 5 нм и выше «формально» не требуется, поскольку при колориметрических расчетах используются таблицы с шагом 10 нм [140].
В видимом спектральном диапазоне 380-780 нм и разрешении 10 нм необходимо иметь 40 отдельных интегральных отсчетов, а для ПЗС-фотоприемника, имеющего 3648 пикселей, можно позволить усреднение практически по 100 пикселям. На практике всё же необходимо более высокое разрешение, чем 10 нм, поскольку при колориметрических измерения газоразрядных ламп отдельные узкие интенсивные спектральные линии, попадающие на границу 10 нанометровых зон, могут существенно исказить результат измерений. Представляется целесообразным иметь разрешение не менее 5 нм, т.е. ограничить количество пикселей при усреднении не более 40-50 и всегда иметь четное количество пикселей для эффективного снижения геометрического шума. Результат усреднения по 16 значениям при 4 отсчетах на пиксель (Рисунок 3.7, для одного из пикселей АА = 0,09%) дает среднее значение уровня шума 0,1 % что означает повышение динамического диапазона до 1000, а по 32 значениям (Рисунок 3.8, для одного из пикселей АА = 0,06%) дает среднее значение уровня шума 0,08 % что означает повышение динамического диапазона до 1250, т.е. в 4 раза по сравнению с паспортным значением.
Максимальные и минимальные значения сигнала ПЗС при четырехкратной выборке на пиксель и среднему по 32 отсчетам При вычислении простого скользящего среднего по 32 отсчетам при 4 отсчетах на пиксель усреднение проводится по 8 соседним пикселям. Даже в полном спектральном диапазоне 200-1000 нм разрешение при этом будет не хуже 134 нм, поскольку «эффективных пикселей» при этом будет 3648 / 8 = 456, и при минимально необходимых 3 пикселях для точной регистрации спектральной линии [141] получаем итоговое разрешение 800 / (456/3) = 5,2 нм.
Аналогичная методика статистической обработки данных при многократной оцифровке каждого пикселя была применена в системе регистрации ИК диапазона в приборе для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах. Необходимость детектирования малых концентраций веществ (единицы ррт) предъявляет высокие требования к динамическому диапазону сигнала Us, поскольку необходимо регистрировать незначительные отклонения сигнала UR линий поглощения исследуемого вещества на уровне фона UB большой интенсивности (3.11).
Без статистической обработки сигнала решить данную задачу не представляется возможным, поскольку использованный в приборе многоэлементный InGaAs фотоприемник типа G9494-256D имеет динамический диапазон порядка 2000, что явно недостаточно. В системе регистрации используется 16 разрядный АЦП (максимальное значение 65535 единиц) и при отсутствии засветки уровень сигнала составляет около 4000 единиц (Рисунок 3.9).
Средняя относительная амплитуда шумовой составляющей сигнала не превышает 0,003, т.е. 4000 0,003 = 12 единиц младшего значащего разряда (МЗР) АЦП, что соответствует динамическому диапазону в полной шкале 65535 / 12 = 5400 (почти в 3 раза превышает паспортное). Дальнейшее покадровое усреднение позволит увеличить динамический диапазон до требуемого уровня, но не может быть реализовано ввиду жестких ограничений на время одного полного измерения (менее 1 сек). Использование рассмотренной ранее методики многократной оцифровки каждого пикселя позволяет решить поставленную задачу. Вычисление скользящего среднего по 16 значениям при 4 отсчетах на пиксель позволяет получить средний уровень амплитуды шума порядка 0,0008 (Рисунок 3.11) (4000 0,0008 = 3 единицы МЗР АЦП), что соответствует динамическому диапазону в полной шкале 65535 / 3 = 21800, что в 10 раз больше паспортного значения.
Данные значения динамического диапазона получены при времени интегрирования 0,2 мс и дополнительном усреднении по 100 кадрам. При дальнейшем увеличении числа кадров усреднения, при общем времени измерения 1 сек, удалось обеспечить необходимые параметры спектрального прибора и решить поставленную задачу (см. главу 5).
Программное обеспечение для управления малогабаритными спектрометрами ASpect.NET
При значениях времени накопления заряда в ПЗС-фотоприемнике порядка 10 мс увеличение числа усреднений до 50... 100 приведет к увеличению общего времени измерений до 0.5... 1 сек. При регистрации не меняющихся во времени спектров, например, спектра эталонного источника излучения, необходимо увеличить число усредняемых сигналов. Общее время регистрации спектров равно произведению времени накопления ПЗС-фотоприемника на число усреднений, к которому добавляется время передачи данных в ПК.
Полученный сигнал можно дополнительно пропустить через сплайновый цифровой фильтр, представляющий собой аппроксимацию исходного массива данных с помощью кубического сплайна [153]. Данный фильтр хорошо работает на спектрах без узкополосных линий - например, на спектрах светодиодов. Для обработки узкополосных спектров газоразрядных источников, например, ртутной лампы при калибровке прибора, данную фильтрацию применять не следует. Включить данную фильтрацию можно выбрав, Сплайновая фильтрация (Рисунок 4.31). Применение фильтрации сигнала при использовании малогабаритных спектрометров позволяет для не линейчатых спектров, например, таких как спектры излучения ламп накаливания, существенно повысить точность и воспроизводимость результатов измерений [154].
При анализе параметров светоизлучающих диодов (СИД) дополнительно можно убрать фоновый сигнал, имеющийся около нулевого уровня. Для этого требуется включить режим Обрезать спектр по уровню. После этого, при каждом измерении значение сигнала, менее заданного (в %) будет обнуляться.
Спектральная коррекция чувствительности позволяет получить «истинное» распределение интенсивности сигнала в рабочем диапазоне прибора [155] что очень важно в таких приложениях, как, например, колориметрия. Для осуществления коррекции спектральной характеристики прибора [156] необходимо снять спектр источника с известным спектром, например, стандартного излучателя типа А (эталона А) [157], с вычитанием темнового спектра. Далее следует подготовить эталонный файл. Для этого требуется импорт текстового файла эталона через пункт меню Файл - Импорт. Текстовый файл задается следующим образом:
Импортированный файл необходимо сохранить как проект эталона. После этого необходимо ввести ссылки на эталонный и реальный спектры в соответствующие поля диалога. После чего включить Разрешить для дальнейшего использования спектральной коррекции. Результаты нормировки спектра лампы накаливания с использованием эталона А представлены на Рисунок 4.32. Увеличение уровня шумов в диапазоне 850-900 нм объясняется снижением относительной чувствительности ПЗС-фотоприемника.
Если положение файлов не изменялось, то они будут автоматически загружаться при запуске программы. В случае, если нормализация не требуется, например, для повторного снятия реального спектра эталона, то необходимо выключить переключатель Разрешить. Коэффициенты коррекции Kj для каждой точки j (длины волны в массиве данных) вычисляются по следующему выражению г; (4.10) где ITj- амплитуда табличного эталонного спектра в точкеу, IEj амплитуда реального эталонного спектра в точке у. В дальнейшем каждый новый спектр ISj домножается на полученные коэффициенты и получается итоговый спектр Ij в каждой точке спектрау:
При измерении параметров СИД ИК диапазона было обнаружено искажение формы сигнала, не позволяющее получить достоверную информацию о параметрах СИД. Данный эффект имеется у всех светодиодов ИК диапазона, спектр излучения которых лежит в диапазоне 925-975 нм.
Проведенный анализ показал, что единственный узел, который в состоянии исказить сигнал, это ПЗС-фотоприемник. Однако, как и в случае неупомянутого производителем неравномерного блюминга, такой эффект в документации по фотоприемнику не указывается. Обнаруженный провал спектральной характеристики с большой долей вероятности определяется наличием в структуре
Использование описанной выше коррекции спектральной характеристики в данном случае не смогло решить проблему, поскольку чувствительность ПЗС-фотоприемника в ИК области невелика, что подтверждается увеличенным уровнем шума в диапазоне более 900 нм (Рисунок 4.32). Низкое значение соотношения сигнал/шум в данном спектральном диапазоне не дало провести достаточную, для устранения обнаруженного эффекта, спектральную коррекцию.
Устранить искажение формы сигнала можно программно, предварительно вычислив значения корректирующей функции опираясь на спектр аналогичного СИД, полученного с помощью лабораторного спектрометра, использующего другой тип фотоприемника. Поправочная функция была рассчитана, что позволило исправить форму спектрального сигнала излучения ИК СИД (Рисунок 4.33).
В некоторых случаях бывает удобно ограничить вывод спектра на экран определенной областью, менее реального спектрального диапазона прибора, например, при исследовании параметров светодиодов. Задание исходной области рассмотрения спектра может быть осуществлено включением переключателя Разрешить. Значения минимальной и максимальной длин волн вводятся в соответствующих полях, и в дальнейшем на экране будет отображаться спектр только в пределах заданного диапазона. Для возврата в исходное состояние достаточно выключить переключатель Разрешить.
Используется для установки параметров анализа эмиссионных спектров излучения [159]. В качестве параметров задаются две зоны по длинам волн. В процессе измерения производится интегрирование сигнала по обеим зонам. Диапазон длин волн рекомендуется задавать в соответствии со спектральным разрешением прибора - не менее 1-2 нм. Например, на Рисунок 4.35 приведен пример задания параметров для длин волн 250 и 500 нм. При этом необходимо включить переключатель Разрешить для отображения результатов измерений на экране.
В дальнейшем при каждом измерении будет производиться численное интегрирование в пределах заданных зон (21, 22), и вычисляться отношение полученных значений (21/22). Результаты измерений будут отображаться в левом верхнем углу основного окна в виде значений и графиков (Рисунок 4.36).
Масштаб по вертикали вычисляется автоматически, а сами графики используется для оценки характера изменения сигнала. После заполнения графиков происходит автоматический сдвиг влево с отображением результатов последних 190 измерений. Для очистки графика достаточно подвести к нему указатель мышки и щелкнуть левой клавишей.
Результаты анализа элементов, в случае необходимости, могут быть переданы в дополнительный управляющий компьютер для непосредственного управления технологической установкой. Результаты расчета численных интегралов по заданным зонам передаются по последовательному интерфейсу. Для запуска процесса передачи данных необходимо вначале выбрать соответствующий СОМ порт, по которому и будет осуществляться передача данных. Затем Разрешить передачу результатов, щелкнув левой клавишей мышки на соответствующем пункте меню (Рисунок 4.37), при этом если передача разрешена, то пункт меню будет помечен галочкой.