автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптические спектрометры с многоэлементными фотоприемниками

На правах рукописи

Ухов Андрей Александрович

ОПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРОМЕТРЫ С МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ ФОТОПРИЕМНИКАМИ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

Автореферат _ у ^^ ^

Диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

005563051

Санкт-Петербург - 2015

005563051

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПБГЭТУ «ЛЭТИ») на кафедре электронных приборов и устройств.

Официальные оппоненты:

Каргин Николай Иванович доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, начальник управления перспективных исследований, и. о. проректора по инновационной работе института функциональной ядерной электроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Московский инженерно-физический институт)

Яськов Андрей Дмитриевич доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Горбунов Георгий Георгиевич доктор технических наук, главный научный сотрудник АО «Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова»

Ведущая организация - ОАО «ЦНИИ «Электрон», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «22» декабря 2015 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.238.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и на сайте www.eltech.ru

Автореферат разослан «21» сентября 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.08 к. т. н., доцент

Смирнов Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена исследованию принципов построения одно- и многоканальных оптико-элеюронных спектральных приборов на базе многоэлементных фотоприемников, и методам работы с полученными сигналами. Представленные решения позволяют оптимизировать весь набор технических характеристик спектральных приборов с учетом особенностей построения и использования многоэлементных фотоприемников при решении конкретной задачи в соответствующей области, как, например, в колориметрии, эмиссионном спектральном анализе и т.д. В работе обобщены результаты, полученные лично автором, либо с его непосредственным участием в период с 1989 по 2015 год в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ).

Области применения разработок охватывают анализ металлов и сплавов, исследование параметров источников излучения, измерение параметров тонких пленок и другие направления, активно используемые в научных исследованиях и на производстве. Результаты многолетних исследований позволили разработать и создать целую гамму новых оригинальных приборов - около двадцати различных типов малогабаритных и эмиссионных спектрометров с многоэлементными фотоприемниками, успешно используемых в научных организациях и на производственных предприятиях.

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 спеюрального 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 ¡пСаАв 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:

1. Разработка методов и поиск путей повышения динамического диапазона многоэлементных фотоприемников, применяемых в оптических спектрометрах. Разработка технологии модификации фотоприемников на основе проведенных исследований.

2. Проведение исследований характеристик оптических спектрометров с целью выявления и последующего устранения недостатков, связанных с конструктивными особенностями многоэлементных фотоприемников.

3. Разработка методов снижения уровня шума в электронной системе регистрации оптических спектров.

4. Анализ конструкционных элементов спектрометров с многоэлементными фотоприемниками и создание технологических решений, позволяющих оптимизировать юстировку и калибровку.

5. Оптимизация конструкции модульной системы регистрации для оптических спектрометров с несколькими многоэлементными фотоприемниками.

6. 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

1. Объективная информация о реальной ширине автоматизированной спектральной щели может быть получена при измерении емкости плоского конденсатора, образованного ее ножами.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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:

1. 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;

2. Семейство различных универсальных малогабаритных спектрометров типа 183600, 18М3600 и N^1001, выпускающихся мелкосерийно и предназначенных, в том числе, для контроля параметров светодиодов;

3. Система регистрации спектрометра, предназначенного для определения концентрации полигексаметиленгуанидина в поликомпонентных дезинфицирующих средствах медицинского назначения;

4. Колориметры для парфюмерной промышленности типа СК 1А и для исследования старения бумаги;

5. Спектрометры для идентификации пород древесины «Кедр» и «Кедр-М», выпускающиеся серийно;

6. Экспериментальный прототип Рамановского спектрометра для идентификации пород древесины;

7. Системы регистрации для фотоэлектронной кассеты к спектрографам «Анализаторы атомных спектров ЦС» и первого отечественного передвижного

оптического эмиссионного спектрометра «Минилаб-СЛ»;

8. Система регистрации инфракрасного спектрального диапазона для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах;

9. Модульные системы регистрации для эмиссионных спектрометров, в том числе для модернизации эмиссионных спектрометров ЫК5001.

Основные результаты разработок и исследований внедрены в следующих отечественных научных организациях и промышленных предприятиях:

1. ГП «НИИЭФА» им. Д. В. Ефремова;

2. АО «Государственный Оптический Институт им. С.И. Вавилова» (ГОИ);

3. ПО «Маяк»;

4. ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника»;

5. «Научно-исследовательский институт командных приборов» (ФГУП НИИКП);

6. НПП «Буревестник», ОАО;

7. Учреждение Российской академии наук Институт проблем машиноведения РАН (ИПМаш РАН);

8. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН;

9. ОАО «НИИТМ»;

10. ООО «Нординкрафт-Сенсор»;

11. ООО «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:

1. I Всесоюзная НТК «Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники», Ленинград, 1989.

2. Всесоюзная НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 1990.

3. НТ-семинар «Опыт внедрения прогрессивных средств и методов размерного контроля», ЛДНТП, Ленинград, 1990.

4. II Международная НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 1994.

5. НТК с зарубежным участием «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, окт. 1995.

6. Международная НТК, «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96», Новосибирск, 1996.

7. IV международная НТК, «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 1998.

8. III международная НТК «Электроника и информатика - XXI век», Зеленоград, 2000.

9. X международная конференция «Физика диэлектриков» (Диэлектрики - 2004). СПб, 2004.

10. НТК, посвященные Дню Радио, СПб, 2008-2015.

11. НТК «Вакуумная техника и технология - 2012», СПб, 2012.

12. 11-я международная конференция «Пленки и покрытия - 2013», СПб, 2013.

13. 3-я научно-техническая школа-семинар «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире», 2013.

14. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложена краткая история развития оптической спектрометрии, создания фоточувствительных приборов с зарядовой связью и обзор типов и основных параметров спектральных приборов. Приведен анализ основных компонентов малогабаритных спектрометров, таких как дифракционная решетка, спектральная щель, оптический затвор, многоэлементный фотоприемник. На основе анализа конструкций спектральных приборов предложен наиболее оптимальный вариант малогабаритного спектрометра с многоэлементным фотоприемником и конструкционные способы снижения уровня рассеянного света внутри прибора. Также на основе анализа существующих приборов известных отечественных и мировых производителей сформулированы основные требования к отдельным элементам малогабаритного спектрометра, указаны их параметры, а также, в качестве примера, рассмотрена

конструкция разработанного автором спектрометра ISM3600B3, выпускаемого в настоящее время мелкосерийно. Поскольку в большинстве массовых малогабаритных спектрометров отечественного и зарубежного производства используются практически одни и те же многоэлементные фотоприемники и похожие по параметрам дифракционные решетки, то такие параметры приборов, такие как спектральный диапазон и разрешение отличаются незначительно. В качестве основных отличий приборов (их преимуществ), представленных в работе, от малогабаритных спектральных приборов наиболее известных мировых производителей, таких как OceanOptics и Avantes, следует отметить:

• ПЗС-фотоприемник с внешней системой термостабилизации позволил без существенного повышения стоимости прибора обеспечить параметры, соответствующие более высокому классу оборудования;

• модифицированный ПЗС-фотоприемник с подавлением интерференции в поверхностном слое позволил скорректировать спектральную характеристику прибора и увеличить динамический диапазон регистрируемых спектров;

• компактный оптический затвор позволил компенсировать темновой сигнал во всех моделях приборов, в отличие от зарубежных аналогов, в которых данная возможность предоставляется опционально;

• предварительная обработка сигнала фотоприемника непосредственно в процессе регистрации позволила увеличить динамический диапазон регистрируемых сигналов в два и более раз.

При анализе конструкции и выборе компонентов малогабаритных спектрометров учитывались области применения и потребности заказчиков, что и определило основные параметры разработанных приборов. В заключении главы сформулированы основные выводы и приведена постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке методов модификации поверхности многоэлементных фотоприемников и разработке оптических узлов малогабаритных спектрометров.

Традиционная конструкция ПЗС-фотоприемника приведена на рисунке 1. 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. При фиксированной толщине зависимость коэффициента пропускания слоя от длины волны носит периодический характер. При регистрации спектров каждый пиксель фотоприемника засвечивается монохроматическим излучением, в результате, на границе раздела двух сред с различными показателями преломления неизбежно возникает интерференция. В каждом пикселе уровень интерференционного сигнала будет отличаться от соседних, поскольку в спектральных приборах длины волн попадающего излучения непрерывно меняются по длине фотоприемника.

Интерференция вызывает значительное искажение результатов измерений (рисунок 2). Например, глубина модуляции спектрального сигнала в приборе с ПЗС-фотоприемником типа TCD1304 составляет 38.35% при амплитуде 99.04% в выбранном локальном максимуме сигнала с максимальной глубиной модуляции. В минимуме осцилляции интерференции по отношению к соседнему максимуму соотношение сигнал/шум ухудшается на 39% с 300 до 180. Расположение экстремумов осцилляции сигнала определяется толщиной и показателем преломления пленки оксида на поверхности ПЗС-фотоприемника. а также регистрируемым спектральным диапазоном. Глубина модуляции сигнала будет зависеть от спектрального разрешения прибора, в котором этот фотоприемник установлен.

Наилучшим решением данной проблемы является применение ПЗС с обратной засветкой. Однако стоимость линейных ПЗС-фотоприемников данного типа достаточно высока, что препятствует их использованию в недорогих массовых спектральных приборах.

Один из способов подавления интерференции - нанесение на облучаемую поверхность ПЗС-фотоприемника тонкого регистрации спектра лампы накаливания слоя материала, обладающего сильным рассеянием. Рассеивающие центры представляют собой сферические частицы, размеры которых малы по сравнению с длиной волны (рисунок 3).

В результате на поверхность секции накопления будет попадать рассеянное излучение, в следствие чего условие возникновения интерференции будет выполняться лишь для незначительной доли входного потока. Проведенные исследования показали, что самым подходящим материалом для такой модификации фотоприемника будет люминофор. Слой люминофора, нанесенный на поверхность секции накопления, может также увеличить ультрафиолетовую чувствительность ПЗС-фотоприемника.

Для определения параметров наносимого люминофора необходимо рассмотреть плоский слой, который равномерно облучен с одной стороны монохроматическим

Переотражение Излучение

Рисунок 1 - Упрощенная внутренняя структура ПЗС

Излучение : Люминофор

-rtXiiirroaJILaJri Рассеяние

Рисунок 3 - Структура ПЗС с люминофором

светом. Обозначим начальную освещенность через Ео. Учитывая, что часть возбуждающего излучения не поглощается в слое люминофора, а проходит сквозь него, можно записать общее выражение для люминесцентного излучения Еех в слое толщиной хв в виде:

1 (1) ЕехЫ = - y(.X)E0alxTm + Е0тех

где у (А) - это энергетический коэффициент преобразования возбуждающего излучения, равный произведению квантового отношения i?(A) на квантовый выход г;ка(Я), аех -коэффициент поглощения возбуждающего излучения, тет, тех - коэффициенты пропускания люминесцентного и возбуждающего излучений. Для анализа эффективности слоя люминофора необходимо учитывать абсолютный квантовый выход самого ПЗС-фотоприемника. С учетом этого можно выражение (1) для количества фотоэлектронов пр записать в виде:

nv(A,k,s,x0) = (^YWE0Waex(k,s,х0)тет(.к,s, х0) + E0(X)rex(k,s,x0)j (J(А) ®

где (J (Я) абсолютная квантовая эффективность ПЗС-фотоприемника, к - показатель поглощения излучения (зависит от длины волны и не зависит от размера частиц); s -показатель рассеяния излучения (зависит как от длины волны, так и от размера частиц).

Рассмотрим ситуацию, когда часть возбуждающего излучения поглощается, а часть

проходит сквозь люминофор. Для тех длин волн, где выполняется условие:

1 (3)

2Y&)aex(k,s,x0)Tem(k,s,x0)Qtt0) < тех(к,s,x0)Q(A)

коэффициент пропускания возбуждающего излучения должен быть близок к единице, откуда следует, что слой люминофора должен быть как можно тоньше. Показатель рассеяния s прямо пропорционален площади поперечного сечения частиц в единице объема. В результате при увеличении количества мелких частиц увеличивается и показатель рассеяния. Проведенные исследования позволили сформулировать критерии и выбрать подходящий люминофор. Выбранный люминофор К-77 был осажден на поверхность ПЗС-фотоприемника типа TCD1304AP фирмы Toshiba. Нанесение люминофора не повлияло на разрешающую способность спектрометра и полностью устранило волнистость спектральной характеристики спектрометра (рисунок 4). Шумы, возникающие при регистрации спектра лампы накаливания, объясняются наличием инородных частиц в использованном люминофоре.

Убрать пленку окисла с поверхности фотоприемника невозможно. С другой стороны, увеличение толщины поверхностного слоя в фотоприемнике приведет к увеличению количества экстремумов. Если значение толщины поверхностного слоя будет таким, что расстояние между соседними интерференционными экстремумами станет меньше разрешения прибора, то это приведет к полному устранению интерференционной картины в сигнале фотоприемника.

Рисунок 4 - Спектр лампы накаливания - ПЗС-фотоприемник с люминофором

Нанесение дополнительного покрытия на поверхность ПЗС-фотоприемника позволило полностью устранить интерференционную волнистость

спектральной характеристики спектрометра (рисунок 5). В качестве дополнительного покрытия можно использовать УФ-прозрачный компаунд с показателем преломления близким к оксиду кремния, например, клей УФ-215 производства АО «ГОИ им. С.И. Вавилова».

В спектрометре с вогнутой дифракционной решеткой фокусировка осуществляется на круге Роуланда. В качестве регистрирующего элемента в спектрометрах с подобной оптической схемой, как правило, используется многоэлементные фотоприемники с плоской поверхностью и, следовательно, наилучшая фокусировка может быть обеспечена не более чем в двух точках. На всей остальной поверхности фотоприемника фокусировка ухудшается, что приводит к снижению реального спектрального разрешения прибора по сравнению с теоретически возможным.

Для малогабаритного спектрометра уширение спектральных линий / в центре по сравнению с точно сфокусированными линиями на краях фотоприемника может быть вычислено по выражению:

Рисунок 5 - Спектр лампы накаливания - ПЗС-фотоприемник с покрытием

еЬ , -о™ cos тг — ~ arccos

где а - расстояние от центра дифракционной решетки до круга Роуланда; Ъ - длина чувствительной зоны фотоприемника; е - ширина дифракционной решетки. Численное значение максимального уширения, вычисленное для оптической схемы, имеющей дифракционную решетку с шириной штрихованной секции 10 мм, диаметром круга Роуланда 125 мм и фотоприемником с длиной фоточувствительной зоны 27 мм составило 58 мкм, что при ширине пикселей наиболее распространенных многоэлементных ПЗС-фотоприемников 8-14 мкм означает уширение на 4-7 пикселей. Снизить данный эффект можно, если обеспечить фокусировку в точках на расстоянии 1/3 и 2/3 от ширины фотоприемника, тогда при тех же исходных данных уширение составляет 6 мкм. Для полного преодоления данного недостатка предлагается смонтировать волоконно-

оптическую пластину специальной конструкции на поверхности многоэлементного фотоприемника. В таких пластинах отдельные световоды имеют светоизолирующие оболочки, благодаря которым обеспечивается сохранение геометрии при передаче излучения от одного торца пластины к другому, поскольку оптическое излучение не может проникнуть в соседние световоды. Волоконно-оптическая пластина, монтируемая на многоэлементный фотоприемник, должна быть плоской с одного торца, а другой торец должен быть вогнут по радиусу круга Роуланда (рисунок 6).

При такой конструкции волоконно-оптической пластины, при условии расположения поверхности входного торца непосредственно по кругу Роуланда, спектр будет иметь наилучшую фокусировку по всей поверхности вогнутого торца пластины. Таким образом, становится возможным обеспечить наилучшую фокусировку регистрируемого спектра по всей длине многоэлементного

фотоприемника.

Разрешение оптического

спектрометра определяется параметрами дифракционной решетки и шириной входной щели. В большинстве малогабаритных спектрометров щель является несъемной, и ее замена невозможна, либо требует участия квалифицированного специалиста и сопряжена с повторной юстировкой прибора. Оснащение малогабаритных спектрометров регулируемой спектральной щелью позволяет существенно повысить удобство эксплуатации приборов. Регулировка ширины щели требует специализированного исполнительного механизма, дороговизна и сложность изготовления которого может свести на нет преимущества такого устройства. Поскольку диапазон перемещений ножей достаточно мал, и не превышает 0,1 мм, для управления их положением используются магниты (рисунок 7). На подвижных пластинах (держателях ножей) закреплены постоянные магниты, обращенные друг к другу одноименными полюсами. Благодаря взаимному отталкиванию магнитов пластины расходятся на максимально возможное расстояние для обеспечения заданного зазора между ножами, и упираются в ограничители. Для перемещения пластин используются дополнительные электромагниты. При пропускании тока через катушку индуктивности возникает электромагнитное поле, и, если его силовые линии направлены навстречу силовым линиям постоянного магнита, оно отталкивает этот магнит. Соседний постоянный магнит действует в качестве пружины, отталкивая его в противоположную сторону. Диапазон перемещения пластины будет зависеть от соотношения напряженности магнитных полей постоянного магнита и электромагнита, и определяться силой тока, протекающего через

Т

Фотоприемник

Круг Роуланда

Область

регистрации

спектра

Волоконно-оптическая пластина Рисунок б - Конструкция волоконно-оптической пластины

катушку электромагнита. В зависимости от силы трения подвижные части могут перемещаться на разное расстояние при одном и том же токе электромагнита. Следовательно, для точной установки требуется информация о реальной ширине щели, и это значение будет являться сигналом обратной связи при регулировании тока через катушку электромагнита.

Магниты

Ножи спектральной щели

.,/!...................

\ ~ ЧГ"

пя

ш *

....... V

\ !| у

Перемещение ножей

г? - ■ -

...

Г

1

О

Входное излучение

Электромагниты

Рисунок 7 - Конструкция механизма регулировки ширины спектральной щели Для измерения ширины щели используется емкостной принцип (рисунок 8) как наиболее удобный, поскольку в щели имеются две электропроводные пластины (металлические ножи), которые играют роль обкладок конденсатора.

При изменении расстояния между обкладками планарного конденсатора меняется его емкость. Измерение значения емкости позволяет определить реальную ширину щели. Использование метода конформных отображений позволяет привести планарный конденсатор к эквивалентному плоскому. Для расчета планарных структур используется полный эллиптический интеграл первого рода и модуль эллиптического интеграла, соответствующий конфигурации конденсатора. Емкость таких структур рассчитывается по следующей формуле:

(5)

2 К(к)

где £0 - электрическая постоянная; ег - диэлектрическая проницаемость среды, в которой сосредоточено поле, К (к) - полный эллиптический интеграл первого рода; к - модуль эллиптического интеграла; к' = VI — к2.

Итоговая емкость на единицу длины конденсатора с обкладками,

расположенными на диэлектрической подложке, вычисляется как сумма двух емкостей -емкость ножей, окруженных воздухом, и емкость ножей, частично находящихся на

Емкость С плоского конденсатора меняется пои изменении ширины щели

Рисунок 8 - Емкостной принцип измерения ширины щели

диэлектрическом основании. Для ножей, окруженных воздухом, модуль эллиптического интеграла вычисляется как отношение ширины щели к сумме ширины ножей и щели.

Реальная ширина щели меняется в диапазоне от 10 мкм (минимальная ширина щели для малогабаритного спектрометра) до 100 мкм, при этом расстояние между диэлектрическими основаниями ножей 12 превышает 1 мм. Поскольку « 1г можно утверждать, что вклад составляющей емкости части ножей на стеклотекстолите в общую емкость будет незначительным, и им при расчетах можно пренебречь. Полный эллиптический интеграл первого рода может быть представлен в виде степенного ряда. Итоговое выражение для емкости ножей спектральной щели длинной и>, с учетом того, что £г = 1:

Шаг установки ширины регулируемой спектральной щели лабораторных приборов, как правило, составляет 1 мкм, что подразумевает точность установки 1% в диапазоне до 100 мкм. Значение модуля эллиптического интеграла к, исходя из заданных геометрических размеров щели находится в диапазоне 0,0099 - 0,00099. При таких исходных условиях количество членов ряда в

(6) может быть ограничено двенадцатью, поскольку этот и последующие члены имеют значение менее 10"7 от полного значения вычисляемого ряда, что достаточно для вычисления значения емкости с требуемой точностью. Расчеты емкости для ширины щели 100 мкм, ширины ножей 500 мкм и высоты ножей 40 мм дали результат 0,613689 пФ. Уменьшение ширины щели на 1 мкм дал результат 0,614186 пФ (497 аФ на 1 мкм). При минимальной ширине щели 10 мкм расчетное значение емкости составило 0,644951 пФ, а при увеличении до 11 мкм 0,644856 рБ (95 аФ на 1 мкм). Современные микросхемы преобразования емкости в цифровой код имеют разрешение единицы аФ (например, АБ7745 имеет разрешение 4 аФ), что позволяет измерить ширину щели с точностью не хуже 1 мкм. Для компенсации влияния окружающей среды перед началом работы щель устанавливается в крайние положения и производится измерение соответствующих емкостей. Измеренные значения используются для калибровки системы измерения ширины щели. Таким образом, измеряя емкость между двумя планарными обкладками конденсатора, образованного двумя частями спектральной щели, можно измерить её фактическую ширину. Разработанное устройство, а также принцип измерения взаимного расположения объектов и измерения емкости защищены российскими и международными патентами.

Точность изготовления деталей и их неизбежный износ в процессе эксплуатации не повлияют на результат установки ширины спектральной щели. Простота конструкции и отсутствие прецизионных деталей позволяют оснастить подобным механизмом малогабаритные спектрометры без заметного увеличения их стоимости.

После начальной юстировки и калибровки спектрометров с вогнутыми дифракционными решетками происходит постепенный уход положения спектральных линий на фотоприемнике (фотоприемниках) от их положения при первоначальной калибровке. Данная проблема особенно актуальна для приборов с достаточно большим радиусом круга Роуланда. Для устранения данного недостатка была разработана конструкция устройства, использующая нулевой порядок дифракции, поскольку он не попадает на регистрирующий фотоприемник, но при этом смещается в пространстве синхронно со смещением основного спектрального сигнала. Регистрация положения нулевого порядка осуществляется с помощью двухплощадочного фотодиода, который расположен в спектрометре таким образом, чтобы засветка от нулевого порядка попадала на обе площадки примерно в равных долях (рисунок 9).

Изменение-"' положения дифракционной решетки

""--Двухплощадочный фотодиод

Нулевой порядок

Рисунок 9 - Двухплощадочный фотодиод в зоне засветки от нулевого порядка

При попадании засветки нулевого порядка на фотодиоды на выходе их усилителей генерируется сигнал, пропорциональный энергии, падающей на каждый фотодиод. Сигналы с выходов усилителей переводятся в цифровую форму и передаются в управляющий микроконтроллер, который вычисляет отношение этих сигналов для настроенного и откалиброванного спектрометра. В дальнейшем, при каждой регистрации спектра, производится текущее измерение соотношения сигналов с двухплощадочного фотодиода. При отклонении этого соотношения в ту или иную сторону производится алгоритмическая коррекция калибровки прибора (сдвиг шкалы длин волн регистрируемого спектра).

Оптическая схема подавляющего большинства приборов настраивается вручную, путём трудоёмкого итерационного процесса последовательной регулировки элементов оптической схемы и контроля контура эталонных спектральных линий, регистрируемых ПЗС-фотоприемником. Точность настройки определяется визуальным контролем отклика прибора на излучение эталонного источника, например, ртутной лампы. Результаты настройки зависят от квалификации и опытности специалиста-оптика. В процессе настройки при использовании, например, ртутной лампы в качестве эталонного источника, невозможно оценить качество фокусировки в инфракрасной области спектра, поскольку ртутные ИК линии излучения находятся за пределами чувствительности кремниевых фотоприемников. Также невозможно без анализа взаимного положения всех линий или применения отрезающего оптического фильтра, идентифицировать по зарегистрированному сигналу конкретную спектральную линию в излучении лампы. Для

оптимизации процесса настройки оптической схемы спектрометра был разработан управляемый источник излучения с набором термостатированных светодиодов на длины волн от 390 нм до 940 нм и индивидуальным управлением интенсивностью излучения каждого светодиода. Пики излучения светодиодов значительно шире, чем линии газоразрядных ламп. Точность определения ширины пика, как известно из теории статистики, зависит от количества отсчетов, участвующих в вычислении, поскольку среднеквадратичное отклонение измеренной ширины обратно пропорционально корню квадратному из количества отсчетов в пике. Таким образом ширину пика излучения светодиода можно измерить с большей точностью, нежели ширину узкого пика газоразрядной лампы. При первичной настройке оптической схемы использование управляемого источника излучения с выбираемым пиком известной длинны волны позволяет точно установить требуемый спектральный диапазон. Контроль качества фокусировки осуществляется по ширине пика на половине высоты (рисунок 10). Ширина пика вычисляется автоматически, и в процессе

Таким образом, в процессе юстировки спектрометра можно достаточно быстро добиться минимальной ширины пика, основываясь на объективных результатах измерений. При

«классическом» методе юстировки минимальная ширина спектральной линии определяется, как правило, визуально, что не дает полной уверенности в достижении наилучшего положения оптических элементов при фокусировке прибора. При этом необходимо отметить, что данная процедура проводится исключительно для юстировки прибора, а его калибровка по длинам волн должна осуществляться с использованием источника излучения с линейчатым спектром и известными и не зависящими от внешних факторов спектральными линиями.

В третьей главе рассматриваются особенности конструирования электронных блоков оптических спектрометров. Основное внимание уделено методам снижения шумов и повышения динамического диапазона выходного сигнала ПЗС-фотоприемников.

Среднеквадратическое значение шумов nN (число шумовых электронов) на выходе ПЗС-фотоприемника определяется как:

nN = Jnp + n2DC + n\R + n20UT + n2RST + n2CLK + n2c

где nP - фотонные шумы; nDC - шумы темнового тока; nTR - шумы переноса зарядового пакета; поит - шум выходного узла детектирования заряда; nRST - шум сброса выходного транзистора (КТС-шум); nCLK - шум от тактирования ПЗС-фотоприемника; па -

настройки отображается на дисплее ПК.

Рисунок 10 - Форма спектра светодиода в процессе юстировки прибора

геометрический шум. Такие шумовые составляющие, как nRST, nCLK и пв были успешно снижены описываемыми далее методами.

Выходной узел ПЗС-фотоприемника представляет собой транзистор с плавающим затвором. После сброса очередного заряда из-под плавающего затвора в выходном сигнале присутствует КТС-шум, который зависит от остаточного заряда, температуры и емкости плавающего затвора. КТС-шум может быть устранен с помощью двойной коррелированной выборки (ДКВ), применяемой практически во всех устройствах с ПЗС-фотоприемниками. Для этого в ДКВ с помощью управляющих импульсов после сброса зарядового пакета производится фиксирование на конденсаторе уровня нуля, затем производится выборка сигнала на другом конденсаторе. Разница напряжений сигнала и нуля позволяет получить амплитуду полезного сигнала ПЗС-фотоприемника. Использование микропроцессоров в системе регистрации позволило создать цифровую двойную коррелированную выборку. При этом для каждого пикселя производятся операции аналогичные аналоговой ДКВ, но в цифровой форме.

Выходной сигнал некоторых популярных линейных ПЗС-фотоприемников (например, TCD1304 производства фирмы «Toshiba») не имеет уровня нуля для каждого пикселя. Совместно с такими ПЗС-фотоприемниками аналоговая ДКВ не может быть использована, поскольку за время регистрации всех пикселей уровень напряжения нуля на запоминающем конденсаторе, полученный с первого, закрытого от внешнего излучения пикселя, изменится вследствие неизбежных утечек.

Использование нескольких значений сигнала каждого пикселя позволяет провести цифровую обработку для снижения уровня шумов тактирования. Итоговое значение амплитуды сигнала пикселя Us вычисляется как среднее арифметическое всех оцифровок одного пикселя за вычетом уровня сброса (рисунок 11). Уровень сброса, в зависимости от типа ПЗС может регистрироваться для каждого пикселя, либо, если это невозможно, может быть использован уровень сигнала с первого затемненного пикселя. В таблице 1 представлены результаты измерения амплитуды шумовой составляющей для различного количества оцифровок одного пикселя с последующим усреднением.

Таблица 1 - Уровень шума при различном количестве оцифровок

Количество оцифровок пикселя 1 3 4 5

Среднее значение /max-min.% 0,33 0,24 0,23 0,21

Среднее значение шумовой составляющей 0,21 %, полученное в результате дополнительного усреднения по пяти оцифровкам означает повышение динамического диапазона (отношения максимального полезного сигнала к уровню шума) с паспортных 300 до 476, т. е. его увеличение более чем в 1.5 раза. Дальнейшее увеличение количества

п

£ 8 5 ГЭЫХОДгН

......1.1_паснфи

Us

Выходной сигнал

_П_П

Т

Ццммы

:фйтоприемника

Импульс выборки уровня нуля

Импульс выборки сигнала

Рисунок 7 - Многократная оцифровка пикселей

выборок в массиве, ввиду ограниченного времени регистрации сигнала одного пикселя возможно только за счет добавления отсчетов соседних пикселей к текущему значению. В этом случае уровень сигнала каждого пикселя будет представлять собой среднее из сигналов нескольких соседних пикселей, что может привести к искажению формы линий линейчатых спектров (уширению и снижению амплитуды). В малогабаритных приборах на одну разрешаемую спектральную линию, как правило, приходится не менее 5-6 пикселей фотоприемника. В этом случае, без ущерба для разрешения, можно проводить усреднение максимум по двум соседним пикселям. Для широко используемых в малогабаритных спектрометрах ПЗС-фотоприемниках типа ТСБ1304 также характерно некоторое отличие значений сигналов четных и нечетных пикселей вследствие двухрядной организации системы считывания. Небольшое различие геометрических размеров элементов ПЗС кристалла в двух секциях переноса приводит к возникновению геометрического шума, а усреднение по соседним пикселям позволяет его снизить. Вычисление простого скользящего среднего по восьми последним отсчетам при четырех отсчетах на пиксель (усреднение по двум соседним пикселям) дает среднее значение уровня шума 0,17 % что означает повышение динамического диапазона до 588, т.е. практически в два раза по сравнению с паспортным значением для данного ПЗС-фотоприемника. При этом дополнительно уменьшается геометрический шум, но спектральное разрешение прибора не снижается.

Одно из популярных применений малогабаритных спектрометров - исследование параметров источников излучения, таких как светодиоды, для которых спектральное разрешение для вычисления колориметрических параметров должно быть не менее 10 нм. В этом случае усреднение может проводиться, например, по 8 соседним пикселям при вычислении простого скользящего среднего по 32 отсчетам, при 4 отсчетах на пиксель. Для ускорения вычислений для каждого пикселя отсчеты суммируются и сохраняются, что позволяет проводить суммирование не всех 32 отсчетов для каждого пикселя, а только 4 текущих и 7 предварительно вычисленных значений. В результате удалось получить среднее значение уровня шума 0,08 %, что означает повышение динамического диапазона до 1250, т.е. в 4 раза по сравнению с паспортным значением. При этом в полном спектральном диапазоне 200-1000 нм разрешение будет не хуже 5 нм. Необходимо отметить, что данная статистическая обработка производится в реальном масштабе времени, когда все вычисления должны быть проведены в течение 1-2 мкс на пиксель, что не позволяет применить более сложные и ресурсоемкие методы обработки сигналов.

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 ррш) предъявляет высокие требования к динамическому диапазону сигнала. Без статистической обработки сигнала решить данную задачу не представляется возможным, поскольку типичные многоэлементные ЬЮаАв фотоприемники имеют динамический

диапазон порядка 2000, что явно недостаточно. Использование описанной ранее методики многократной оцифровки каждого пикселя позволило решить поставленную задачу. Вычисление скользящего среднего по 16 значениям при 4 отсчетах на пиксель, при времени интегрирования 0,2 мс и дополнительном усреднении по 100 кадрам, позволило получить динамический диапазон 21800, что в 10 раз больше паспортного значения. При дальнейшем увеличении числа кадров усреднения и общем времени измерения 1 с, удалось обеспечить необходимые параметры спектрального прибора и решить поставленную задачу.

Необходимость снижения затрат на разработку электронных систем регистрации привела к появлению ПЗС-фотоприемников, у которых формирователи управляющих сигналов расположены непосредственно на кристалле. В результате динамический диапазон новых недорогих ПЗС-фотоприемников существенно снизился. Например, у популярных линейных ПЗС-фотоприемников TCD1304 производства фирмы Toshiba этот параметр составляет всего 300, а у ILX511 производства Sony - 267. Проведенные исследования показали, что причиной увеличения уровня шумов в ПЗС с упрощенной схемой управления, является наличие цифровых генераторов и формирователей управляющих сигналов рядом с аналоговыми элементами структуры ПЗС-фотоприемника. В результате помехи от тактовых импульсов через внутренние емкостные связи проникают в выходной сигнал ПЗС-фотоприемника. Для снижения уровня помех частотная полоса тактовых импульсов была ограничена путем добавления RC фильтра низкой частоты в рекомендованную схему включения.

Проведенные исследования показали, что наблюдается явный минимум уровня шумов при номиналах элементов RC фильтра 10 Ом и 39 пФ на уровне 0.30%, что соответствует увеличению динамического диапазона на 10% до 330. Таким образом, Фильтрация тактирующих импульсов ПЗС фотоприемника с ограничением спектрального состава сигналов на уровне, не выше сотой гармоники базовой частоты тактирования, позволила повысить динамический диапазон выходного сигнала ПЗС фотоприемника не менее чем на 10%.

Приборы для эмиссионного спектрального анализа должны иметь широкий спектральный диапазон, высокую разрешающую способность и малое время регистрации. Для удовлетворения данным требованиям используются многоканальные системы регистрации, поскольку одного многоэлементного фотоприемника оказывается недостаточно. В разработанной модульной системе регистрации для эмиссионных спектрометров, в зависимости от разрешения и спектрального диапазона прибора, может быть использовано до 32 модулей с индивидуальным управлением.

Спектральный интервал многоканального прибора расширяется в УФ область вплоть до 180-200 нм. При этом чувствительность в УФ части спектра будет значительно ниже, чем в максимуме чувствительности, при длине волны порядка 600 нм. Таким образом, для выравнивания соотношения сигнал/шум по всему спектральному диапазону необходимо, чтобы фотоприемникам в УФ области спектра, по сравнению с видимой

частью, была установлена большая чувствительность (время накопления зарядов). В многоканальной системе с несколькими ПЗС-фотоприемниками для этого используется «конвейерная» организация процесса регистрации данных (рисунок 12).

| Накопление заряда ПЗС1 (200-350 нм)

| Накопление заряда ПЗС2 (350-500 нм) _ ^ ' Регистрация <\ сигнала !; ; ПЗС2 |:

| Накопление заряда ПЗСЗ (500-650 нм) | Регистрация сигнала ПЗСЗ Регистрация сигнала ПЗС1

1 Начало регистрации излучения \*г

Рисунок 12 - Конвейерный принцип регистрации сигнала ПЗС-фотоприемников

Процесс измерения во всех ПЗС-фотоприемниках запускается одномоментно, а его окончание задается индивидуально для каждого ПЗС-фотоприемника. ПЗС-фотоприемник, имеющий минимальное время накопления, будет опрашиваться первым, а в это время процесс накопления зарядов в других ПЗС-фотоприемниках продолжится. В результате, время передачи данных в ПК с отдельных фотоприемников не изменится, но полное время процесса измерения станет существенно меньше по сравнению с ситуацией, когда вначале производится полное накопление зарядов в фотоприемниках, а лишь затем производится последовательное считывание всего массива данных.

Четвертая глава посвящена обработке данных в оптических спектрометрах с многоэлементными фотоприемниками. Практически любой современный лабораторный или промышленный спектрометр либо сопрягается с персональным компьютером (ПК), либо имеет встроенный ПК, и, соответственно, нуждается в специализированном программном обеспечении для визуализации и сохранения спектральных данных, а также для настройки, юстировки и калибровки прибора по длинам волн. Полученные от спектрометра данные являются «первичными» и необходима их обработка и соответствующая интерпретация для получения требуемой информации.

По заказу Высшей Технической Школы города Фуртвангена (Германия) была разработана аппаратура и методика измерения толщины кремниевых пластин в процессе травления. Основное назначение технологии - изготовление микромеханических устройств из кремния. Для реализации данной функции в базовое ПО был добавлен соответствующий модуль. На основании проведенных исследований была разработана методика, использующая балансный фотометрический метод, в котором производится сравнение прозрачности образца для двух длин волн, в области ближнего ИК диапазона. Выбор длин волн определяется компромиссом между требованиями минимальной дисперсии коэффициента отражения материала и высокого коэффициента поглощения а, необходимого для подавления интерференционных явлений и усиления эффекта маскировки объемных дефектов. Этим условиям для кремния удовлетворяет область длин волн 950... 1050 нм. Общая относительная погрешность измерения толщины с учетом колебаний температуры и прозрачности раствора не превышает 0,5% от начальной

толщины, что соответствует точности измерения не хуже 1 мкм для толщины мембран до 40-60 мкм.

Программа АБре^ОЮ разработана для управления последними моделями малогабаритных спектрометров, разработанных автором. Основное окно программы со всеми органами управления представлено на рисунке 13. Все описанные далее расчетные модули реализованы в составе данного ПО.

После калибровки

спектрометра каждому пикселю соответствует некоторая длина волны. В процессе эксплуатации прибора происходят незначительные подвижки оптических элементов, что приводит к смещению положений длин волн и шага между пикселями и требует периодической

перекалибровки прибора. Данное обстоятельство не является проблемой до тех пор, пока не требуются проводить поэлементные операции со спектрами. После перекалибровки спектрометра длина волны, соответствующая каждому пикселю, изменится, и в результате станет невозможным использование первоначальных значений, например, для коррекции спектральной характеристики спектрометра. Для преодоления данного недостатка необходимо обеспечить хранение спектральных данных с одинаковой привязкой по длинам волн, вне зависимости от установленного спектрального диапазона и текущей калибровки прибора, что обеспечивается интерполяцией фактических значений длины волны пикселей на «стандартные» значения. Для хранения спектральных данных малогабаритных спектрометров, разработанных автором, используются следующие параметры -спектральный диапазон 180-1080 нм, шаг значений длин волн 0,1 нм. Для получения значений отсчетов в итоговом распределении спектрального сигнала используется линейная интерполяция (рисунок 14).

Рисунок 13 - Окно программы ASpect2010

1%

Исходный спектр

Интерполированный спектр

250,3 250,4 250,5 250,6 250,7 250,8 250,9 251,0 251,1 251,2 я>1,111 Рисунок 14 - Линейная интерполяция спектральных данных

Вычисление значений сигнала / (Я;), где Я; - длина воны с фиксированным шагом, производится по следующему выражению:

где Хг - длина волны в исходном спектре до требуемой позиции Яг; Я2 - длина волны в исходном спектре после требуемой позиции Я;; - сигнал на длине волны Ях; /2 - сигнал на длине волны Я2.

В дальнейшем подобное представление спектральных данных позволяет проводить любые операции между спектрами - например, умножить один спектр на другой. Операции проводятся поэлементно между массивами, поскольку индекс каждого элемента в любом массиве, вне зависимости от времени создания и калибровки прибора однозначно определяет его длину волны.

В программе создана база данных эмиссионных спектральных линий элементов таблицы Менделеева. Спектральные линии (маркеры) выбранных элементов отображаются поверх спектра в виде тонких вертикальных линий с обозначением длины волны рядом с каждой линией (рисунок 15).

В программе создан модуль расчета колориметрических параметров по спектрам. Для светоизлучающих диодов

рассчитываются дополнительные параметры, такие как доминирующая длина волны, пиковая длина волны, центральная длина волны, а также ширина спектрального пика на уровнях 1/2 и 1/10 от максимума.

В программе имеется модуль расчета Рисунок 15 - Фрагмент спектра ртутной параметров тонких пленок, для чего лампы

используется база данных параметров наиболее распространенных материалов, используемых при производстве пленочных покрытий, с учетом дисперсии показателя преломления. Исходные значения показателя преломления задаются в табличной форме, в том числе пользователем ПО, и для упрощения дальнейших расчетов переводятся в формат спектральных данных со стандартным шагом по длинам волн с помощью метода квадратичной интерполяции.

Методика расчета параметров тонких пленок базируется на определении положения экстремумов на спектрах их отражения, либо пропускания. «Классический» способ поиска положения экстремума на спектрах отражения, либо пропускания приводит к значительным ошибкам ввиду наличия шума на достаточно пологих сигналах. Значительно более точные результаты дает вычисление положения экстремума по центру тяжести. Однако, при этом необходимо учитывать несимметричность осцилляций сигнала. Для минимизации дополнительной ошибки, связанной с выбором границ при расчете положения центра тяжести необходимо всегда задавать их положение на одном и

том же уровне. При экспериментально найденном уровне в 20% от разницы между соседними экстремумами, получаемые значения положения экстремумов с минимальной погрешностью соответствуют теоретически рассчитанным. Разброс результатов нескольких измерений по разработанной методике одной и той же пленки составил 0,3 нм, а точность определения толщины пленки 0,3%.

Для получения данных о фактическом показателе преломления во всем спектральном диапазоне строятся огибающие по найденным максимумам и минимумам спектров (рисунок 16). При построении огибающих необходимо учесть, что количество экстремумов зависит от толщины пленки и может быть не велико. При наличии единственного экстремума огибающая задается в виде горизонтальной прямой, при наличии двух экстремумов огибающая задается в виде прямой, проходящей через них, при наличии трех и более экстремумов значения аппроксимируются полиномом третей степени и отображаются на экране совместно с исходными спектрами, что позволяет визуально проконтролировать правильность построения огибающих. Затем, по разработанной методике, с использованием построенных огибающих строится зависимость показателя преломления пленки от длины волны.

При расчете толщины пленки в качестве первого приближения выбирается значение, рассчитанное по любым двум соседним экстремумам. Повышение точности расчета толщины пленки достигается на следующем этапе. Производится вычисление В интегрального модуля разницы между отсчетами теоретического и реального спектров. Разработанная теоретическая модель построения спектра отражения или пропускания пленки проверена путем

сравнения результатов моделирования с известными данными. Результаты моделирования пленок с одинаковыми параметрами полностью совпали. Вычисленная интегральная разница с теоретическим спектром никогда не будет нулевой, однако она может быть минимизирована по мере приближения формы теоретического спектра к форме реального. Значение толщины пленки из теоретически рассчитанного спектра будет соответствовать толщине реальной пленки при минимальной интегральной разнице. Предложенная методика была проверена с помощью эллипсометра, показавшего значение толщины тестовой пленки 1,21 мкм. При вычисленной по спектру и разработанной методике получен результат 1,22 мкм (отклонение от данных эллипсометрии примерно 1 %).

Снизить уровень шума спектрального сигнала можно с помощью фильтрации. Наиболее оптимальным вариантом для линейчатых спектров может стать адаптивный

Рисунок 16- Спектр отражения пленки ТагОз

фильтр, в котором участки с разной формой сигнала будут обрабатываться различными способами.

Критерием выбора границ участков выступает уровень шума, а также распределение темнового тока ПЗС-фотоприемника, который задает смещение нуля при отсутствии полезного сигнала. В линейчатых спектрах имеются отдельные спектральные линии на фоне темнового сигнала, при этом, уровень темнового сигнала можно не подвергать обработке, а использовать данные предварительной фильтрации. При закрытом оптическом затворе производится многократная регистрация темнового сигнала, для каждого пикселя вычисляется среднее значение уровня сигнала и его среднеквадратичное отклонение (СКО) ст. Пороги по уровню шума для каждого пикселя задаются в виде ±3.29сг, поскольку именно на этот диапазон СКО приходится 99.9% амплитуды шума. Далее, спектральный сигнал попиксельно проверяется на нахождение внутри заданных пороговых значений, и если он не выходит за установленные границы, то заменяется предварительно вычисленным средним значением. Предложенный способ фильтрации, даже при однократной регистрации спектра, позволяет получить результат, соответствующий продолжительной статистической обработке данных. Применение метода позволило, при термостабилизации фотоприемника и наличии в приборе оптического затвора, получить при однократных измерениях уровень нулевого сигнала, соответствующий сигналу, обработанному статистическими методами, что существенно сократило общее время измерений.

Для дополнительной обработки спектральных данных в программе имеется специальный калькулятор (рисунок 17). После выбора спектра вводится необходимая операция. В качестве операндов могут использоваться спектральные данные и числовые значения, что позволяет, например, умножить спектр как на число (осуществить масштабирование), так и на другой спектр (провести спектральную коррекцию). Реализованные в калькуляторе функции позволяют строить достаточно сложные выражения, включающие в себя как элементарные арифметические операции, так и более сложные, такие как фильтрация, интегрирование в заданном диапазоне и т.д.

Разработанное программное обеспечение для спектрометров с многоэлементными

фотоприемниками обладает всеми необходимыми функциями, предназначенными для управления режимами прибора, проведения калибровки, регистрации спектров, их визуализации и сохранения для последующего анализа. Функционал ПО не уступает лучшим зарубежным образцам. Ряд дополнительных функций ПО являются уникальными и позволяют значительно расширить возможности анализа спектральных данных.

Рисунок 17 - Спектральный калькулятор

В пятой главе приводятся параметры разработанных приборов и области их применения.

Первым координатно-чувствительным линейным фотоприемником. который был использован автором для создания малогабаритного спектрометра без механически подвижных узлов еще в 1989 году, был прибор ФППЗ-IJI производства ЦНИИ (на тог момент ВНИИ) «Электрон». В дальнейшем развитие элементной базы микроэлектроники позволило существенно повысить производительность системы регистрации спектрометра за счет применения новых микроконтроллеров архитектуры ARM. В результате был сконструирован и изготовлен спектрометр 1SM3600 В1. Опытная эксплуатация нескольких экземпляров спектрометра выявила ряд недостатков, в результате было принято решение о радикальной переработке конструкции спектрометра на основе наиболее удачных узлов и элементов данного прибора, что в итоге привело к разработке в 2007 году прибора ISM3600 В2 (рисунок 18).

В модернизированном спектрометре был использован более производительный

микроконтроллер LPC2368,

позволивший добавить интерфейс Ethernet и специализированный АЦП AD9826. предназначенный для обработки сигнала ПЗС. Фотоприемник в приборе термостатировался с помощью внешних холодильников на элементах Пельтье.

Эксплуатация спектрометров ISM3600 В2 в течение нескольких лет показала, что заказчикам также требуется прибор меньшей стоимости, но с аналогичными метрологическими параметрами. С учетом высказанных пожеланий в 2013 году был разработан спектрометр ISM3600B3 (рису нок 19).

Одним из первых разработанных малогабаритных спектрометров был прибор для ПО «Маяк», предназначенный для производственного контроля радиоактивных материалов.

Спектрофотометр использовался в течение нескольких лет в установке фотометрического контроля содержания солей урана в водном растворе. Благодаря Рисунок 19 - Партия

данному спектрометру процесс контроля спектрометров ISM3600B3 радиоактивных материалов был автоматизирован, а нахождение людей в опасной для здоровья зоне было исключено.

В 1999 году по заказу предприятия «Невская Косметика» был разработан универсальный колориметр СК 1 А. предназначенный для измерения цветовых различий твердых и жидких парфюмерных продуктов (рисунок 20).

Рисунок 8 - Спектрометр ISM3600 В2 и его оптический модуль

Рисунок 20 - Универсальный колориметр

Данный прибор, не имевший на тот момент аналогов, позволил предприятию проводить экспресс контроль качества на всех этапах процесса производства. Уникальность прибора заключалась как в высоких метрологических параметрах, так и в универсальности, позволившей контролировать все виды выпускаемой предприятием продукции.

В СПбГЭТУ на кафедре КЭОП под руководством Василевского А. М. был разработан спектрометр для определения концентрации полигексаметиленгуанидина в поликомпонентных дезинфицирующих средствах медицинского назначения по поглощению в ультрафиолетовой части спектра. Электронная система регистрации УФ спектров была разработана автором.

Портативный прибор «Кедр», для которого автором была разработана электронная система регистрации, предназначен для оперативной идентификации пород древесины по спектрам отражения и имеет встроенный миниатюрный ПК, с собственным ЖК дисплеем. Прибор «Кедр» принят на снабжение таможенных органов РФ (Приказ ФТС России от 15.08.2007 №984).

По результатам эксплуатации партии приборов «Кедр» было выявлено, что для повышения точности идентификации необходимо увеличение соотношения сигнал/шум регистрируемого сигнала. Для этого была проведена соответствующая модернизация и разработан прибор «Кедр-М» (рисунок 21), который внесен в Госреестр средств измерений (Свидетельство об утверждении типа средств измерений «Анализатор спектра - ППИ «Кедр-М» № 46157-10 от 10 декабря 2010 г.) и принят на снабжение таможенных органов РФ приказом ФТС № 88 от 17 января 2011 г. В настоящее время прибор выпускается серийно, всего произведено 308 экземпляров. Применение прибора органами ФТС позволило выявить факты контрабанды ценных пород древесины.

В 2002 году по заказу ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», на основе конструкции базового спектрометра 183000, был разработан спектрометр 1Б3000-ЬЕБ. предназначенный для входного колориметрического контроля светодиодов и было поставлено несколько партий приборов.

В 2013 году для ООО «Научно-производственное предприятие «АДВЕНТ» была разработана электронная система регистрации в ближнем ИК диапазоне. Данная система была использована при разработке устройства дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах, в том числе движущихся объектов, через различные прозрачные среды. Проведенные исследования позволили разработать уникальный прибор, способный за время менее одной секунды проводить с высокой точностью элементный анализ газовой среды даже внутри движущихся объектов.

Рисунок 21 - Прибор «Кедр-М»

Для исследования состава металлов и сплавов необходима регистрация спектров высокого разрешения в широком спектральном диапазоне. Первым таким прибором, разработанным автором, была система регистрации, заменяющая кассету с фотопластинкой в стационарных спектрографах ИСП-22, ИСП-28, ИСП-30, ДФС-8, ДФС-13 и ПГС-2, для ЗАО «Спектральная лаборатория». Фотоэлектронная кассета к спектрографам «Анализаторы атомных спектров ЦС» зарегистрирована в Госреестре средств измерений под номером 23400-02 и предназначена для анализа атомных и молекулярных оптических спектров. Разработанная фотоэлектронная кассета позволила повысить стабильность и надежность эксплуатации спектральных приборов, в которые она устанавливалась. Возросла точность анализа металлов и сплавов, а также существенно уменьшилось время проведения анализа. Кассета позволила полностью отказаться от фотоматериалов и химические реактивов, что также снизило общие затраты на проведение измерений.

На основе данной системы регистрации был разработан первый в России передвижной оптический эмиссионный спектрометр «Минилаб CJI» для контроля состава металлов и сплавов непосредственно на месте их расположения (зарегистрирован в Госреестре средств измерений под номером 28581-05), что позволило применить данный спектрометр для восстановления данных о составе металлических конструкций при проведении работ по восстановлению комплекса защитных сооружений г. Санкт-Петербурга от наводнений.

Дальнейшее развитие направления эмиссионной спектроскопии пошло по пути разработки оригинальных приборов, а не модификации уже существующих. Была разработана модульная система регистрации. Модули управляются независимо друг от друга и в них может задаваться любая чувствительность, что повышает общий динамический диапазон прибора (рисунок 22).

Системы регистрации были разработаны для модернизации эмиссионных спектрометров NK5001, производимых ООО «Нординкрафт-Сенсор» а также для спектрометров, разрабатывавшихся в ПО «Маяк».

За весь период разработки спектральных приборов и систем регистрации спектральных сигналов Рисунок 22 - Электронные автором были использованы различные типы модули регистрации многоэлементных фотоприемников. Среди них

продукция ЦНИИ «Электрон» - ПЗС-фотоприемники типов ФППЗ-1Л, ФППЗ-7Л, ФППЗ-8Л и ФППЗ-ЮЛ. Также были использованы фотоприемники фирм Toshiba (TCD1301, TCD1304), Sony (ILX526) и Hamamatsu (S10420-1106, G9206-256W, G9494-256D, G9212-512S, G10768-1024D).

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Проанализированы конструкторские решения спектральных приборов ведущих мировых производителей. Проведенный анализ позволил выработать ряд критериев

оптимизации конструкции малогабаритных спектрометров с многоэлементными фотоприемниками.

Разработана технология удаления стекла из корпуса ПЗС-фотоприемника, позволившая с минимальным риском повреждения кристалла фотоприемника получить доступ к его поверхности.

Разработана технология нанесения специализированных покрытий на поверхность ПЗС-фотоприемника, позволившая полностью подавить интерференцию в поверхностном слое, расширив тем самым его динамический диапазон.

Предложены оригинальные методы устранения мертвых зон, позволившие улучшить параметры многоканальных эмиссионных спектрометров.

Разработана новая оригинальная конструкция автоматизированной спектральной щели с использованием емкостных методов измерения ее ширины.

Разработано новое устройство для автоматической компенсации ухода калибровки спектрометров с вогнутой дифракционной решеткой.

Предложены новые методы оптимизации юстировки спектральных приборов, позволившие обеспечить оптимальную настройку малогабаритного спектрометра и снизить требования к квалификации персонала.

Разработан и реализован метод многократной цифровой выборки, позволивший повысить динамический диапазон системы регистрации в два и более раз.

Проведены исследования и разработан способ оптимизации системы тактирования ПЗС-фотоприемника, позволивший повысить динамический диапазон выходного сигнала за счет снижения влияние тактовых импульсов.

Разработана конструкция электронного модуля системы регистрации сигнала ПЗС-фотоприемников, позволившая существенно снизить энергопотребление и количество электронных компонентов, что повысило надежность малогабаритных спектрометров и позволило снизить их стоимость.

Унификация электронных блоков многоканальных систем регистрации сигнала ПЗС-фотоприемников позволила значительно упростить конструкцию приборов. Система регистрации может строится путем установки необходимого, для данной конфигурации прибора, числа модулей.

Разработана конструкция усилителя многоэлементного ИК фотоприемника с индивидуальной, для каждого пикселя, коррекцией коэффициента усиления и смещения темнового сигнала. Предложенная схема усилителя позволила существенно расширить динамический диапазон для эффективной регистрации слабых сигналов.

Проведенные исследования и реализованные методы снижения шумов многоэлементных фотоприемников и разработанные универсальные электронные модули регистрации их сигналов позволили создать семейство спектральных приборов различного назначения.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать методику измерения цветовых параметров источников излучения с воспроизводимостью результатов измерений не хуже 0,01%.

Созданная в разработанном ПО база данных эмиссионных спектральных линий элементов таблицы Менделеева позволяет достаточно легко идентифицировать элементный состав газовой смеси в технологической установке по спектру излучения плазмы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК

1. Комлев А. Е., Комлев А. А., Ухов А. А. Комплекс требований к оборудованию для осаждения плёнок оксидов методом реактивного магнетронного распыления // Вакуумная техника и технология, 2012. Т. 22, №4, С. 245-248.

2. Кострин Д. К., Ухов А. А. Влияние изгибов оптоволокна спектрометра на результаты колориметрических измерений // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. №1, С. 9-13.

3. Юдин Р. В., Кострин Д. К., Шишов Д. И., Ухов А. А. Повышение точности и воспроизводимости результатов колориметрических измерений светоизлучающих диодов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. №3, С. 8-13.

4. Кострин Д. К., Ухов А. А. Оптимизация системы регистрации многоканального оптического спектрометра // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. №4, С. 8-12.

5. Кострин Д. К., Ухов А. А. Интерференция в поверхностном слое и метрологические параметры спектрометров с ПЗС-фотоприемниками // Датчики и системы. 2013. №5, С. 13-15.

6. Кострин Д. К., Ухов А. А. Светосигнальная характеристика ПЗС-фотоприемника в области больших световых потоков //Контроль. Диагностика. 2013. №5, С. 40-42.

7. Кострин Д. К., Ухов А. А. Обнаружение и компенсация ложных спектральных линий в спектрометре с вогнутой дифракционной решеткой // Контроль. Диагностика. 2013. №6, С. 26-28.

8. Кострин Д. К., Ухов А. А. Метод подбора близких по цветовым характеристикам белых светодиодов для систем освещения // Контроль. Диагностика. 2013. №7, С. 47-50.

9. Воронин А. А., Герасимов В. А. Кострин Д. К., Смирнов П. Е., Турубаров А. В., Ухов А. А. Модернизация приборов и методики спектральной идентификации пород древесины // Биотехносфера. 2013. №3, С. 16-20.

10. Кострин Д.К., Ухов A.A. Аппаратно-программный спектрометрический комплекс для исследования параметров светоизлучающих диодов // Биотехносфера. 2013. №3, С. 16-20.

11. Герасимов В. А., Кострин Д. К., Ухов А. А. Методика и аппаратура для определения спектральных характеристик стекол и зеркал // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. №8, С. 10-14.

12. Василевский А. М., Коноплев Г. А., Светлов Д. А., Герасимов В. А., Кострин Д. К., Ухов А. А. Оптико-электронная информационно-измерительная система контроля дезинфицирующих средств на основе полигексаметиленгуанидина // Медицинская техника. 2014. №1, С. 10-13.

13. Герасимов В. А., Кострин Д. К., Селиванов Л. М., Ухов А.А. Коррекция спектральной характеристики оптического спектрометра при исследовании источников инфракрасного излучения // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. №2, С. 3-5.

14. Кострин Д. К., Ухов А. А. Метод контроля пространственного распределения световых и цветовых характеристик излучения светодиодов // Контроль. Диагностика. 2014. №2. С. 65-68.

15. Воронин А. А., Смирнов П. Е., Турубаров А. В., Герасимов В. А., Кострин Д. К., Ухов А. А. Методика и аппаратура для спектральной идентификации пород древесины //Контроль. Диагностика. 2014. № 5, С. 35-38.

16. Ухов А. А. Влияние тактовых импульсов на уровень шумов ПЗС-фотоприемника // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. №6, С. 15-19.

17. Ухов А. А. Применение цифровой двойной коррелированной выборки для обработки сигнала линейного ПЗС-фотоприемника // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. №7, С. 11-14.

18. Герасимов В. А., Селиванов Л. М., Кострин Д. К., Марцынюков С.А., Ухов А. А. Спектрометрический метод контроля характеристик светоизлучающих диодов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. №8, С. 11-14.

19. Кострин Д.К., Ухов А.А. Повышение метрологических характеристик спектрометрического оборудования при диагностике ионно-плазменных процессов // Вакуумная техника и технология. 2014. Т. 24, №1, С. 34-38.

20. Герасимов В. А., Кострин Д. К., Селиванов Л. М., Ухов А. А. Повышение точности спектрального метода измерения параметров оптически прозрачных тонких пленок // Вакуумная техника и технология. 2014. Т. 24, №1, С. 39^4-2.

21. Ухов А. А. Адаптивная фильтрация шумов оптических линейчатых спектров // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. №10, С. 10-13.

22. Ухов А. А., Кострин Д. К., Герасимов В. А., Селиванов Л. М. Особенности анализа состава плазмы с помощью малогабаритного оптического спектрометра // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2015. №3, С. 7-9.

Статьи, опубликованные в изданиях, включенных в базу SCOPUS

23. А. М. Vasilevskii, G. A. Konoplev, D. A. Svetlov, V. A. Gerasimov, D. К. Kostrin, A. A. Ukhov Optoelectronic Data Measuring System for Monitoring Polyhexamethylene

Guanidine-Based Decontaminante // Biomedical Engineering, Vol. 48, No. 1, May 2014, pp. 13-16.

24. Use of compact spectrometer for plasma emission qualitative analysis. A A Uhov et al 2014 J. Phys.: Conf. Ser. 567 012039.

Монография

25. Кострин Д. К., Ухов А. А. Датчики в электронных устройствах // СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 240 С.

Основные патенты

26. Автоматизированная спектральная щель: пат. на пол. мод. 141577 Рос. Федерация: MnKG 01J3/04 / Кострин Д. К., Ухов А. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - № 2014104010/28; заявл. 05.02.2014; опубл. 10.06.2014.

27. Многоканальный оптический спектрометр: пат. 2540218 Рос. Федерация: МПК G01J3/50, G01J3/36, G01J3/20 / Ухов А. А., Кострин Д. К.; заявитель и патентообладатель ФГОУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ»-№2013146145/28; заявл. 15.10.2013; опубл. 10.02.2015.

28. Способ и устройство для измерения емкости емкостного компонента: пат. 2439593 Рос. Федерация: МПК G01R27/26 / Ухов А. А.; заявитель и патентообладатель ЭЛЕКТРОЛЮКС ХОУМ ПРОДАКТС КОРПОРЕЙШН Н.В. (BE) - №2008152051/28; заявл. 20.07.2010; опубл. 10.01.2012; приоритет 01.06.2006 06114827.6 (ЕР)

Основные свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ

29. Программа для регистрации данных с инфракрасного многоэлементного фотоприемника на 128 элементов (IRP128): свид. о гос. per. прогр. для ЭВМ 2014662579 Рос. Федерация / Ухов А. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» -№2014660261; заявл. 13.10.2012; опубл. 03.12.2014.

30. Программа для регистрации данных с инфракрасного многоэлементного фотоприемника на 512 элементов (IR512): свид. о гос. per. прогр. для ЭВМ 2014661291 Рос. Федерация / Ухов А. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» -№2014661291; заявл. 05.11.2014; опубл. 12.01.2015.

31. Программа для регистрации данных с инфракрасного многоэлементного фотоприемника на 1024 элемента (IR1024): свид. о гос. per. прогр. для ЭВМ 2014662250 Рос. Федерация / Ухов А. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» -№2014662250; заявл. 01.12.2014; опубл. 23.01.2015.

32. Программа для управления малогабаритным спектрометром ISM3600 и анализа оптических спектров (ASPect2010): свид. о гос. per. прогр. для ЭВМ 2012661367 Рос. Федерация / Кострин Д. К., Ухов А. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ»-№2012619287; заявл. 29.10.2012; опубл. 13.12.2012.

Подписано в печать 18.09.2015. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ООО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 1/0915. П. л. 2.00. Уч.-изд. л. 2.00. Тираж 100 экз.

ООО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5, литер А тел.: (812) 327 5098