- Construcción de un espectrómetro acoplado por fibra óptica por unos $500, capaz de medir en el rango de 800~1600 nm usando un solo fotodiodo InGaAs
- Los sensores CMOS de silicio no pueden detectar más allá de ~1100 nm por el límite de banda prohibida de ~1.1 eV; para superar eso se necesita un semiconductor InGaAs, cuya banda prohibida puede ajustarse hasta ~0.4 eV
- En lugar de un arreglo de píxeles, se evita el alto costo de los arreglos InGaAs escaneando un solo fotodiodo con un motor paso a paso
- Se usa una lámpara fluorescente de escritorio como fuente de calibración de líneas de emisión de mercurio y argón para realizar la calibración posición-longitud de onda
- Se logra una resolución de 3~4 nm FWHM @ 1000 nm, comparable con espectrómetros comerciales InGaAs de $8,000~$12,000
Contexto y motivación
- Los espectrómetros hechos con la cámara de un celular y una rejilla de difracción de CD-ROM son comunes y cuestan unos $5
- Pero las cámaras basadas en silicio (sensores CMOS) solo responden físicamente hasta unos 1100 nm
- La banda prohibida del silicio es de ~1.1 eV, y longitudes de onda más largas no pueden excitar pares electrón-hueco
- Para medir longitudes de onda mayores se necesita otro semiconductor; se eligió InGaAs, cuya banda prohibida puede ajustarse hasta ~0.4 eV cambiando la proporción de indio/galio
- Tan solo un arreglo lineal de píxeles InGaAs ya cuesta miles de dólares, y un sistema IR completo con enfriamiento termoeléctrico y rejilla de precisión supera fácilmente los $10k
- La razón del precio es que sus principales usuarios no son consumidores comunes sino investigadores científicos
- Como pasatiempo de óptica láser, hacía falta analizar fuentes de infrarrojo cercano por encima de 1100 nm, y en DigiKey se confirmó que un fotodiodo InGaAs individual cuesta alrededor de $20
- Aunque es 100 veces más caro que un fotodiodo de silicio, con solo uno parecía viable construir un espectrómetro dentro del alcance DIY
- El resultado fue un espectrómetro IR acoplado por fibra óptica que mide de 800~1600 nm
Principio y diseño
- Un espectrómetro consta de 4 componentes: rendija, elemento de difracción, detector y óptica de relevo que los conecta
-
Rendija de entrada y fibra óptica
- La fibra de entrada cumple la función de rendija de entrada; se eligió una fibra multimodo con núcleo de 50 um como compromiso entre cantidad de luz y resolución
- Un patch cable SMA-905 de 2 m cuesta unos $40 en AliExpress y $70 en Thorlabs
-
Rejilla de difracción
- Se eligió una densidad de 600 line/mm para el rango de diseño de 800~1600 nm, logrando una dispersión de 40° dentro de ese rango
- Con un ángulo de incidencia de 50°, la difracción de 2.º y 3.º orden se superpone con el haz incidente y no puede usarse
-
Método de escaneo del detector
- Para detectar luz de varios ángulos con un fotodiodo de un solo “píxel”, se monta en un motor y se escanea
- Se usó una etapa lineal accionada por motor paso a paso comprada en Amazon por $50, con resolución de 5 um por paso, suficiente para el propósito
- El área activa del fotodiodo InGaAs es de ϕ1 mm, y se fabricó una rendija de salida de unos 0.3 mm de ancho usando cinta de enmascarar de aluminio
-
Óptica de relevo (diseño amigable para DIY)
- Se requieren tres etapas: desenfocar la rendija de entrada en un haz colimado, dirigirlo a la rejilla y luego enfocar el haz difractado sobre el sensor
- El método tradicional es el diseño Czerny-Turner, con espejos para minimizar la aberración cromática, pero alinear espejos parabólicos sin un banco óptico es muy difícil, así que se tomó otra ruta
- Se usó un colimador de fibra para convertir la salida de la fibra en un haz paralelo, conectable directamente con SMA-905
- Por la aberración cromática de la lente del colimador, solo la longitud de onda de diseño (980 nm) queda perfectamente colimada; las más cortas convergen un poco y las más largas divergen ligeramente, pero dentro de un rango aceptable
- Cuesta $160 en Thorlabs; se consiguió un par por $70 cada uno en eBay
- Un espejo con recubrimiento de plata guía el haz a la rejilla; costó $25 en eBay (nuevo en Thorlabs, $35). Los espejos dieléctricos para visible no sirven en infrarrojo cercano porque quedan fuera de banda
- Para reenfocar el haz difractado hacia el detector se usó una lente cilíndrica
- El haz enfocado toma forma de línea de ~0.5 mm de ancho y ~2 mm de alto, lo que relaja la tolerancia de alineación a ~1 mm
- Su forma rectangular también permite montarla fácilmente solo con cinta doble cara
- La disposición óptica se trazó con Optometrika, y la posición de la lente cilíndrica se optimizó por prueba y error (con distancia focal de 150 mm, la tolerancia es amplia)
-
Análisis de resolución
- La magnificación del sistema óptico es 150 mm (lente cilíndrica) / 11 mm (colimador) = 13.6x
- Hay tres factores principales de ensanchamiento:
- Rendija de entrada: el núcleo de 50 um genera un spot de 0.68 mm, ensanchando unas 6 nm
- Rejilla: la resolución de difracción de primer orden es igual al número de líneas iluminadas; un haz de 2 mm da una resolución de 1,200, con una contribución de ~1 nm
- Rendija de salida: añade unas 3 nm de ensanchamiento
- La principal causa de ensanchamiento es el tamaño de la rendija de entrada (el núcleo de la fibra); se podría mejorar reduciendo la magnificación con lentes más grandes y un colimador de mayor distancia focal
- La resolución medida final fue de 3~4 nm @ 1000 nm y 5~6 nm @ 1500 nm
- Un espectrómetro InGaAs de Edmund Optics con la misma entrada SMA-905 ofrece 4 nm, y uno compacto de Ocean Insight 10 nm FWHM; cuestan aproximadamente $12,000 y $8,000, respectivamente
Construcción
-
Rejilla de difracción
- En lugar de un trozo de CD-ROM, se usó una rejilla reflectiva blazed de Thorlabs ($70), especificada en 600 line/mm, 12.7×12.7×6 mm y blaze a 1000 nm
- También se fabricó un pequeño “soporte óptico” para fijar sin dañar estos componentes ópticos cuadrados pequeños
-
Circuito electrónico
- La electrónica del detector se compone de un amplificador transimpedancia y un ADC de 24 bits
- La pieza clave es el op-amp AD8656, de corriente de polarización de entrada de 1 pA y ruido ultrabajo; una resistencia de ganancia de 100 megaohms convierte 1 pA en 100 uV
- El fotodiodo opera con polarización cero (modo “fotovoltaico”) para eliminar la corriente oscura
- La señal entra a un AD7793, un ADC preciso y de bajo ruido con filtrado digital integrado, con ruido de 40 nV a la velocidad más baja (4.17 Hz)
-
Alimentación y blindaje
- El gran rizado y variación de la alimentación USB de 5V se resolvió con un regulador lineal LT3042 (PSRR superior a 100 dB), excelente para manejar energía sucia
- El circuito es muy vulnerable al acoplamiento capacitivo con conductores cercanos, especialmente el cuerpo humano, que introduce ruido de 60 Hz, debido a los nodos de altísima impedancia de decenas de megaohms en la entrada del op-amp
- No basta con blindaje EMI convencional; se requiere blindaje electrostático, envolviendo la PCB y el fotodiodo con cinta, lámina y placas de aluminio conectadas a tierra
- Una mejor opción sería conectar un zócalo dedicado para fotodiodo por cable coaxial a una PCB con plano de tierra en ambas caras
-
Análisis de ruido
- Al bloquear las fuentes externas, el ruido intrínseco restante proviene de tres lugares: fotodiodo, amplificador y resistencia de realimentación R
- En la banda de 1~100 Hz, domina el ruido 1/f del amplificador, difícil de promediar; en 0.1~10 Hz es de unos 0.3 uVrms (equivalente a 3 fA referido a la entrada)
- La resistencia R y el fotodiodo aportan ruido térmico de 13 fA/√Hz y 9 fA/√Hz, respectivamente (asumiendo resistencia shunt de 200 MΩ)
- A la velocidad mínima de 4.17 Hz, el ruido total RMS es de unos 30 fA, y con ausencia de luz la desviación estándar de la señal es de unos 18 fA, alcanzando prácticamente el límite de ruido térmico
- Mejorar más requeriría meter el sensor y el amplificador en nitrógeno líquido
-
Configuración de componentes
- La fuente de alimentación (5V 2A) está en la pared izquierda, la placa controladora arriba, y la placa del detector fijada al motor lineal paso a paso
- El microcontrolador es una placa STM32 Nucleo-32, con un driver de motor paso a paso montado por separado
- En la placa del detector se colocaron el regulador de bajo ruido, el ADC y el amplificador transimpedancia; la cinta de blindaje alrededor del amplificador es clave para el bajo ruido
- La rendija primero se hizo con hojas de afeitar, pero como si estaba lejos del fotodiodo la luz caía mucho en ángulos grandes, se cambió a pegar directamente dos tiras de cinta negra sobre la ventana frontal
Verificación de rendimiento
-
Fuente de calibración
- Se necesita una fuente con longitudes de onda y anchos de línea conocidos; para alineación gruesa se usó un puntero láser verde de 505 nm (su difracción de 2.º orden coincide en ángulo con 1010 nm de 1.º orden)
- Una lámpara de mercurio o una lámpara de calibración argón-neón cuesta unos $300 según Newport, y los tubos espectrales de gas requieren una fuente de alto voltaje
- Una lámpara fluorescente de escritorio resultó ser una fuente de calibración perfecta, siempre que sea fluorescente; no sirven LED ni incandescentes
- Las fluorescentes emiten UV a partir de vapor de mercurio y gas inerte, y el fósforo lo convierte en luz visible
- El mercurio neutro tiene líneas de emisión en 436, 543, 546, 1014, 1357, 1367 y 1530 nm; las últimas cuatro son útiles para calibración en infrarrojo cercano
- La lámpara de escritorio también contiene gas argón, que aporta muchas líneas entre 800~1000 nm
- Se identificaron líneas en el espectro para establecer la correspondencia posición-longitud de onda y luego interpolar entre ellas; la lente cilíndrica se alineó para que el pico de 1014 nm fuera el más angosto posible (FWHM ~3 nm)
-
Corrección de respuesta espectral
- Se corrige la amplitud de señal por unidad de luz en función de la longitud de onda (función de respuesta espectral); un error absoluto de 10% no es problemático para medir reflexión o transmisión
- Para ello se usó una lámpara halógena de cuarzo de $10 comprada en una ferretería local, asumida como fuente de cuerpo negro a 3200 K
-
Medición de transmisión
- También se compró por separado un iluminador de fibra de $70 en eBay y se construyó un mini banco de prueba para medir espectros de transmisión de filtros y cristales
- Genera un haz blanco con ángulo de divergencia de ~2° y diámetro ajustable de ~0.5 mm a 1 cm, recogido por un colimador de fibra del lado opuesto
- Se colocó un filtro long-pass de 790 nm frente al colimador para bloquear la interferencia de difracción visible de 2.º orden
- Solo se pueden medir muestras planas sin potencia óptica; elementos que cambian la forma del haz, como lentes, dan resultados inexactos
- Se midió la curva de transmisión de un cristal Nd:YAG (2×2×10 mm, dopado al 1%), observando el fondo por reflexión en interfaces y los picos de absorción del Nd:YAG
- La luz de 808 nm, la más usada para bombeo por diodo, se absorbe casi por completo
- También se compró por separado un iluminador de fibra de $70 en eBay y se construyó un mini banco de prueba para medir espectros de transmisión de filtros y cristales
-
Medición de fluorescencia y rango dinámico
- Se midió el espectro de fluorescencia con un diodo de bombeo de 808 nm (unos 100 mW), mostrado en escala logarítmica
- El pico más fuerte es 1064 nm; también aparecen claramente líneas de emisión en 946, 1116, 1319, 1338, 1357, 1414, 1431 y 1444 nm
- En esta configuración (ganancia 16, constante de tiempo 1/8.33 Hz), la señal máxima medida fue de 800 pA y el piso de ruido de ~0.2 pA, para un rango dinámico de 4,000:1 (72 dB)
- Con una constante de tiempo mayor y menor ganancia, podría mejorarse hasta 100,000:1
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Este artículo y el proyecto son bastante impresionantes porque son obra de la persona que descubrió la superconductividad en el grafeno bicapa retorcido
El solo hecho de poder construir por 500 dólares algo que normalmente cuesta 10 mil ya es interesante
Es un proyecto realmente genial. Intenté hacer un espectrómetro Raman DIY, y eso se puede lograr incluso por menos de 100 dólares [1], pero la espectroscopía de infrarrojo cercano definitivamente abre muchas más posibilidades
No soy científico, pero me gusta la idea de poder acceder a herramientas como esta. Según entiendo, la espectroscopía Raman está limitada a moléculas cristalinas asimétricas, así que, por ejemplo, en algo como la sal es difícil obtener una reflexión adecuada para hacer una lectura
Edición: el infrarrojo cercano es complementario. “En moléculas con vibraciones de estiramiento simétricas, las vibraciones activas en Raman no se ven en el infrarrojo, y en moléculas con vibraciones de estiramiento asimétricas, las vibraciones activas en infrarrojo no se ven en el espectro Raman. Esto se conoce como el principio de exclusión mutua, y convierte a la espectroscopía NIR y Raman en técnicas complementarias” [2]
Lo que realmente quisiera saber es si puede detectar ftalatos en plásticos o metales pesados como cadmio en productos metálicos. Tras hablar con gente con experiencia, parece que para estas cosas lo correcto termina siendo enviarlas a un laboratorio para GC/MS, pero aun así me gustaría ver si se pueden construir varios espectrómetros Raman o de infrarrojo cercano para farmacias en países del tercer mundo. Los medicamentos falsificados son un problema real allí, y no tendría por qué seguir siéndolo
[1] https://www.hackteria.org/wiki/images/a/a0/MobPhone_RamanSpe...
[2] https://www.labmate-online.com/news/mass-spectrometry-and-sp...
Láser ($40): https://a.co/d/0wjNGBz
Red de difracción ($12): https://a.co/d/6bpO8xm
Lente de enfoque del láser: no lo encontré
Lente de recolección de fluorescencia: no lo encontré
Lente de enfoque: no lo encontré
Lente de colimación: no lo encontré
El costo en buena medida proviene del uso previsto. La garantía de rendimiento implica responsabilidad por fallas de diseño, y los equipos científicos deben ser muy consistentes para su propósito
Casi no hay lugares que fabriquen sensores ópticos para aficionados. Mientras buscaba un proyecto que necesitaba láseres, las opciones eran rendirme o comprar en eBay por 4000 dólares un sensor de fines de los 80 sin software ni cable propietario, y hacerle ingeniería inversa. Una versión USB de principios de los 2000 también costaba 10 mil dólares sin software, y ni hablar del modelo USB3 nuevo de 50 mil dólares
El equipo óptico es absurdamente caro, y aun para trabajos avanzados a veces basta con herramientas básicas
Los equipos Flir eran de uso militar, pero ahora se pueden comprar modelos chinos baratos sin restricciones de exportación de EE. UU. en forma de dongles para teléfono de unos cientos de dólares, y ver componentes que se sobrecalientan en una PCB o zonas mal aisladas de una casa
Mantener líquidos a una temperatura precisa era cosa de laboratorio, pero ahora se puede comprar una máquina sous-vide de 50 dólares. Incluso dispositivos médicos como los medidores de oxígeno en sangre ya bajaron hasta el rango de 1 dólar o 1 euro
Cuando los precios bajan, más personas encuentran más usos, más empresas los fabrican y eso crea un círculo virtuoso en el que los precios vuelven a bajar
La implementación clave que redujo el costo es usar un solo fotodiodo montado en un motor para escanear físicamente el espacio, en vez de una costosa matriz de sensores InGaAs
En un trabajo anterior usé espectrómetros infrarrojos industriales y científicos de más de 100 mil dólares. La sensibilidad del equipo físico también importa, sobre todo en investigación básica, pero lo que a menudo determina la viabilidad en la práctica es el software. El software moderno de espectrómetros incorpora procesamiento avanzado de señales y aprendizaje automático
Me gustaría que hubiera más comunidades de ciencia básica en las que puedan contribuir aficionados, además de la academia y los organismos estatales de financiamiento
Como los clubes de astronomía amateur: los astrónomos aficionados siguen contribuyendo ampliamente a su campo. Ojalá pudieran contribuir a mayor escala y de formas más importantes. Me gustaría ver más publicaciones de científicos aficionados en HN
También están la Society for Astronomical Sciences, que cubre un espectro más amplio y pone cierto foco en el equipamiento; el Center for Backyard Astrophysics, especializado en ciertas estrellas variables; y la International Occultation and Timing Association, que observa ocultaciones de estrellas por asteroides para estimar sus formas. La mayoría de los países también tienen organizaciones similares
Dentro de SAS hay un grupo que fabrica el espectrómetro óptico automatizado para astronomía FlexSpec 1 (https://flexspec1.readthedocs.io/en/latest/). Las piezas cuestan alrededor de 500 dólares, y dispositivos similares se venden por unos 3000 dólares
Buen proyecto. Si hace falta, se puede poner un capacitor Cf de baja absorción dieléctrica en paralelo con la resistencia de ajuste de ganancia Rf para promediar más el ruido.
Si el ruido de la frecuencia de la red eléctrica sigue siendo un problema, también se puede manejar. Otra mejora sería agregar una rueda chopper óptica para tratar el ruido 1/f de todo el sistema. La desventaja es que se necesita una tasa de muestreo más alta y luego hay que hacer la demodulación y el filtrado externamente. Además, Cf queda limitado a frecuencias más altas.
Hay un proyecto similar que pone un solo fotodiodo dentro de una especie de cámara estenopeica: https://hackaday.com/2016/05/18/using-missile-tech-to-see-li...
Con esto, un radiotelescopio DIY y hasta un radar Wi‑Fi, quizá algún día salga un tricorder de verdad.
Si no quieres esperar a que termine la animación del contenido, puedes hacer esto:
javascript:document.querySelectorAll(".animate-box").forEach(e => { e.classList.remove('animate-box') })Está muy bueno, pero probablemente una buena parte de esos 10 mil dólares sea costo de certificación que no se obtiene con DIY. Es excelente para hobby, pero no podrías venderlo con 9500 dólares de ganancia.
Tal vez estés pagando muchas cosas operativas del negocio que un maker DIY que trabaja solo no necesita. Además, muchos investigadores compran equipos con fondos de investigación, así que en algunos casos pueden ser poco sensibles al precio.
No dudo de que el producto comercial venga precalibrado y certificado, pero me sorprendería bastante que esa certificación y calibración en sí realmente costaran unos 9000 dólares.
Las empresas deciden todos los días si hacer algo internamente o comprarlo. Este artículo muestra que se puede construir y validar el equipo con los conocimientos y habilidades que se esperan de la mayoría de los investigadores principales.
Si yo dirigiera un laboratorio, querría tener gente capaz de evaluar la opción de hacerlo internamente cuando tenga sentido. Así se puede integrar el sistema y ajustar la validación a nuestros requisitos. Eso se convierte en material para propiedad intelectual propia y desarrollo profesional.
Funcionará por un tiempo, pero si surgen problemas será difícil darle mantenimiento, y el software probablemente tampoco esté muy pulido. Vender un espectrómetro comercial implica muchos costos que no aparecen en la lista de materiales.
Si quieres construirlo tú mismo, excelente, pero ni siquiera un espectrómetro de luz visible basado en un solo sensor con componentes baratos se puede comprar por un precio cercano a la suma del costo de sus piezas.