아리엘 분광계의 차이점(ARIEL SPECTROMETER DIFFERENCE)

ARIEL SPECTROMETER DIFFERENCE

WHAT IS ARIEL SPECTROMETER?

초점거리 80 mm Czerny-Turner 광학벤치 언폴디드 고정/러그를 이용한 난시 보정 광섬유 분광기 검출기 : 2048픽셀 CMOS array. USB2.0 및 1Gb LAN 통신 인터페이스. 모든 데이터 보정/컨디셔닝은 펌웨어에서 수행되며 가시광선(400nm-1000nm) 및 UVVis(200nm-1000nm) 파장 범위.

WHY ARIEL SPECTROMETER?

선택할 수 있는 여러 가지 대량 생산 광섬유 분광기가 있습니다. 분광기는 응용 분야에 따라 제품으로 볼 수도 있고 중요한 구성 요소로 볼 수도 있습니다. 우리 시스템에서 분광기는 중요한 구성 요소이며 성능과 안정성에 깊은 관심을 가지고 있습니다. 대량 생산 분광기에서 엔지니어링 트레이드오프는 가장 큰 시장 부분, 즉 제품 분광기를 목표로 합니다. 목표는 일반적으로 조립 및 교정의 단순화를 포함하여 최소 풋프린트 및 제조 비용 절감입니다.
우리의 목표는 펌웨어에서 모든 데이터 보정을 수행하는 고품질 분광 데이터의 빠른 데이터 획득입니다. 그래서 우리는 우리의 설계에서 다른 절충안을 만들 필요가 있었습니다.
중요한 절충점은 광학적 구성 설계와 데이터 정/보정의 두 가지 영역에 있습니다.

그림3) "Cross Czerny design vs. Unfolded Czerny design." 펼쳐진/대칭 Czerny 디자인은 광학 경로가 잘 분리되어 있고 빛 산란이 크게 감소되었습니다. 그러나 x-czerny 디자인에 비해 약간 더 큰 공간을 차지합니다.

그림4) "Cross Czerny design vs. Unfolded Czerny design." Cross Czerny 광학에는 광학 경로가 교차되어 있습니다. 광학 요소와 광학 기하학의 근접성은 광산란 효과를 증가시킵니다. 그러나 기계 설계는 더 컴팩트할 수 있습니다.

A. Fixed Optical Bench vs. Flexible Optical Bench. Flexible Optical Bench는 회절격자의 각도 위치와 미러의 각도/선형 위치를 조절할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 파장 범위 및 해상도에 대해 벤치를 구성할 수 있으므로 비용 절감 및 양산의 유연성을 얻을 수 있습니다. 또한 광학계의 안정성을 저하시킵니다. 일반적으로 매년 파장을 재보정하는 것이 권장됩니다. 이러한 시스템을 진동 등이 있는 산업 환경에서 사용하는 것은 어려울 수 있습니다. Fixed Optical Bench는 에폭시 등에 고정된 위치에 모든 구성 요소가 있습니다. 매우 견고합니다. 그러나 지정된 파장 범위 및 해상도에 대해서만 사용할 수 있습니다. 대체 파장 범위에 대해서는 다른 벤치 설계가 필요합니다.

B. 40mm 대 80mm 초점 거리 벤치. 전형적인 소형 광섬유 분광기는 40mm 또는 80mm FL 광학 벤치를 가지고 있습니다. 동일한 파장 해상도를 달성하려면 소형(40mm) 분광기는 2배 높은 분산(600g/mm 대 300g/mm)을 가진 격자를 가져야 합니다. 높은 분산 격자는 거울에 더 높은 입사각을 유발합니다. 이는 이미지의 난시와 혼수 상태를 증가시킵니다. 혼수상태는 이미지가 흐려지고 혜성처럼 꼬리를 갖게 하는 축외 광학 수차입니다. 혼수상태는 F수에 반비례하며 축외 각도에 따라 증가합니다. 분광기 혼수상태는 종종 선의 곡률로 나타납니다.

C. 난시 보정 : 원통 렌즈 vs. 토로이드 거울. 구면 거울에서 반사된 축외의 빛은 두 개의 직교면(자오선 및 자오선)에서 다른 초점을 갖습니다. 결과적으로 입구 슬릿의 한 점이 영상 평면의 선이 됩니다. 이는 난시입니다. 난시는 빛의 ~70%를 잃을 수 있습니다. 이는 디텍터의 민감한 부분에 도달하지 못하기 때문입니다. 난시를 보정하면 광 수집이 크게 증가할 수 있습니다. 원통 렌즈 또는 토로이드 거울은 난시를 보정하는 데 사용될 수 있습니다. 원통 렌즈는 센서 앞에 배치해야 하는 추가 요소입니다. 토로이드 거울은 구면 거울을 대체하고 있을 뿐이며 추가 요소는 없습니다. 앞서 논의한 바와 같이 미니 분광기(40mm 벤치)에서 난시는 혼수 상태와 결합되어 있습니다. 이는 난시를 보정하면 분해능이 감소함을 의미합니다(그 자리에 곡선을 집중시키고 있습니다). 이는 완벽한 폭풍입니다. 난시가 증가하지만 패널티(파장 분해능 저하) 없이는 보정할 수 없습니다.
사실, Torroid mirror는 난시를 교정하는 것 이상의 일을 하고 있습니다 – 또한 설계를 최적화하고 (난시에 대해 더 이상 걱정할 필요가 없습니다) 혼수 상태를 줄일 수 있습니다. 그 결과 스펙트럼의 최고점은 깨끗하고 대칭적입니다.

그림5) 난시 예(센서면의 0.5mm 슬릿 이미지) A. Ariel 분광계 난시 보정 이미지(400g/mm 격자) B. (A)와 동일한 광학 시스템이지만 구형 거울을 사용함 C. (B)와 동일한 광학 시스템이지만 600g/mm 격자를 사용함

D. 데이터 교정 및 보정(DATA CALIBRATION AND CORRECTION)
분광기 보정은 흔히 "파장 보정"으로 이해됩니다. 이것은 정말로 절대적으로 필수적이며 모든 분광기는 그것을 가지고 있어야 합니다. 하지만 해야 할 일은 훨씬 더 많습니다. 다크 신호 보정, 비선형성 보정, 고정 패턴 노이즈(FPN) 보정, 박스카 평균화와 같은 다양한 데이터 처리 옵션입니다.
이것은 각 픽셀이 독립적인 검출기로 동작하는 액티브 CMOS 검출기 어레이(예: 하마마츠 S11639)에서 특히 중요합니다. 일반적으로 대량 생산된 분광기는 기본적으로 사용하기에 충분한 최소한의 보정을 수행합니다.

E. 각 픽셀에 대한 신호 변환 경로. 각각의 고유 커패시터(Charge to Voltage Conversion)와 소스 팔로워(Source Follower)를 가진 독립적인 고정 Si 검출기(픽셀)로 구성된 액티브 CMOS 검출기. 고정 Si 검출기 자체는 고도로 선형이며 동일한 다크 노이즈를 가지고 있습니다. 그러나 독립 커패시터와 소스 팔로워의 존재는 다크 노이즈의 차이, 비선형성을 유발하며 고정 패턴 노이즈를 유발합니다. 이 모든 것은 픽셀 단위로 이상적으로 픽셀 단위로 보정될 수 있습니다.

F. 신호 보정 다이어그램. 디텍터에서 획득한 신호는 어두운 신호 보정, 비선형성에 대한 보정 및 선택적으로 고정 패턴 노이즈 보정이 필요합니다.

G. 다크 신호 보정. 다크 신호는 적분 시간과 온도에 따라 다릅니다. CCD 검출기는 일반적으로 다크 신호의 기준으로 사용되는 "다크" 픽셀을 가지고 있습니다. 다크 픽셀의 신호는 활성 픽셀의 측정된 신호에서 간단히 감산됩니다. 이것은 기본적으로 다크 전류가 모든 픽셀에서 동일하기 때문에 CCD 검출기에서 잘 작동합니다. CMOS 검출기에도 유사한 옵션이 있습니다(예: 하마마츠 S11639-11). 그러나 CMOS 검출기에서는 각 픽셀이 다크 신호를 가지고 있고 온도/적분 시간 의존성도 다르기 때문에 이 전략이 훨씬 덜 효과적입니다. 폴백 옵션은 신호 측정 전에 "다크" 스펙트럼 측정을 수행하는 것입니다. 이 두 가지 접근 방식 모두 빠르고 정확한 분광 측정에는 허용되지 않습니다.

H. ARIEL 분광기는 다양한 온도와 적분 시간에 대해 암전류가 보정되어 있으며, 회귀 계수는 분광기에 저장되어 있으며, 사용된 검출기 온도와 적분 시간에 기초하여 로드되어 펌웨어에서 암전 신호를 빠르고 정확하게 보정할 수 있습니다.

I. 적분 시간에 대한 다크 신호 의존성은 비선형적입니다. 적분 시간 < 10ms 다크 신호 변화가 거의 없고 적분 시간 > 100ms일 때는 사실상 선형적입니다. 또한 짧은 적분 시간에는 다크 신호가 온도에 따라 거의 변하지 않고 더 긴 적분 시간에는 기하급수적으로 증가하는 경우가 있습니다. 두 경우 모두 보정 데이터의 양을 줄이기 위해 별도로 보정됩니다. 보정은 측정 조건에 따라 펌웨어에서 자동으로 수행됩니다.

J. 비선형성 보정. CMOS 검출기에서 비선형성은 작은 신호(범위의 50% 이하)에서 매우 낮고 범위의 상단 근처에서 매우 높습니다. S11639 검출기의 전형적인 비선형성은 낮은 신호에서 0.5% 미만이며 포화 한계에 가까운 최대 20%입니다. 또한 각 픽셀은 약간 다른 비선형성을 가지고 있습니다. 일부 대량 생산된 분광기에서 높은 신호 증폭은 난시 광 손실을 보상하기 위해 사용됩니다. 이는 비선형성을 더욱 증가시킵니다.
ARIEL 분광기는 전역 비선형성 보정으로 잔류 비선형성 < 0.4% (직선성 99.6%)를 가지며, 픽셀당 비선형성 보정으로 99.8%의 선형성을 얻을 수 있습니다.

K. FPN(Fixed Pattern Noise). CMOS 검출기의 FPN은 각 픽셀이 자체 전자 장치(충전 대 전압 및 소스 팔로워)를 갖춘 독립적인 검출기이기 때문에 항상 존재합니다. 하마마츠 S11639 검출기 FPN은 대개 대부분의 픽셀에서 ~2%이고 일부 픽셀에서 최대 10%입니다(검출기 사양은 항상 상당히 자유롭고 최대 +-10% 불균일을 허용함). 이 FPN 노이즈는 베이스라인 보정으로 인해 실제 반사율 또는 투과율 측정에서 부분적으로 보정됩니다. 그러나 스펙트럼이 완벽하게 매끄럽지 않을 수 있습니다. 대부분의 경우 허용 가능합니다. 그러나 경우에 따라 스펙트럼의 고품질이 필요합니다. ARIEL 분광기에는 스펙트럼을 개선하기 위한 옵션 FPN 보정이 있습니다.