- Construção de um espectrômetro acoplado por fibra óptica para medir a faixa de 800 a 1600 nm por cerca de US$ 500 usando um único fotodiodo InGaAs
- Sensores CMOS de silício não conseguem detectar acima de ~1100 nm devido ao limite do bandgap de ~1,1 eV; para ir além, é necessário um semicondutor InGaAs, cujo bandgap pode ser ajustado até ~0,4 eV
- Em vez de um arranjo de pixels, o sistema varre com motor de passo um único fotodiodo para evitar o custo elevado de arrays InGaAs
- Uma lâmpada fluorescente de mesa é usada como fonte de calibração com linhas de emissão de mercúrio e argônio para fazer a calibração posição-comprimento de onda
- Alcança resolução de 3~4 nm FWHM @ 1000 nm, comparável a espectrômetros InGaAs comerciais na faixa de US$ 8.000~US$ 12.000
Contexto e motivação
- Espectrômetros feitos com câmera de celular e rede de difração de CD-ROM são comuns e custam cerca de US$ 5 para montar
- Porém, câmeras baseadas em silício (sensores CMOS) respondem apenas até cerca de 1100 nm por limitações físicas
- O bandgap do silício é de ~1,1 eV, e comprimentos de onda mais longos não conseguem excitar pares elétron-lacuna
- Para medir comprimentos de onda maiores, é preciso outro semicondutor; foi adotado o InGaAs, cujo bandgap pode ser ajustado até ~0,4 eV pela proporção de índio/gálio
- Mesmo um array linear de pixels InGaAs custa milhares de dólares, e um sistema IR completo com resfriamento termoelétrico e rede precisa passa de US$ 10 mil
- O alto preço se deve ao fato de o público principal ser de pesquisadores científicos, não consumidores em geral
- Como hobby com óptica a laser exigia análise de fontes no infravermelho próximo acima de 1100 nm, foi verificado na DigiKey que um único fotodiodo InGaAs custa cerca de US$ 20
- É 100 vezes mais caro que um fotodiodo de silício, mas ainda assim viável para um projeto DIY
- O resultado foi um espectrômetro IR acoplado por fibra óptica que mede de 800 a 1600 nm
Princípio e projeto
- Um espectrômetro é composto por quatro elementos: fenda, elemento de difração, detector e a óptica intermediária que os conecta
-
Fenda de entrada e fibra óptica
- A fibra óptica de entrada faz o papel da fenda de entrada; foi usada uma fibra multimodo com núcleo de 50 um como compromisso entre fluxo de luz e resolução
- Um cabo patch SMA-905 de 2 m custa cerca de US$ 40 no AliExpress e US$ 70 na Thorlabs
-
Rede de difração
- Foi escolhida densidade de 600 linhas/mm para a faixa projetada de 800 a 1600 nm, garantindo dispersão de 40° nessa faixa
- Com ângulo de incidência de 50°, as difrações de 2ª e 3ª ordem se sobrepõem ao feixe incidente e não podem ser usadas
-
Método de varredura do detector
- Para detectar luz em vários ângulos com um único “pixel”, o fotodiodo é montado em um motor e varrido
- Foi usado um estágio linear acionado por motor de passo comprado na Amazon por US$ 50, com resolução de 5 um por passo, suficiente para o propósito
- A área ativa do fotodiodo InGaAs é de ϕ1 mm, e foi criada uma fenda de saída de cerca de 0,3 mm com fita de mascaramento de alumínio
-
Óptica intermediária (projeto amigável para DIY)
- São necessárias três etapas: desfocar a fenda de entrada em um feixe colimado, guiá-lo até a rede e focalizar o feixe difratado no sensor
- A abordagem tradicional é o projeto Czerny-Turner, com espelhos de reflexão total para minimizar aberração cromática, mas alinhar espelhos parabólicos sem uma bancada óptica é muito difícil, então foi escolhido outro caminho
- Um colimador de fibra converte a saída da fibra em feixe colimado e pode ser ligado diretamente ao conector SMA-905
- Devido à aberração cromática da lente do colimador, apenas o comprimento de onda de projeto (980 nm) fica perfeitamente colimado; comprimentos menores convergem levemente e maiores divergem levemente, mas dentro do aceitável
- Custa US$ 160 na Thorlabs; foi conseguido um par no eBay por US$ 70 cada
- Um espelho com revestimento de prata guia o feixe até a rede, por US$ 25 no eBay (novo na Thorlabs, US$ 35); espelhos dielétricos para luz visível não servem por ficarem fora da faixa no NIR
- Para refocalizar o feixe difratado no detector, foi usada uma lente cilíndrica
- O feixe focalizado vira uma linha com largura de ~0,5 mm e altura de ~2 mm, relaxando a tolerância de alinhamento para ~1 mm
- O formato retangular facilita a montagem até mesmo com fita dupla face
- O arranjo óptico foi ray-traced no Optometrika, e a posição da lente cilíndrica foi otimizada por tentativa e erro (a distância focal de 150 mm ajuda com grande tolerância)
-
Análise de resolução
- A ampliação do sistema óptico é 150 mm (lente cilíndrica) / 11 mm (colimador) = 13,6x
- Há três principais fatores de alargamento:
- Fenda de entrada: o núcleo de 50 um gera um spot de 0,68 mm, alargando cerca de 6 nm em comprimento de onda
- Rede: a resolução de difração de 1ª ordem equivale ao número de linhas iluminadas; com feixe de 2 mm, a resolução é 1.200, contribuindo com cerca de 1 nm
- Fenda de saída: acrescenta cerca de 3 nm de alargamento
- A principal causa de alargamento é o tamanho da fenda de entrada (núcleo da fibra); isso pode ser melhorado com lentes maiores e um colimador de distância focal mais longa para reduzir a ampliação
- A resolução final medida foi de 3~4 nm @ 1000 nm e 5~6 nm @ 1500 nm
- Um espectrômetro InGaAs da Edmund Optics com a mesma entrada SMA-905 oferece 4 nm, e um modelo compacto da Ocean Insight, 10 nm FWHM, por cerca de US$ 12.000 e US$ 8.000, respectivamente
Construção
-
Rede de difração
- Em vez de um pedaço de CD-ROM, foi usada uma rede refletiva blazed da Thorlabs (US$ 70), especificada em 600 linhas/mm, 12,7×12,7×6 mm, blaze em 1000 nm
- Também foi feito um pequeno “suporte óptico” para fixar com segurança esse componente óptico quadrado pequeno sem danificá-lo
-
Circuito eletrônico
- A eletrônica do detector é composta por um amplificador transimpedância e um ADC de 24 bits
- O ponto central é o amplificador operacional AD8656, de ruído ultrabaixo e corrente de polarização de entrada de 1 pA; com resistor de ganho de 100 megaohms, 1 pA vira 100 uV
- O fotodiodo opera com polarização zero (modo “fotovoltaico”), eliminando a corrente escura
- O sinal entra no AD7793, um ADC preciso e de baixo ruído com filtragem digital embutida, cujo ruído na menor velocidade (4,17 Hz) é de 40 nV
-
Alimentação e blindagem
- O grande ripple e a variação da alimentação USB de 5 V foram resolvidos com o regulador linear LT3042 (PSRR acima de 100 dB), excelente para lidar com alimentação suja
- O circuito é muito vulnerável ao acoplamento capacitivo com condutores próximos (especialmente o corpo humano, fonte de ruído de 60 Hz), por causa dos nós de altíssima impedância na entrada do op-amp, na casa de dezenas de megaohms
- Não basta blindagem EMI comum; é essencial blindagem eletrostática, envolvendo a placa e o fotodiodo com fita, folha ou chapa de alumínio aterrada
- Uma solução melhor seria um soquete dedicado para o fotodiodo ligado por cabo coaxial a uma PCB com plano de terra duplo
-
Análise de ruído
- Com fontes externas bloqueadas, o ruído intrínseco restante vem de três lugares: fotodiodo, amplificador e resistor de realimentação R
- Na faixa de 1 a 100 Hz, o ruído do amplificador é dominado por ruído 1/f, difícil de reduzir por média; em 0,1 a 10 Hz, é de cerca de 0,3 uVrms (equivalente a 3 fA na entrada)
- O resistor R e o fotodiodo contribuem com ruído térmico de 13 fA/√Hz e 9 fA/√Hz, respectivamente (assumindo resistência shunt de 200 MΩ)
- Na medição mais lenta, a 4,17 Hz, o ruído combinado RMS é de cerca de 30 fA, e o desvio padrão do sinal sem luz foi de cerca de 18 fA, chegando na prática ao limite de ruído térmico
- Melhorias adicionais exigiriam colocar sensor e amplificador em nitrogênio líquido
-
Conjunto de componentes
- A fonte (5 V 2 A) fica na parede esquerda, a placa controladora na parte superior e a placa do detector fixada ao motor de passo linear
- O microcontrolador é uma placa STM32 Nucleo-32, com driver de motor de passo montado separadamente
- A placa do detector reúne regulador de baixo ruído, ADC e amplificador transimpedância, e a fita de blindagem ao redor do amplificador é crucial para baixo ruído
- A fenda foi inicialmente feita com lâminas de barbear, mas como a luz caía muito em ângulos grandes quando ela ficava longe do fotodiodo, a solução foi colar diretamente duas tiras de fita preta na janela frontal do componente
Validação de desempenho
-
Fonte de calibração
- É necessária uma fonte com comprimento de onda e largura de linha conhecidos; para alinhamento grosso foi usada uma caneta laser verde de 505 nm (a 2ª ordem coincide angularmente com a 1ª ordem em 1010 nm)
- Lâmpadas de calibração de mercúrio e argônio-neônio custam cerca de US$ 300 segundo a Newport, e tubos espectrais a gás exigem fonte de alta tensão
- Uma lâmpada fluorescente de mesa acabou sendo uma fonte de calibração perfeita, desde que seja fluorescente; LED e incandescente não servem
- A fluorescente emite UV por meio de vapor de mercúrio e gás inerte, e o fósforo converte isso em luz visível
- O mercúrio neutro tem linhas de emissão em 436, 543, 546, 1014, 1357, 1367 e 1530 nm; as quatro últimas são úteis para calibração no NIR
- A luminária de mesa também contém gás argônio, fornecendo várias linhas na faixa de 800 a 1000 nm
- As linhas foram identificadas no espectro, associadas a posições e comprimentos de onda e ligadas por interpolação; a lente cilíndrica foi alinhada para deixar o pico de 1014 nm o mais estreito possível (FWHM ~3 nm)
-
Correção da resposta espectral
- Foi corrigida a função de resposta espectral, isto é, a amplitude do sinal por unidade de luz em cada comprimento de onda; um erro absoluto de 10% não atrapalha medições de reflexão ou transmissão
- Para isso, foi usada uma lâmpada halógena de quartzo de US$ 10 comprada em uma loja de ferragens local, assumida como fonte de corpo negro a 3200 K
-
Medição de transmissão
- Um iluminador de fibra de US$ 70 foi comprado separadamente no eBay para montar uma pequena bancada de teste para medir espectros de transmissão de filtros e cristais
- Ele gera um feixe branco com ângulo de divergência de ~2° e diâmetro ajustável de ~0,5 mm a 1 cm, coletado por um colimador de fibra do outro lado
- Um filtro long-pass de 790 nm em frente ao colimador bloqueia interferência de difração de 2ª ordem da luz visível
- Só é possível medir amostras planas sem potência óptica; componentes como lentes, que alteram a forma do feixe, produzem resultados imprecisos
- Foi medida a curva de transmissão de um cristal Nd:YAG (2×2×10 mm, dopagem de 1%), observando o fundo de reflexão nas interfaces e os picos de absorção do Nd:YAG
- A luz de 808 nm, a mais usada para bombeamento por diodo, é absorvida quase completamente
- Um iluminador de fibra de US$ 70 foi comprado separadamente no eBay para montar uma pequena bancada de teste para medir espectros de transmissão de filtros e cristais
-
Medição de fluorescência e faixa dinâmica
- O espectro de fluorescência foi medido com um diodo de bombeamento de 808 nm (cerca de 100 mW) e exibido em escala logarítmica
- O pico mais forte está em 1064 nm; também aparecem claramente linhas em 946, 1116, 1319, 1338, 1357, 1414, 1431 e 1444 nm
- Nessa configuração (ganho 16, constante de tempo 1/8,33 Hz), o sinal máximo medido foi de 800 pA, com piso de ruído de cerca de 0,2 pA, resultando em faixa dinâmica de 4.000:1 (72 dB)
- Com constante de tempo maior e ganho menor, isso pode melhorar até 100.000:1
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Este texto e o projeto são bastante impressionantes porque são trabalho da pessoa que descobriu a supercondutividade em grafeno bicamada torcido
Só o fato de poder montar por US$ 500 algo que normalmente custa US$ 10 mil já é interessante
Projeto realmente incrível. Eu estava tentando montar um espectrômetro Raman DIY e isso é possível até por menos de US$ 100 [1], mas a espectroscopia no infravermelho próximo certamente abre muito mais possibilidades
Não sou cientista, mas gosto da ideia de ter acesso a esse tipo de ferramenta. Pelo que entendi, a espectroscopia Raman fica limitada a moléculas cristalinas assimétricas, então em algo como sal, por exemplo, seria difícil obter uma reflexão adequada para leitura
Atualização: o infravermelho próximo é complementar. “Em moléculas com vibrações de estiramento simétricas, as vibrações ativas em Raman não aparecem no infravermelho; em moléculas com vibrações de estiramento assimétricas, as vibrações ativas no infravermelho não aparecem no espectro Raman. Isso é chamado de princípio de exclusão mútua, tornando NIR e espectroscopia Raman técnicas complementares” [2]
O que eu realmente gostaria de saber é se dá para detectar ftalatos em plásticos ou metais pesados como cádmio em produtos metálicos. Conversando com pessoas experientes, parece que, no fim, o certo mesmo é mandar isso para um laboratório e pedir GC/MS, mas ainda assim quero ver se é possível montar vários espectrômetros Raman ou de infravermelho próximo para farmácias no Terceiro Mundo. Medicamentos falsificados são um problema real por lá, e não precisam continuar sendo
[1] https://www.hackteria.org/wiki/images/a/a0/MobPhone_RamanSpe...
[2] https://www.labmate-online.com/news/mass-spectrometry-and-sp...
Laser (US$ 40): https://a.co/d/0wjNGBz
Rede de difração (US$ 12): https://a.co/d/6bpO8xm
Lente de focalização do laser: não encontrei
Lente de coleta de fluorescência: não encontrei
Lente de focalização: não encontrei
Lente colimadora: não encontrei
O custo vem em grande parte do uso pretendido. A garantia de desempenho é a responsabilidade por falhas de projeto, e equipamentos científicos precisam ser muito consistentes para a finalidade a que se destinam
Quase não há lugares fabricando sensores ópticos para hobby. Ao procurar um projeto que precisava de laser, as opções eram desistir ou comprar no eBay, por US$ 4.000, um sensor do fim dos anos 1980 e fazer engenharia reversa de um aparelho sem software e sem cabos proprietários. A versão USB do início dos anos 2000 também custava US$ 10 mil sem software, sem falar no modelo USB3 novo de US$ 50 mil
Equipamentos ópticos são absurdamente caros, e às vezes mesmo trabalhos avançados só precisam de ferramentas básicas
Equipamentos da Flir eram militares, mas hoje dá para comprar modelos chineses baratos, sem restrições de exportação dos EUA, como dongles de celular por algumas centenas de dólares, e ver componentes superaquecendo em uma PCB ou pontos ruins de isolamento térmico em casa
Manter líquidos em uma temperatura precisa era coisa de laboratório, mas agora dá para comprar uma máquina de sous vide de US$ 50. Dispositivos médicos como oxímetros de sangue também já caíram para a faixa de 1 dólar/1 euro
Quando o preço cai, mais pessoas encontram mais usos, mais empresas passam a fabricar, e isso cria um ciclo em que o preço cai ainda mais
A implementação central que reduziu o custo foi usar um único fotodiodo montado em um motor para varrer fisicamente o espaço, em vez de uma cara matriz de sensores InGaAs
Em trabalhos anteriores, usei espectrômetros infravermelhos industriais e científicos que custavam mais de US$ 100 mil. A sensibilidade do equipamento físico também é importante, especialmente em pesquisa básica, mas o que frequentemente determina a viabilidade no uso real é o software. Softwares modernos de espectrômetros incluem processamento avançado de sinais e aprendizado de máquina
Seria bom haver mais comunidades de ciência básica nas quais amadores pudessem contribuir, além da academia e das agências públicas de financiamento
Como clubes de astronomia amadora: astrônomos amadores ainda contribuem amplamente para sua área. Seria ótimo se pudessem contribuir em escala maior e de maneiras mais importantes. Gostaria de ver mais textos de cientistas amadores no HN
Além dela, há a Society for Astronomical Sciences, que cobre um escopo mais amplo com certo foco em equipamentos; o Center for Backyard Astrophysics, especializado em variáveis específicas; e a International Occultation and Timing Association, que observa ocultações por asteroides passando na frente de estrelas para inferir suas formas. A maioria dos países também tem organizações semelhantes
Dentro da SAS há um grupo que constrói o FlexSpec 1, um espectrômetro óptico automático para astronomia (https://flexspec1.readthedocs.io/en/latest/). O custo das peças é de cerca de US$ 500, e dispositivos parecidos são vendidos por cerca de US$ 3.000
Bom projeto. Se necessário, dá para colocar um capacitor Cf de baixa absorção dielétrica em paralelo com o resistor de ajuste de ganho Rf para fazer uma média melhor do ruído.
Se o ruído da frequência da rede elétrica continuar sendo um problema, isso também pode ser tratado. Outra melhoria seria adicionar uma roda chopper óptica para lidar com o ruído 1/f do sistema inteiro. A desvantagem é que isso exige uma taxa de amostragem mais alta e, depois, demodulação e filtragem externas. Além disso, o Cf fica limitado a frequências mais altas.
Há um projeto parecido que coloca um único fotodiodo dentro de uma espécie de câmera pinhole: https://hackaday.com/2016/05/18/using-missile-tech-to-see-li...
Vendo isso, radiotelescópios DIY e até radar por Wi‑Fi, talvez algum dia surja um verdadeiro tricorder.
Se você não quiser esperar a animação do conteúdo terminar, faça assim:
javascript:document.querySelectorAll(".animate-box").forEach(e => { e.classList.remove('animate-box') })Muito bom, mas é bem provável que boa parte desses US$ 10 mil seja custo de certificação, algo que você não consegue obter no DIY. Para hobby é excelente, mas você provavelmente não conseguiria vender isso com US$ 9.500 de lucro.
Talvez você esteja pagando por muitas coisas operacionais do negócio que um maker DIY, trabalhando sozinho, não precisa. Além disso, muitos pesquisadores compram equipamentos com verbas de pesquisa, então, em alguns casos, podem ser pouco sensíveis a preço.
Não duvido que o produto comercial venha pré-calibrado e certificado, mas eu ficaria bem surpreso se essa certificação e calibração em si realmente custassem algo como US$ 9.000.
Empresas decidem todos os dias se vão fazer internamente ou comprar. Este artigo mostra que é possível construir e validar um equipamento com o conhecimento e as habilidades esperados da maioria dos pesquisadores principais.
Se eu fosse diretor de laboratório, gostaria de ter pessoas capazes de avaliar a opção de construir internamente quando fizesse sentido. Assim, dá para integrar o sistema e adaptar a validação às nossas necessidades. Isso vira matéria-prima para propriedade intelectual própria e desenvolvimento de carreira.
Ele vai funcionar por um tempo, mas, se der problema, a manutenção será difícil, e o software provavelmente não será muito polido. Vender um espectrômetro comercial envolve muitos custos que não aparecem na lista de materiais.
Se você quiser construir o seu, ótimo, mas nem mesmo um espectrômetro de luz visível baseado em um único sensor, com componentes baratos, pode ser comprado por um preço próximo à soma do custo das peças.