- Fabrication d’un spectromètre à fibre optique mesurant la plage 800 à 1600 nm avec une seule photodiode InGaAs, pour environ 500 $
- Les capteurs CMOS au silicium, limités par un bandgap d’environ 1,1 eV, ne peuvent pas détecter au-delà d’environ 1100 nm ; pour aller plus loin, il faut un semi-conducteur InGaAs dont le bandgap peut être ajusté jusqu’à environ 0,4 eV
- Au lieu d’une matrice de pixels, une seule photodiode est balayée avec un moteur pas à pas, ce qui évite le coût élevé des matrices InGaAs
- Une lampe fluorescente de bureau sert de source d’étalonnage avec raies d’émission du mercure et de l’argon pour calibrer la correspondance position-longueur d’onde
- Résolution de 3 à 4 nm FWHM à 1000 nm, comparable à celle de spectromètres InGaAs commerciaux vendus entre 8 000 et 12 000 $
Contexte et motivation
- Les spectromètres fabriqués avec une caméra de téléphone et un réseau de diffraction de CD-ROM sont courants et ne coûtent qu’environ 5 $ à réaliser
- Mais les caméras à base de silicium (capteurs CMOS) ne réagissent que jusqu’à environ 1100 nm, en raison d’une limite physique
- Le bandgap du silicium est d’environ 1,1 eV ; à des longueurs d’onde plus grandes, il n’est plus possible d’exciter une paire électron-trou
- Pour mesurer des longueurs d’onde plus grandes, il faut un autre semi-conducteur : ici, l’InGaAs, dont le bandgap peut être ajusté jusqu’à environ 0,4 eV via le ratio indium/gallium
- Une simple matrice de pixels InGaAs 1D coûte déjà plusieurs milliers de dollars, et un véritable système de spectromètre IR dépasse 10 000 $ avec refroidissement thermoélectrique et réseau de précision
- Cette cherté s’explique par le fait que les principaux utilisateurs ne sont pas des consommateurs grand public, mais des chercheurs scientifiques
- En pratiquant l’optique laser comme hobby, il fallait analyser des sources proche infrarouge au-delà de 1100 nm ; une vérification sur DigiKey a montré qu’une photodiode InGaAs unique coûte environ 20 $
- C’est 100 fois plus cher qu’une photodiode au silicium, mais avec un seul composant de ce type, la fabrication d’un spectromètre reste dans le domaine du DIY
- Le résultat est un spectromètre IR à fibre optique couvrant 800 à 1600 nm
Principe et conception
- Un spectromètre se compose de quatre éléments : une fente, un élément diffractant, un détecteur et l’optique de relais qui les relie
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Fente d’entrée et fibre optique
- La fibre optique d’entrée joue le rôle de fente d’entrée ; une fibre multimode à cœur de 50 um offre un compromis entre flux lumineux et résolution
- Un câble patch SMA-905 de 2 m coûte environ 40 $ sur AliExpress et 70 $ chez Thorlabs
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Réseau de diffraction
- Une densité de lignes de 600 lines/mm a été choisie pour la plage de conception 800 à 1600 nm, assurant une dispersion de 40° sur cette plage
- Avec un angle d’incidence de 50°, les diffractions de 2e et 3e ordre se superposent au faisceau incident et ne sont pas exploitables
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Méthode de balayage du détecteur
- Pour détecter la lumière sous différents angles avec une photodiode à un seul « pixel », elle est montée sur un moteur et balayée
- Utilisation d’une platine linéaire motorisée pas à pas achetée 50 $ sur Amazon, avec une résolution de 5 um par pas, largement suffisante
- La zone active de la photodiode InGaAs mesure ϕ1 mm ; une fente de sortie d’environ 0,3 mm de large a été réalisée avec du ruban de masquage aluminium
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Optique de relais (conception compatible DIY)
- Trois étapes sont nécessaires : transformer la fente d’entrée en faisceau parallèle défocalisé → l’envoyer vers le réseau → focaliser le faisceau diffracté sur le capteur
- L’approche traditionnelle est la conception Czerny-Turner, à miroirs entièrement réfléchissants pour minimiser l’aberration chromatique, mais l’alignement de miroirs paraboliques est très difficile sans banc optique ; une autre voie a donc été choisie
- Un collimateur de fibre convertit la sortie de la fibre optique en faisceau parallèle et peut se connecter directement via un connecteur SMA-905
- À cause de l’aberration chromatique de la lentille du collimateur, seule la longueur d’onde de conception (980 nm) est parfaitement parallèle ; les courtes longueurs d’onde convergent légèrement et les longues divergent légèrement, mais cela reste acceptable
- 160 $ chez Thorlabs ; une paire à 70 $ l’unité a été trouvée sur eBay
- Un miroir à revêtement argent dirige le faisceau vers le réseau : 25 $ sur eBay (35 $ neuf chez Thorlabs) ; les miroirs diélectriques pour visible sont hors bande en proche infrarouge et ne conviennent pas
- Une lentille cylindrique est utilisée pour refocaliser le faisceau diffracté sur le détecteur
- Le faisceau focalisé prend la forme d’une ligne d’environ 0,5 mm de large et 2 mm de haut, ce qui assouplit la tolérance d’alignement à environ 1 mm
- Sa forme rectangulaire facilite aussi le montage avec du simple ruban adhésif double face
- L’implantation optique a été tracée par lancer de rayons avec Optometrika ; la position de la lentille cylindrique a été optimisée par essais successifs (focale de 150 mm, donc tolérance élevée)
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Analyse de la résolution
- Le grossissement de l’optique est de 150 mm (lentille cylindrique) / 11 mm (collimateur) = 13,6×
- Trois principaux facteurs d’élargissement :
- Fente d’entrée : le cœur de 50 um produit une tache de 0,68 mm, soit un élargissement spectral d’environ 6 nm
- Réseau : la résolution de diffraction de premier ordre est égale au nombre de lignes éclairées ; un faisceau de 2 mm contribue pour une résolution de 1 200, soit environ 1 nm
- Fente de sortie : environ 3 nm d’élargissement supplémentaire
- La cause principale d’élargissement est la taille de la fente d’entrée (le cœur de la fibre) ; on peut l’améliorer en réduisant le grossissement avec une plus grande lentille et un collimateur de plus longue focale
- Résolution finale mesurée : 3 à 4 nm à 1000 nm, et 5 à 6 nm à 1500 nm
- Le spectromètre InGaAs d’Edmund Optics utilisant la même entrée SMA-905 est à 4 nm, et le spectromètre compact d’Ocean Insight à 10 nm FWHM ; ils coûtent respectivement environ 12 000 $ et 8 000 $
Fabrication
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Réseau de diffraction
- Au lieu d’un morceau de CD-ROM, utilisation d’un réseau réfléchissant blazé Thorlabs (70 $), spécifié à 600 lines/mm, 12,7×12,7×6 mm, blaze à 1000 nm
- Fabrication maison d’une petite « monture optique » pour petits composants optiques carrés, afin de les maintenir sans les endommager
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Électronique
- L’électronique du détecteur se compose d’un amplificateur transimpédance et d’un ADC 24 bits
- Le cœur est l’amplificateur opérationnel AD8656, à courant de biais d’entrée de 1 pA et bruit extrêmement faible, avec une résistance de gain de 100 mégohms convertissant 1 pA en 100 uV
- La photodiode fonctionne à polarisation nulle (mode « photovoltaïque »), ce qui supprime le courant d’obscurité
- Le signal entre dans un AD7793, ADC de précision à faible bruit avec filtrage numérique intégré ; à la vitesse minimale (4,17 Hz), son bruit est de 40 nV
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Alimentation et blindage
- Les fortes variations et ondulations de l’alimentation USB 5 V sont résolues avec un régulateur linéaire LT3042 (PSRR supérieur à 100 dB), excellent pour nettoyer une alimentation sale
- Le circuit est très sensible au couplage capacitif avec les conducteurs environnants (notamment le corps humain, qui injecte du bruit à 60 Hz), à cause des nœuds haute impédance de plusieurs dizaines de mégohms à l’entrée de l’ampli-op
- Un blindage électrostatique, et non un simple blindage EMI, est indispensable : la carte et la photodiode sont enveloppées de ruban, feuille et plaque d’aluminium reliés à la masse
- Une meilleure méthode consisterait à connecter un support dédié pour photodiode à un PCB à double plan de masse via un câble coaxial
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Analyse du bruit
- Une fois les sources externes bloquées, le bruit intrinsèque restant provient de trois endroits : la photodiode, l’amplificateur et la résistance de rétroaction R
- Dans la bande 1 à 100 Hz, le bruit de l’amplificateur est principalement du bruit 1/f, difficile à moyenner ; de 0,1 à 10 Hz, il est d’environ 0,3 uVrms (soit 3 fA rapportés à l’entrée)
- La résistance R et la photodiode contribuent chacune par bruit thermique à hauteur de 13 fA/√Hz et 9 fA/√Hz (en supposant une résistance shunt de 200 MΩ)
- À la mesure la plus lente, 4,17 Hz, le bruit RMS combiné est d’environ 30 fA ; dans l’obscurité, l’écart-type du signal est d’environ 18 fA, ce qui atteint pratiquement la limite du bruit thermique
- Pour améliorer encore, il faudrait placer le capteur et l’amplificateur dans de l’azote liquide
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Composition des éléments
- L’alimentation (5 V 2 A) est sur la paroi gauche, la carte contrôleur en haut, et la carte détecteur fixée au moteur pas à pas linéaire
- Le microcontrôleur est une carte STM32 Nucleo-32, avec un driver de moteur pas à pas séparé
- La carte détecteur regroupe le régulateur faible bruit, l’ADC et l’amplificateur transimpédance ; le ruban de blindage autour de l’amplificateur est crucial pour obtenir un faible bruit
- La fente a d’abord été faite avec une lame de rasoir, puis remplacée : lorsqu’elle était trop éloignée de la photodiode, le flux chutait fortement aux grands angles d’incidence ; deux bandes de ruban noir ont donc été directement collées sur la fenêtre frontale
Validation des performances
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Source d’étalonnage
- Il faut une source lumineuse de longueur d’onde et de largeur de raie connues ; pour l’alignement grossier, un pointeur laser vert de 505 nm a été utilisé (la diffraction de 2e ordre coïncide angulairement avec le 1er ordre à 1010 nm)
- Les lampes d’étalonnage au mercure et argon-néon sont chères, environ 300 $ selon Newport ; les tubes spectraux à gaz nécessitent une alimentation haute tension
- Une lampe fluorescente de bureau s’est révélée être une source d’étalonnage parfaite, à condition qu’il s’agisse bien d’une ampoule fluorescente, et non d’une LED ou d’une ampoule à incandescence
- Les lampes fluorescentes contiennent de la vapeur de mercure et un gaz inerte qui émettent des ultraviolets, convertis en lumière visible par un phosphore
- Le mercure neutre possède des raies d’émission à 436, 543, 546, 1014, 1357, 1367 et 1530 nm ; les quatre dernières sont utiles pour l’étalonnage en proche infrarouge
- La lampe de bureau contient aussi de l’argon, fournissant de nombreuses raies d’émission entre 800 et 1000 nm
- Les raies sont identifiées dans le spectre pour établir la correspondance position-longueur d’onde, puis reliées par interpolation ; la lentille cylindrique est alignée pour que le pic à 1014 nm soit le plus net possible (FWHM d’environ 3 nm)
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Correction de la réponse spectrale
- La fonction de réponse spectrale, c’est-à-dire l’amplitude du signal par unité de flux lumineux selon la longueur d’onde, est corrigée ; une erreur de 10 % sur le signal absolu ne pose pas problème pour les mesures de réflexion et de transmission
- Une lampe halogène quartz à 10 $ achetée dans une quincaillerie locale est supposée être une source de corps noir à 3200 K pour corriger la réponse spectrale
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Mesures de transmission
- Un illuminateur à fibre à 70 $ a été acheté séparément sur eBay, et un mini banc de test a été réalisé pour mesurer les spectres de transmission de filtres et de cristaux
- Il produit un faisceau blanc à divergence d’environ 2°, avec un diamètre réglable d’environ 0,5 mm à 1 cm, collecté de l’autre côté par un collimateur de fibre
- Un filtre long-pass 790 nm placé devant le collimateur bloque les interférences de diffraction de 2e ordre de la lumière visible
- Seuls les échantillons plats sans puissance optique peuvent être mesurés ; les éléments qui modifient la forme du faisceau, comme les lentilles, donnent des résultats inexacts
- Mesure de la courbe de transmission d’un cristal Nd:YAG (2×2×10 mm, dopage 1 %) : observation du fond dû aux réflexions d’interface et des pics d’absorption du Nd:YAG
- La lumière à 808 nm, la plus couramment utilisée pour le pompage par diode, est presque entièrement absorbée
- Un illuminateur à fibre à 70 $ a été acheté séparément sur eBay, et un mini banc de test a été réalisé pour mesurer les spectres de transmission de filtres et de cristaux
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Mesure de fluorescence et plage dynamique
- Le spectre de fluorescence est mesuré avec une diode de pompe à 808 nm (environ 100 mW), affiché en échelle logarithmique
- Le pic le plus fort est à 1064 nm ; les raies d’émission à 946, 1116, 1319, 1338, 1357, 1414, 1431 et 1444 nm sont également nettes
- Avec ce réglage (gain 16, constante de temps 1/8,33 Hz), le signal maximal mesuré est de 800 pA et le plancher de bruit d’environ 0,2 pA, soit une plage dynamique de 4 000:1 (72 dB)
- Avec une constante de temps plus grande et un gain plus faible, elle peut être améliorée jusqu’à 100 000:1
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Cet article et ce projet sont assez impressionnants, car ils sont l’œuvre de la personne qui a découvert la supraconductivité dans le graphène bicouche torsadé
Le simple fait de pouvoir fabriquer pour 500 dollars quelque chose qui coûte habituellement 10 000 dollars est déjà intéressant
Projet vraiment excellent. J’avais essayé de construire un spectromètre Raman DIY, ce qui est possible même pour moins de 100 dollars [1], mais la spectroscopie proche infrarouge ouvre clairement davantage de possibilités
Je ne suis pas scientifique, mais j’aime l’idée de pouvoir accéder à ce type d’outil. D’après ce que j’ai compris, la spectroscopie Raman est limitée aux molécules cristallines asymétriques ; par exemple, avec quelque chose comme le sel, il est difficile d’obtenir une réflexion correcte et donc une lecture exploitable
Correction : le proche infrarouge est complémentaire. « Dans les molécules ayant des vibrations d’élongation symétriques, les vibrations actives en Raman ne sont pas visibles dans l’infrarouge ; dans les molécules ayant des vibrations d’élongation asymétriques, les vibrations actives en infrarouge ne sont pas visibles dans le spectre Raman. C’est ce qu’on appelle le principe d’exclusion mutuelle, qui fait de la spectroscopie NIR et de la spectroscopie Raman des techniques complémentaires » [2]
Ce que j’aimerais vraiment savoir, c’est s’il est possible de détecter des phtalates dans les plastiques, ou des métaux lourds comme le cadmium dans des produits métalliques. Après en avoir parlé avec des personnes expérimentées, il semble qu’il vaille finalement mieux envoyer ce genre d’échantillon à un laboratoire pour une analyse GC/MS, mais j’aimerais tout de même voir s’il est possible de fabriquer plusieurs spectromètres Raman ou proche infrarouge pour des pharmacies dans des pays du tiers-monde. Les médicaments contrefaits y sont un vrai problème, et cela ne devrait pas rester ainsi
[1] https://www.hackteria.org/wiki/images/a/a0/MobPhone_RamanSpe...
[2] https://www.labmate-online.com/news/mass-spectrometry-and-sp...
Laser (40 $) : https://a.co/d/0wjNGBz
Réseau de diffraction (12 $) : https://a.co/d/6bpO8xm
Lentille de focalisation du laser : introuvable
Lentille de collecte de fluorescence : introuvable
Lentille de focalisation : introuvable
Lentille de collimation : introuvable
Le coût vient en grande partie de l’usage prévu. La garantie de performance implique une responsabilité en cas d’échec de conception, et le matériel scientifique doit être très cohérent par rapport à son objectif
Presque personne ne fabrique de capteurs optiques pour amateurs. En cherchant un projet nécessitant un laser, les seules options étaient soit d’abandonner, soit d’acheter sur eBay un capteur de la fin des années 1980 à 4 000 dollars, sans logiciel ni câble propriétaire, puis de le rétroconcevoir. Même une version USB du début des années 2000 coûtait 10 000 dollars sans logiciel, sans parler du nouveau modèle USB3 à 50 000 dollars
Le matériel optique est absurdement cher, alors que même pour des travaux avancés, il arrive qu’on n’ait besoin que d’outils de base
Les équipements Flir étaient militaires, mais on peut désormais acheter, pour quelques centaines de dollars, des modèles chinois bon marché sans restrictions d’exportation américaines, sous forme de dongles pour téléphone, et voir les composants qui surchauffent sur un PCB ou les zones mal isolées d’une maison
Maintenir un liquide à une température précise relevait du laboratoire, mais on peut maintenant acheter un cuiseur sous vide à 50 dollars. Des dispositifs médicaux comme les oxymètres de pouls sont eux aussi descendus autour de 1 dollar ou 1 euro
Quand les prix baissent, davantage de gens trouvent davantage d’usages, davantage d’entreprises se mettent à en fabriquer, et cela crée une boucle qui fait encore baisser les prix
L’implémentation clé qui réduit le coût consiste à remplacer une coûteuse matrice de capteurs InGaAs par une photodiode unique montée sur un moteur, afin de balayer physiquement l’espace
Dans des travaux précédents, j’ai utilisé des spectromètres infrarouges industriels et scientifiques coûtant plus de 100 000 dollars. La sensibilité du matériel physique compte, surtout en recherche fondamentale, mais ce qui détermine souvent l’utilisabilité réelle, c’est le logiciel. Les logiciels de spectrométrie modernes intègrent un traitement du signal avancé et de l’apprentissage automatique
J’aimerais qu’il existe davantage de communautés de science fondamentale auxquelles des amateurs puissent contribuer, en dehors du monde académique et des organismes publics de financement
Comme les clubs d’astronomie amateur : les astronomes amateurs contribuent encore largement à leur domaine. Ce serait bien qu’ils puissent contribuer à plus grande échelle, et de façon plus importante. J’aimerais voir davantage d’articles de scientifiques amateurs sur HN
Il existe aussi la Society for Astronomical Sciences, qui couvre un champ plus large tout en se concentrant dans une certaine mesure sur l’instrumentation, le Center for Backyard Astrophysics, spécialisé dans certaines étoiles variables, et l’International Occultation and Timing Association, qui observe les occultations d’étoiles par des astéroïdes afin d’en estimer la forme. La plupart des pays ont aussi des organisations similaires
Au sein de la SAS, un groupe fabrique le spectromètre optique automatique pour l’astronomie FlexSpec 1 (https://flexspec1.readthedocs.io/en/latest/). Les composants coûtent environ 500 dollars, et des appareils comparables se vendent autour de 3 000 dollars
Bon projet. Si nécessaire, on peut ajouter un condensateur Cf à faible absorption diélectrique en parallèle avec la résistance de réglage de gain Rf afin de moyenner davantage le bruit.
Si le bruit lié à la fréquence du secteur reste un problème, on peut aussi le traiter. Une autre amélioration consisterait à ajouter une roue de hachage optique pour gérer le bruit 1/f de l’ensemble du système. L’inconvénient est qu’il faut une fréquence d’échantillonnage plus élevée, puis effectuer ensuite la démodulation et le filtrage en externe. Par ailleurs, Cf est limité aux fréquences plus élevées.
Il existe un projet similaire où une seule photodiode est placée dans une sorte de caméra à sténopé : https://hackaday.com/2016/05/18/using-missile-tech-to-see-li...
Entre ça, les radiotélescopes DIY et le radar Wi‑Fi, on finira peut-être un jour par avoir un vrai tricordeur.
Si vous ne voulez pas attendre la fin de l’animation du contenu, faites ceci :
javascript:document.querySelectorAll(".animate-box").forEach(e => { e.classList.remove('animate-box') })C’est très bien, mais une grande partie de ces 10 000 dollars correspond probablement à des coûts de certification qu’on ne peut pas obtenir en DIY. C’est excellent pour un usage amateur, mais on ne pourra probablement pas le vendre avec 9 500 dollars de marge.
On paie peut-être beaucoup de choses liées au fonctionnement d’une entreprise dont un bricoleur qui fabrique seul n’a pas besoin. En plus, beaucoup de chercheurs achètent leur matériel sur des budgets de recherche, donc, selon les cas, ils peuvent être moins sensibles au prix.
Je ne doute pas que les produits commerciaux soient pré-étalonnés et certifiés, mais je serais assez surpris si cette certification et cet étalonnage coûtaient réellement autour de 9 000 dollars.
Les entreprises arbitrent tous les jours entre fabriquer elles-mêmes ou acheter. Cet article montre qu’il est possible de construire et de valider un instrument avec les connaissances et compétences attendues de la plupart des chercheurs principaux.
Si j’étais directeur de laboratoire, j’aimerais avoir des personnes capables d’envisager l’option de fabriquer en interne quand c’est pertinent. Cela permet d’intégrer le système et d’adapter la validation à nos besoins. C’est ce qui nourrit la propriété intellectuelle propre et l’évolution de carrière.
Il fonctionnera pendant un certain temps, mais en cas de problème, la maintenance sera difficile, et le logiciel ne sera probablement pas très abouti. Vendre un spectromètre commercial implique beaucoup de coûts qui ne figurent pas dans la nomenclature des composants.
Si vous voulez le fabriquer vous-même, c’est très bien, mais même un spectromètre en lumière visible basé sur un capteur unique avec des composants bon marché ne s’achète pas à un prix proche de la somme du coût des pièces.