- Bau eines fasergekoppelten Spektrometers für den Bereich 800–1600 nm mit einer einzelnen InGaAs-Photodiode für etwa 500 Dollar
- Silizium-CMOS-Sensoren können wegen der Bandlücken-Grenze von ca. 1,1 eV oberhalb von ca. 1100 nm nicht detektieren; darüber hinaus braucht man einen InGaAs-Halbleiter, dessen Bandlücke bis auf ca. 0,4 eV einstellbar ist
- Statt eines Pixel-Arrays wird eine einzelne Photodiode per Schrittmotor gescannt, wodurch die Kosten teurer InGaAs-Arrays vermieden werden
- Eine Schreibtisch-Leuchtstofflampe wird als Kalibrierlichtquelle mit Quecksilber- und Argon-Emissionslinien genutzt, um die Positions-Wellenlängen-Kalibrierung durchzuführen
- Erreicht eine Auflösung von 3–4 nm FWHM @ 1000 nm, vergleichbar mit kommerziellen InGaAs-Spektrometern der 8.000- bis 12.000-Dollar-Klasse
Hintergrund und Motivation
- Spektrometer aus Handykamera und CD-ROM-Beugungsgitter sind verbreitet und kosten im Bau nur etwa 5 Dollar
- Siliziumbasierte Kameras (CMOS-Sensoren) reagieren wegen physikalischer Grenzen jedoch nur bis etwa 1100 nm
- Die Bandlücke von Silizium beträgt ca. 1,1 eV; bei längeren Wellenlängen können keine Elektron-Loch-Paare mehr angeregt werden
- Für längere Wellenlängen ist ein anderer Halbleiter nötig; gewählt wurde InGaAs, dessen Bandlücke über das Indium/Gallium-Verhältnis bis auf ca. 0,4 eV einstellbar ist
- Schon eindimensionale InGaAs-Pixelarrays kosten mehrere tausend Dollar; vollständige IR-Spektrometersysteme liegen inklusive thermoelektrischer Kühlung und Präzisionsgitter bei über 10.000 Dollar
- Der Grund für den hohen Preis ist, dass die Hauptzielgruppe nicht normale Verbraucher, sondern wissenschaftliche Forscher sind
- Aus dem Hobbybereich Laseroptik heraus bestand Bedarf, Nahinfrarot-Lichtquellen oberhalb von 1100 nm zu analysieren; bei DigiKey zeigte sich, dass eine einzelne InGaAs-Photodiode etwa 20 Dollar kostet
- Das ist 100-mal teurer als eine Silizium-Photodiode, erschien aber ausreichend, um den Bau eines Spektrometers in den DIY-Bereich zu bringen
- Das Ergebnis ist ein fasergekoppeltes IR-Spektrometer für 800–1600 nm
Prinzip und Design
- Ein Spektrometer besteht aus vier Komponenten: Spalt, Beugungselement, Detektor und der Relaisoptik, die diese verbindet
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Eingangsspalt und Glasfaser
- Die Eingangs-Glasfaser übernimmt die Rolle des Eingangsspalts; eine Multimode-Faser mit 50 um Kern ist ein Kompromiss zwischen Lichtmenge und Auflösung
- Ein 2 m langes SMA-905-Patchkabel kostet bei AliExpress etwa 40 Dollar, bei Thorlabs 70 Dollar
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Beugungsgitter
- Passend zum Design-Wellenlängenbereich 800–1600 nm wurde eine Liniendichte von 600 line/mm gewählt, was im Designbereich eine Dispersion von 40° ermöglicht
- Bei einem Einfallswinkel von 50° überlappen Beugungsordnungen 2 und 3 mit dem einfallenden Strahl und sind daher nicht nutzbar
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Detektor-Scanverfahren
- Um mit einer einzelnen „Pixel“-Photodiode Licht aus mehreren Winkeln zu erfassen, wird sie auf einem Motor montiert und gescannt
- Verwendet wird eine für 50 Dollar bei Amazon gekaufte schrittmotorgetriebene Linearachse; 5 um Auflösung pro Schritt sind ausreichend
- Die aktive Fläche der InGaAs-Photodiode beträgt ϕ1 mm; mit Aluminium-Maskierband wurde ein Ausgangsspalt von etwa 0,3 mm Breite hergestellt
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Relaisoptik (DIY-freundliches Design)
- Nötig sind drei Schritte: den Eingangsspalt zu einem parallelen Strahl defokussieren → zum Gitter führen → den gebeugten Strahl auf den Sensor fokussieren
- Klassisch wäre ein Czerny-Turner-Design mit Vollspiegeln zur Minimierung chromatischer Aberration, doch die Ausrichtung von Parabolspiegeln ist ohne optische Bank sehr schwierig; daher wurde ein anderer Weg gewählt
- Ein Faser-Kollimator wandelt den Glasfaserausgang in einen parallelen Strahl um und kann direkt über einen SMA-905-Stecker angeschlossen werden
- Wegen der chromatischen Aberration der Kollimatorlinse ist nur die Design-Wellenlänge (980 nm) vollständig parallel; kürzere Wellenlängen konvergieren leicht, längere divergieren leicht, was aber tolerierbar ist
- Thorlabs: 160 Dollar; bei eBay wurde ein Paar für 70 Dollar pro Stück gefunden
- Ein silberbeschichteter Spiegel führt den Strahl auf das Gitter; eBay 25 Dollar (neu bei Thorlabs 35 Dollar). Dielektrische Spiegel für sichtbares Licht sind im Nahinfrarot außerhalb ihres Bandes und ungeeignet
- Zur erneuten Fokussierung des gebeugten Strahls auf den Detektor wird eine Zylinderlinse verwendet
- Der fokussierte Strahl wird zu einer Linie von ca. 0,5 mm Breite und ca. 2 mm Höhe, wodurch die Ausrichtungstoleranz auf etwa 1 mm entspannt wird
- Durch die rechteckige Form lässt sie sich auch nur mit doppelseitigem Klebeband leicht montieren
- Das optische Layout wurde mit Optometrika per Raytracing des Lichtwegs ausgelegt; die Position der Zylinderlinse wurde per Versuch und Irrtum optimiert (bei 150 mm Brennweite sind die Toleranzen groß)
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Analyse der Auflösung
- Die Vergrößerung der Optik beträgt 150 mm (Zylinderlinse) / 11 mm (Kollimator) = 13,6×
- Drei wesentliche Verbreiterungsfaktoren:
- Eingangsspalt: Der 50-um-Kern erzeugt einen 0,68-mm-Spot und verbreitert die Wellenlänge um etwa 6 nm
- Gitter: Die Auflösung der 1. Beugungsordnung entspricht der Zahl der beleuchteten Linien; ein 2-mm-Strahl trägt bei einer Auflösung von 1.200 etwa 1 nm bei
- Ausgangsspalt: zusätzliche Verbreiterung um etwa 3 nm
- Hauptursache der Verbreiterung ist die Größe des Eingangsspalts (Faserkern); mit größeren Linsen und einem Kollimator mit längerer Brennweite ließe sich die Vergrößerung verringern und die Auflösung verbessern
- Die final gemessene Auflösung beträgt 3–4 nm @ 1000 nm, bei 1500 nm werden 5–6 nm erreicht
- Das InGaAs-Spektrometer von Edmund Optics mit demselben SMA-905-Eingang erreicht 4 nm, ein kompaktes Spektrometer von Ocean Insight 10 nm FWHM; sie kosten jeweils etwa 12.000 bzw. 8.000 Dollar
Aufbau
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Beugungsgitter
- Statt eines CD-ROM-Stücks wurde ein geblaztes Reflexionsgitter von Thorlabs (70 Dollar) verwendet; Spezifikation: 600 line/mm, 12,7×12,7×6 mm, Blaze bei 1000 nm
- Für kleine quadratische Optikbauteile wurde eine kleine „Optikhalterung“ selbst gebaut, um sie ohne Beschädigung zu fixieren
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Elektronik
- Die Detektorelektronik besteht aus einem Transimpedanzverstärker und einem 24-Bit-ADC
- Kern ist der extrem rauscharme Operationsverstärker AD8656 mit 1 pA Eingangsbiasstrom; ein 100-Megaohm-Gain-Widerstand wandelt 1 pA in 100 uV um
- Die Photodiode arbeitet bei Null-Bias („photovoltaischer“ Modus), wodurch Dunkelstrom eliminiert wird
- Das Signal geht in den AD7793, einen präzisen, rauscharmen ADC mit eingebauter digitaler Filterung; bei der niedrigsten Geschwindigkeit (4,17 Hz) beträgt das Rauschen 40 nV
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Stromversorgung und Abschirmung
- Die starken Schwankungen und Ripple der 5V-USB-Versorgung werden mit einem LT3042-Linearregler gelöst (PSRR über 100 dB), der mit „schmutziger“ Versorgung hervorragend zurechtkommt
- Die Schaltung ist sehr empfindlich gegenüber kapazitiver Kopplung mit umliegenden Leitern (insbesondere dem menschlichen Körper mit 60-Hz-Rauschen); Ursache sind hochohmige Knoten mit mehreren zehn Megaohm am Op-Amp-Eingang
- Statt gewöhnlicher EMI-Abschirmung ist elektrostatische Abschirmung zwingend nötig; Platine und Photodiode werden mit geerdetem Aluminiumklebeband, Folie und Platten umschlossen
- Besser wäre ein dedizierter Photodiodensockel, der per Koaxialkabel mit einer PCB mit doppelter Massefläche verbunden ist
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Rauschanalyse
- Nach dem Blockieren externer Quellen entsteht das verbleibende intrinsische Rauschen an drei Stellen: Photodiode, Verstärker und Rückkopplungswiderstand R
- Im Bereich 1–100 Hz dominiert beim Verstärker 1/f-Rauschen, das sich schwer mitteln lässt; bei 0,1–10 Hz liegt es bei etwa 0,3 uVrms (eingangsbezogen 3 fA)
- Widerstand R und Photodiode tragen jeweils thermisches Rauschen von 13 fA/√Hz bzw. 9 fA/√Hz bei (angenommen ein Shunt-Widerstand von 200 MΩ)
- Bei Messung mit der niedrigsten Geschwindigkeit von 4,17 Hz ergibt sich ein quadratisch summiertes RMS-Rauschen von etwa 30 fA; bei Dunkelheit liegt die Standardabweichung des Signals bei etwa 18 fA, womit praktisch die thermische Rauschgrenze erreicht ist
- Weitere Verbesserungen würden erfordern, Sensor und Verstärker in flüssigen Stickstoff zu setzen
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Komponentenaufbau
- Die Stromversorgung (5V 2A) sitzt an der linken Wand, die Controller-Platine oben, die Detektorplatine ist am linearen Schrittmotor befestigt
- Als Mikrocontroller dient ein STM32-Nucleo-32-Board, der Schrittmotortreiber ist separat montiert
- Auf der Detektorplatine befinden sich Low-Noise-Regler, ADC und Transimpedanzverstärker; Abschirmband um den Verstärker ist für geringes Rauschen wichtig
- Der Spalt wurde zunächst mit einer Rasierklinge gebaut; da bei größerem Abstand zur Photodiode der Lichtstrom bei großen Einfallswinkeln stark abnimmt, wurde er später durch zwei direkt auf das Frontfenster geklebte schwarze Klebestreifen ersetzt
Leistungsprüfung
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Kalibrierlichtquelle
- Benötigt wird eine Lichtquelle mit bekannter Wellenlänge und Linienbreite; für grobe Ausrichtung wurde ein grüner 505-nm-Laserpointer verwendet (2. Beugungsordnung entspricht demselben Winkel wie 1010 nm in 1. Ordnung)
- Quecksilberlampen und Argon-Neon-Kalibrierlampen sind nach Newport-Maßstab mit etwa 300 Dollar teuer; Gas-Spektralröhren benötigen eine Hochspannungsversorgung
- Eine Schreibtisch-Leuchtstofflampe erwies sich als perfekte Kalibrierlichtquelle, allerdings muss es eine Leuchtstoffröhre sein; LED- und Glühlampen funktionieren nicht
- In Leuchtstofflampen emittieren Quecksilberdampf und Inertgas ultraviolettes Licht, das ein Phosphor in sichtbares Licht umwandelt
- Neutrales Quecksilber besitzt Emissionslinien bei 436, 543, 546, 1014, 1357, 1367 und 1530 nm; die letzten vier sind für die Nahinfrarot-Kalibrierung nützlich
- Die Schreibtischlampe enthält außerdem Argongas und liefert viele Emissionslinien im Bereich 800–1000 nm
- Durch Identifizieren der Linien im Spektrum wird die Zuordnung zwischen Position und Wellenlänge bestimmt und per Interpolation verbunden; die Zylinderlinse wurde so ausgerichtet, dass der 1014-nm-Peak am schärfsten ist (FWHM ~3 nm)
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Korrektur der spektralen Antwort
- Die Signal-Amplitude pro Lichtmenge bei jeder Wellenlänge (spektrale Antwortfunktion) wird kalibriert; ein Fehler von 10 % im absoluten Signal ist für Reflexions- und Transmissionsmessungen unproblematisch
- Eine für 10 Dollar im lokalen Baumarkt gekaufte Quarz-Halogenlampe wurde als Schwarzkörper-Lichtquelle mit 3200 K angenommen, um die spektrale Antwort zu kalibrieren
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Transmissionsmessung
- Separat wurde bei eBay ein Faser-Illuminator für 70 Dollar gekauft und eine Mini-Testbank zur Messung von Transmissionsspektren von Filtern und Kristallen gebaut
- Erzeugt einen weißen Strahl mit Divergenzwinkel von ca. 2° und einstellbarem Strahldurchmesser von ca. 0,5 mm bis 1 cm, der auf der Gegenseite mit einem Faser-Kollimator gesammelt wird
- Ein 790-nm-Longpass-Filter vor dem Kollimator blockiert Störungen durch die 2. Beugungsordnung von sichtbarem Licht
- Messbar sind nur flache Proben ohne optische Brechkraft; Elemente wie Linsen, die die Strahlform verändern, liefern ungenaue Ergebnisse
- Transmissionskurve eines Nd:YAG-Kristalls (2×2×10 mm, 1 % Dotierung) gemessen; beobachtet wurden der Hintergrund durch Grenzflächenreflexionen und Absorptionspeaks von Nd:YAG
- Das beim Diodenpumpen am häufigsten verwendete Licht bei 808 nm wird fast vollständig absorbiert
- Separat wurde bei eBay ein Faser-Illuminator für 70 Dollar gekauft und eine Mini-Testbank zur Messung von Transmissionsspektren von Filtern und Kristallen gebaut
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Fluoreszenzmessung und Dynamikbereich
- Mit einer 808-nm-Pumpdiode (etwa 100 mW) wurde das Fluoreszenzspektrum gemessen und auf einer logarithmischen Skala dargestellt
- Der stärkste Peak liegt bei 1064 nm; daneben sind auch Emissionslinien bei 946, 1116, 1319, 1338, 1357, 1414, 1431 und 1444 nm deutlich zu sehen
- In dieser Einstellung (Gain 16, Zeitkonstante 1/8,33 Hz) beträgt das maximale Messsignal 800 pA, der Noise Floor etwa 0,2 pA, entsprechend einem Dynamikbereich von 4.000:1 (72 dB)
- Mit größerer Zeitkonstante und kleinerem Gain ist eine Verbesserung auf 100.000:1 möglich
1 Kommentare
Kommentare auf Hacker News
Dieser Artikel und das Projekt sind ziemlich beeindruckend, weil sie von der Person stammen, die Supraleitung in Twisted Bilayer Graphene entdeckt hat
Allein dass man ein Gerät für normalerweise 10.000 Dollar für 500 Dollar bauen kann, ist schon interessant
Ein wirklich großartiges Projekt. Ich hatte versucht, ein DIY-Raman-Spektrometer zu bauen; das geht sogar für unter 100 Dollar [1], aber Nahinfrarot-Spektroskopie eröffnet definitiv mehr Möglichkeiten
Ich bin kein Wissenschaftler, aber mir gefällt die Idee, Zugang zu solchen Werkzeugen zu haben. Soweit ich es verstehe, ist Raman-Spektroskopie auf asymmetrische kristalline Moleküle beschränkt, sodass man zum Beispiel bei Salz nur schwer eine brauchbare Reflexion für eine Auswertung bekommt
Korrektur: Nahinfrarot ist komplementär. „Bei Molekülen mit symmetrischen Streckschwingungen sind Raman-aktive Schwingungen im Infrarot nicht sichtbar, und bei Molekülen mit asymmetrischen Streckschwingungen sind IR-aktive Schwingungen im Raman-Spektrum nicht sichtbar. Das nennt man das Prinzip der gegenseitigen Ausschließung, und es macht NIR- und Raman-Spektroskopie zu komplementären Techniken“ [2]
Was ich wirklich wissen möchte, ist, ob man Phthalate in Kunststoffen oder Schwermetalle wie Cadmium in Metallprodukten nachweisen kann. Nach Gesprächen mit erfahrenen Leuten ist es wohl letztlich richtig, solche Dinge ins Labor zu schicken und GC/MS machen zu lassen, aber ich würde trotzdem gern sehen, ob man mehrere Raman- oder Nahinfrarot-Spektrometer für Apotheken in der Dritten Welt bauen kann. Gefälschte Medikamente sind dort ein reales Problem, und das muss nicht so bleiben
[1] https://www.hackteria.org/wiki/images/a/a0/MobPhone_RamanSpe...
[2] https://www.labmate-online.com/news/mass-spectrometry-and-sp...
Laser (40 $): https://a.co/d/0wjNGBz
Beugungsgitter (12 $): https://a.co/d/6bpO8xm
Laser-Fokussierlinse: nicht gefunden
Linse zum Sammeln der Fluoreszenz: nicht gefunden
Fokussierlinse: nicht gefunden
Kollimationslinse: nicht gefunden
Die Kosten ergeben sich zu einem großen Teil aus dem vorgesehenen Einsatz. Leistungsgarantien bedeuten Verantwortung für Designfehler, und wissenschaftliche Geräte müssen für ihren Zweck sehr konsistent sein
Es gibt kaum Anbieter, die optische Sensoren für Hobbyzwecke bauen. Als ich nach Projekten suchte, die Laser benötigen, blieben nur die Optionen, aufzugeben oder bei eBay einen Sensor aus den späten 1980ern für 4000 Dollar zu kaufen und ein Gerät ohne Software und ohne proprietäres Kabel rückzuentwickeln. Eine USB-Version aus den frühen 2000ern kostete ohne Software ebenfalls 10.000 Dollar, ganz zu schweigen vom neuen USB3-Modell für 50.000 Dollar
Optische Geräte sind absurd teuer, und selbst für anspruchsvolle Arbeit braucht man manchmal nur Basiswerkzeuge
Flir-Geräte waren militärische Ausrüstung, aber heute kann man günstige chinesische Modelle ohne US-Exportbeschränkungen als Handy-Dongles für ein paar Hundert Dollar kaufen und damit überhitzende Bauteile auf einer PCB oder schlecht gedämmte Stellen im Haus sehen
Flüssigkeiten auf einer präzisen Temperatur zu halten, war früher Laborarbeit, aber heute kann man einen Sous-vide-Garer für 50 Dollar kaufen. Auch medizinische Geräte wie Pulsoximeter sind inzwischen auf etwa 1 Dollar bzw. 1 Euro gefallen
Wenn die Preise sinken, finden mehr Menschen mehr Anwendungen, mehr Unternehmen bauen solche Produkte, und dadurch entsteht ein Kreislauf, der die Preise weiter senkt
Die zentrale Umsetzung zur Kostensenkung besteht darin, statt eines teuren InGaAs-Sensorarrays eine einzelne Fotodiode auf einen Motor zu setzen und den Raum physisch abzuscannen
In früheren Arbeiten habe ich industrielle und wissenschaftliche Infrarot-Spektrometer verwendet, die über 100.000 Dollar kosteten. Die Empfindlichkeit der physischen Hardware ist wichtig, besonders in der Grundlagenforschung, aber darüber, ob etwas tatsächlich nutzbar ist, entscheidet oft die Software. Moderne Spektrometer-Software enthält fortgeschrittene Signalverarbeitung und Machine Learning
Ich wünschte, es gäbe mehr Grundlagenforschungs-Communities, in denen Amateure beitragen können, jenseits von akademischen Einrichtungen und staatlichen Förderstellen
So wie Amateur-Astronomievereine: Amateurastronomen leisten in ihrem Feld weiterhin breite Beiträge. Es wäre schön, wenn sie in größerem Maßstab und auf wichtigere Weise beitragen könnten. Ich würde gern mehr Beiträge von Amateurwissenschaftlern auf HN sehen
Daneben gibt es die Society for Astronomical Sciences, die ein breiteres Spektrum abdeckt und einen gewissen Fokus auf Ausrüstung hat, das Center for Backyard Astrophysics, das auf bestimmte veränderliche Sterne spezialisiert ist, sowie die International Occultation and Timing Association, die Bedeckungen von Sternen durch Asteroiden beobachtet, um deren Form abzuschätzen. In den meisten Ländern gibt es ähnliche Organisationen
Innerhalb der SAS gibt es eine Gruppe, die den automatisierten optischen Spektrographen FlexSpec 1 für die Astronomie baut (https://flexspec1.readthedocs.io/en/latest/). Die Teile kosten etwa 500 Dollar, vergleichbare Geräte werden für ungefähr 3000 Dollar verkauft
Gutes Projekt. Bei Bedarf kann man parallel zum Verstärkungs-Einstellwiderstand Rf einen Kondensator Cf mit niedriger dielektrischer Absorption einsetzen, um das Rauschen stärker zu mitteln.
Wenn Netzfrequenzrauschen weiterhin ein Problem ist, lässt sich auch das behandeln. Eine weitere Verbesserung wäre, ein optisches Chopper-Rad hinzuzufügen, um das 1/f-Rauschen des Gesamtsystems anzugehen. Der Nachteil ist, dass eine höhere Abtastrate nötig ist und anschließend extern demoduliert und gefiltert werden muss. Außerdem ist Cf auf höhere Frequenzen begrenzt.
Es gibt ein ähnliches Projekt, bei dem eine einzelne Fotodiode in eine Art Lochkamera gesetzt wurde: https://hackaday.com/2016/05/18/using-missile-tech-to-see-li...
Wenn man das hier, DIY-Radioteleskope und sogar Wi-Fi-Radar betrachtet, könnte es irgendwann vielleicht wirklich einen Tricorder geben.
Wenn man nicht warten will, bis die Inhaltsanimation fertig ist, geht es so:
javascript:document.querySelectorAll(".animate-box").forEach(e => { e.classList.remove('animate-box') })Sehr schön, aber ein erheblicher Teil dieser 10.000 Dollar dürfte aus Zertifizierungskosten bestehen, die man per DIY nicht bekommt. Für Hobbyzwecke großartig, aber man wird es nicht mit 9.500 Dollar Gewinnaufschlag verkaufen können.
Man zahlt möglicherweise für viele Dinge des Geschäftsbetriebs, die ein einzelner DIY-Bauer nicht braucht. Außerdem kaufen viele Forschende Geräte mit Forschungsgeldern, sodass sie je nach Situation weniger preissensibel sein können.
Ich bezweifle nicht, dass kommerzielle Produkte vorkalibriert und zertifiziert sind, aber ich wäre ziemlich überrascht, wenn genau diese Zertifizierung und Kalibrierung tatsächlich rund 9.000 Dollar kosten würden.
Unternehmen entscheiden jeden Tag, ob sie selbst bauen oder kaufen. Dieser Beitrag zeigt, dass man mit dem Wissen und den Fähigkeiten, die von den meisten verantwortlichen Forschenden erwartet werden, Geräte bauen und validieren kann.
Wenn ich Laborleiter wäre, würde ich mir Leute wünschen, die, wenn es sinnvoll ist, die Option des Eigenbaus prüfen können. So kann man das System integrieren und die Validierung auf die eigenen Anforderungen zuschneiden. Das wird dann zum Ausgangsmaterial für eigenes geistiges Eigentum und Karriereentwicklung.
Eine Zeit lang wird er funktionieren, aber wenn Probleme auftreten, ist die Wartung schwierig, und die Software dürfte auch nicht besonders ausgereift sein. Beim Verkauf eines kommerziellen Spektrometers fallen viele Kosten an, die nicht in der Stückliste stehen.
Wenn man es selbst bauen möchte, ist das großartig, aber selbst sichtbare Spektrometer auf Basis eines einzelnen Sensors mit günstigen Bauteilen bekommt man nicht zu einem Preis, der nahe an der Summe der Teilekosten liegt.