Сделай сам: спектрофотометр на базе LED - Топ-Свет
Бесплатно по России

Каталог товаров

Производители

Сделай сам: спектрофотометр на базе LED

Продолжаем искать применения светодиодов помимо систем освещения. В 2016 году на сайте arxiv.org была опубликована статья, в которой описывается недорогой спектрофотометр на базе LED. Сегодня мы предлагаем нашим читателям её сокращённый перевод.

Оригинал статьи доступен на сайте arxiv.org.

Оптические покрытия получили широкое распространение в повседневной жизни. Их можно встретить повсюду, начиная от объективов фотоаппаратов и очков, и заканчивая экспериментальными оптическими системами. И это делает простое и надёжное устройство для быстрого анализа оптических покрытий ценным лабораторным инструментом. Авторы исследования предлагают использовать 10 светодиодов с длинами волн в диапазоне от 365 до 1000 нм, небольшой сервопривод с управлением от микроконтроллера и кремниевый фотодетектор для создания автоматического портативного и, что главное, недорогого и лёгкого в создании устройства для решения подобных задач.

Оптическое покрытие состоит из одной или нескольких тонких плёнок, каждая из которых имеет точно подобранную толщину и индекс преломления света. Покрытия наносятся на поверхность оптического элемента – линзу, например – чтобы изменить степень отражения и пропускания конкретных длин волн падающего излучения.

Традиционные спектрофотометры для тестирования оптических покрытий состоят из источника белого света и монохроматор для выделения узкой полосы излучения. Даже самое обычное коммерческое устройство может весьма точно измерить спектральные характеристики антибликовых покрытий, их толщину и используемые материалы. К несчастью подобные устройства стоят весьма недёшево – от десятков до сотен тысяч долларов США.

С развитием светодиодных технологий появился интерес к возможности использования LED в качестве источников света с выбранными длинами волн вместо дорогих и сложных традиционных спектрофотометров. В 1973 году, например, было представлено устройство на основе красных светодиодов и фотоэлементов для измерения концентрации растворов.

Поскольку сам светодиод (без использования люминофоров, конечно) излучает в одном конкретном и весьма узком диапазоне, изменение длины волны требовало физически заменить один светодиод другим. Для преодоления этого ограничения ещё в 90-х годах XX века предлагалось использовать переключаемых многоканальных LED-массивов. В качестве решений предлагалось использовать, например, пучки оптических волокон в сочетании с электронными переключателями. А в 2012 году группа малайзийских исследователей предложила использовать сервопривод для вращения системы из нескольких светодиодов. Все эти системы, однако, предназначались для измерения концентрации специфических химических элементов в растворах, а не для анализа оптических покрытий.

Спектрофотометр на базе LED
Спектрофотометр на базе LED

Описываемое же в статье устройство использует 10 светодиодов и кремниевый фотодетектор для измерения спектра пропускания оптического элемента – такого как линзы или оптического фильтра – на основе дискретного набора длин волн в диапазоне от ультрафиолета (370 нм) до ближнего инфракрасного света (950 нм), определяемых спектрами LED-элементов. Такой диапазон перекрывает большинство потребностей в анализе самых часто используемых типов покрытий. Большинство многоканальных систем используют электронный переключатель для включения каждого светодиода отдельно от других. В данном же случае предполагается смонтировать источники света на вращающейся посредством сервопривода печатной плате.

Между светодиодом и исследуемым образцом размещаются две линзы для сведения света в пучки, что также позволяет устранить дисперсию, вызванную оптической системой самого светодиода. После образца располагается фотодетектор. Вся конструкция снаружи закрывается коробкой, не пропускающей свет, для исключения влияния внешнего освещения.

Сервопривод и светодиоды управляются контроллером Arduino Uno, который был выбран за низкую цены, простоту прототипирования и хорошую документацию. Для него был разработан пользовательский интерфейс, позволяющий проводить калибровочные измерения и характеризовать оптические покрытия образцов. Более подробное описание технической части можно посмотреть в оригинальной статье – здесь мы их приводить не будем.

Электронная схема спектрофотометра на базе LED
Электронная схема спектрофотометра на базе LED

Процедура анализа состоит из двух фаз. Первая – калибровочная, при которой измеряется излучение от каждого из светодиодов без установленного образца. Вторая – рабочая – проводится уже с установленным образцом. Значения двух измерения затем сравниваются для получения коэффициента пропускания для каждой из используемых длин волн.

Описанный здесь прибор – при всей своей простоте – демонстрирует хорошую повторяемость результатов (разброс не более 0.5%) и может с успехом применяться в оптических лабораториях для быстрого определения характеристик оптических элементов, отслеживать деградацию покрытий с течением времени и других целей.

С оригиналом статьи со всеми техническими подробностями, включая описание используемых компонентов, можно ознакомиться по ссылке.