- 単一のInGaAsフォトダイオード1個で800〜1600 nmの領域を測定する、光ファイバー結合型分光器を約500ドルで製作
- シリコンCMOSセンサーはバンドギャップ約1.1 eVの限界により、約1100 nm以上は検出不可。これを超えるには、バンドギャップを約0.4 eVまで調整できるInGaAs半導体が必要
- ピクセルアレイの代わりに、単一のフォトダイオードをステッピングモーターでスキャンする方式で、高価なInGaAsアレイのコストを回避
- デスク用蛍光灯を水銀・アルゴン輝線の校正光源として活用し、位置-波長キャリブレーションを実施
- 3〜4 nm FWHM @ 1000 nmの分解能を達成し、8,000〜12,000ドル級の市販InGaAs分光器に匹敵
背景と動機
- 携帯電話のカメラとCD-ROMの回折格子で作る分光器はよくあり、製作費は約5ドルにすぎない
- しかしシリコンベースのカメラ（CMOSセンサー）は物理的限界により、約1100 nmまでしか反応しない
- シリコンのバンドギャップは約1.1 eVで、それより長い波長では電子-正孔対を励起できない
- より長い波長を測定するには別の半導体が必要で、インジウム/ガリウム比によってバンドギャップを約0.4 eVまで調整できるInGaAsを採用
- 1次元InGaAsピクセルアレイだけでも数千ドル級で、本格的なIR分光器システムは熱電冷却・精密格子を含めると1万ドルを超える
- 高価な理由は、主なユーザー層が一般消費者ではなく科学研究者だから
- レーザー光学を趣味としており、1100 nm以上の近赤外光源の分析が必要だったため、DigiKeyで単一のInGaAsフォトダイオードが約20ドルであることを確認
- シリコンフォトダイオードより100倍高いが、これ1個で分光器製作がDIYの範囲内に収まると判断
- 完成品は800〜1600 nmを測定する光ファイバー結合型IR分光器
原理と設計
- 分光器はスリット、回折素子、検出器、そしてそれらをつなぐリレー光学系という4つの構成要素からなる
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入力スリットと光ファイバー
- 入力光ファイバーが入力スリットの役割を果たし、50 umコアのマルチモード光ファイバーで光量と分解能の折り合いをつける
- 2 mのSMA-905パッチケーブルはAliExpressで約40ドル、Thorlabsで70ドル
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回折格子
- 設計波長800〜1600 nmに合わせて600 line/mmの線密度を選択し、設計波長範囲で40°の分散を確保
- 入射角50°基準では2次・3次回折が入射ビームと重なり、使用不可
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検出器スキャン方式
- 単一の「ピクセル」フォトダイオードで複数角度の光を検出するため、モーターに取り付けてスキャン
- Amazonで50ドルで購入したステッパー駆動リニアステージを使用し、1ステップあたり5 umの分解能で十分
- InGaAsフォトダイオードの有効領域はϕ1mmで、アルミマスキングテープを使って幅約0.3 mmの出力スリットを製作
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リレー光学系（DIY向け設計）
- 入力スリットを平行ビームにデフォーカス → 格子へ導く → 回折ビームをセンサーに集光、という3段階が必要
- 伝統的な方式は色収差を最小化する全反射鏡構成のCzerny-Turner設計だが、放物面鏡のアライメントは光学ベンチなしでは非常に難しいため、別の経路を選択
- ファイバーコリメーターで光ファイバー出力を平行ビームに変換し、SMA-905コネクターで直接接続可能
- コリメーターレンズの色収差により、設計波長（980 nm）だけが完全に平行で、短波長はやや収束、長波長はやや発散するが許容範囲
- Thorlabsで160ドル、eBayで1個70ドルのペアを入手
- 銀コーティングミラーでビームを格子へ導く。eBayで25ドル（新品のThorlabsは35ドル）。可視光用誘電体ミラーは近赤外では帯域外のため不適
- 回折ビームを検出器へ再集光するためにシリンドリカルレンズを使用
- 集光ビームが幅約0.5 mm、高さ約2 mmのライン形状になり、アライメント許容差が約1 mmに緩和される
- 長方形の形状なので、両面テープだけでも取り付けが容易
- 光学配置はOptometrikaで光路のレイトレーシングを実施し、シリンドリカルレンズ位置は試行錯誤で最適化（焦点距離150 mmで許容差が大きい）
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分解能分析
- 光学系の倍率は150 mm（シリンドリカルレンズ） / 11 mm（コリメーター） = 13.6倍
- 3つの主な広がり要因:
- 入力スリット: 50 umコアが0.68 mmのスポットを生成し、波長で約6 nm広がる
- 格子: 1次回折の分解能は照明される線数と同じで、2 mmビームは分解能1,200となり約1 nm寄与
- 出力スリット: 約3 nmの追加広がり
- 主な広がりの原因は入力スリット（光ファイバーコア）のサイズで、より大きなレンズ・より長い焦点距離のコリメーターで倍率を下げれば改善可能
- 最終的な実測分解能は3〜4 nm @ 1000 nm、5〜6 nm @ 1500 nmを達成
- 同じSMA-905入力を使うEdmund OpticsのInGaAs分光器は4 nm、Ocean Insightの小型分光器は10 nm FWHMで、価格はそれぞれ約12,000ドル、8,000ドル
製作
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回折格子
- CD-ROM片の代わりにThorlabsのブレーズド反射型格子（70ドル）を使用。仕様は600 line/mm、12.7×12.7×6 mm、1000 nmブレーズ
- 小さな四角い光学部品用の小型「光学マウント」を自作し、損傷させずに固定
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電子回路
- 検出器の電子部はトランスインピーダンスアンプと24ビットADCで構成
- 中核は入力バイアス電流1 pA、超低ノイズのAD8656オペアンプで、100メガオームのゲイン抵抗により1 pAを100 uVへ変換
- フォトダイオードはゼロバイアス（「光起電力」モード）で動作し、暗電流を除去
- 信号はデジタルフィルタ内蔵の高精度低ノイズADCであるAD7793へ入力。最低速（4.17 Hz）でノイズ40 nV
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電源とシールド
- 5V USB電源の大きな変動・リップル問題をLT3042リニアレギュレーター（PSRR 100 dB以上）で解決。汚い電源の処理に優れる
- 回路は周囲の導体（特に60 Hzノイズを出す人体）との容量結合に非常に弱く、オペアンプ入力の数十メガオームという高インピーダンスノードが原因
- 一般的なEMIシールドではなく静電シールドが必須で、接地したアルミテープ・箔・板で回路基板とフォトダイオードを包む
- より良い方法は、専用フォトダイオードソケットを同軸ケーブルで二重グランドプレーンPCBに接続すること
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ノイズ分析
- 外部ソースを遮断した後に残る内在ノイズは、フォトダイオード、アンプ、フィードバック抵抗Rの3か所で発生
- 1〜100 Hz帯域では、アンプノイズは平均化しにくい1/fノイズが主体で、0.1〜10 Hzでは約0.3 uVrms（入力換算3 fA）
- 抵抗Rとフォトダイオードは熱雑音として、それぞれ13 fA/√Hz、9 fA/√Hz寄与（シャント抵抗200 MΩを仮定）
- 4.17 Hzの最低速測定時、RMS合算ノイズは約30 fA、無光時の信号標準偏差は約18 fAで、実質的に熱雑音限界に到達
- さらなる改善には、センサーとアンプを液体窒素に入れる方法が必要
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部品構成
- 電源（5V 2A）は左側の壁、コントローラーボードは上部、検出器ボードはリニアステッピングモーターに固定
- マイクロコントローラーはSTM32 Nucleo-32ボードで、ステッピングモータードライバーは別途搭載
- 検出器ボードには低ノイズレギュレーター・ADC・トランスインピーダンスアンプを配置し、アンプ周辺のシールドテープが低ノイズ化に重要
- スリットは当初カミソリ刃で作ったが、フォトダイオードから遠いと大きな入射角で光量が大きく低下するため、前面窓に黒いテープ2枚を直接貼り付ける方式に変更
性能検証
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校正光源
- 既知の波長・線幅を持つ光源が必要で、粗いアライメントには505 nmの緑色レーザーポインターを使用（2次回折が1010 nmの1次と同じ角度）
- 水銀灯・アルゴン-ネオン校正ランプはNewport基準で約300ドルと高価で、ガススペクトル管は高電圧電源が必要
- デスク用蛍光灯が完璧な校正光源だと判明。ただし蛍光灯電球である必要があり、LED・白熱電球は不可
- 蛍光灯は水銀蒸気と不活性ガスが紫外線を放出し、蛍光体が可視光へ変換する
- 中性水銀は436、543、546、1014、1357、1367、1530 nmの輝線を持ち、後ろの4本が近赤外校正に有用
- デスクランプにはアルゴンガスも封入されており、800〜1000 nm領域の輝線を多数提供する
- スペクトル中の線を識別して位置-波長対応を取り、補間でつなぐ。1014 nmピークが最も鋭くなるように（FWHM 約3 nm）シリンドリカルレンズを調整
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分光応答補正
- 波長ごとの単位光量あたりの信号振幅（分光応答関数）を補正。絶対信号の10%誤差は反射・透過測定では問題にならない
- 地元の金物店で買った10ドルの石英ハロゲンランプを3200 Kの黒体光源と仮定して分光応答を補正
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透過測定
- eBayで70ドルのファイバーイルミネーターを別途購入し、フィルター・結晶の透過スペクトル測定用ミニテストベンチを製作
- 発散角約2°、ビーム径約0.5 mm〜1 cmに調整可能な白色ビームを生成し、反対側のファイバーコリメーターで収集
- コリメーター前の790 nmロングパスフィルターで、可視光の2次回折干渉を遮断
- 光学パワーのない平坦な試料のみ測定可能で、レンズのようにビーム形状を変える素子は不正確
- Nd:YAG結晶（2×2×10 mm、1%ドープ）の透過曲線を測定し、界面反射の背景とNd:YAG吸収ピークを観察
- ダイオードポンピングで最も一般的に使われる808 nm光は、ほぼ完全に吸収される
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蛍光測定とダイナミックレンジ
- 808 nmポンプダイオード（約100 mW）で蛍光スペクトルを測定し、ログスケールで表示
- 最強ピークは1064 nmで、そのほか946、1116、1319、1338、1357、1414、1431、1444 nmの輝線も明瞭
- この設定（ゲイン16、時定数1/8.33 Hz）で最大測定信号800 pA、ノイズフロア約0.2 pAとなり、ダイナミックレンジ4,000:1（72 dB）
- より大きな時定数と小さなゲインを使えば100,000:1まで改善可能
1件のコメント
Hacker News のコメント
この記事とプロジェクトは、二層ツイストグラフェンで超伝導性を発見した人物の仕事なので、かなり印象的
通常1万ドルするものを500ドルで作れるという点だけでも、すでに興味深い
本当に素晴らしいプロジェクト。DIYのラマン分光器を作ろうとしたことがあり、それは100ドル以下でも可能だが [1]、近赤外分光は確実にさらに多くの可能性を開いてくれる
科学者ではないが、こうしたツールにアクセスできるという発想がいい。理解している限りでは、ラマン分光は非対称な結晶性分子に限られるので、たとえば塩のようなものでは適切な反射を得て読み取るのが難しいと思う
追記: 近赤外は補完的なもの。「対称伸縮振動を持つ分子では、ラマン活性振動は赤外では見えず、非対称伸縮振動を持つ分子では、赤外活性振動はラマンスペクトルでは見えない。これは相互排他則と呼ばれ、NIRとラマン分光を相互補完的な技術にしている」 [2]
本当に知りたいのは、プラスチック中のフタル酸エステルや、金属製品中のカドミウムのような重金属を検出できるのかということ。経験豊富な人たちと話してみると、こういうものは結局ラボに送ってGC/MSを依頼するのが正しいのだろうが、それでも第三世界の薬局向けにラマンや近赤外分光器を何台も作れるのか見てみたい。偽造医薬品はそこで実際の問題であり、そのままである必要はない
[1] https://www.hackteria.org/wiki/images/a/a0/MobPhone_RamanSpe...
[2] https://www.labmate-online.com/news/mass-spectrometry-and-sp...
レーザー($40): https://a.co/d/0wjNGBz
回折格子($12): https://a.co/d/6bpO8xm
レーザー集光レンズ: 見つからない
蛍光収集レンズ: 見つからない
集光レンズ: 見つからない
コリメートレンズ: 見つからない
コストは、想定される用途から来る面が大きい。性能保証は設計の失敗に対する責任であり、科学機器は目的に対して非常に一貫していなければならない
ホビー向けの光学センサーを作っているところはほとんどない。レーザーが必要なプロジェクトを探していて、選択肢は諦めるか、eBayで1980年代後半のセンサーを4000ドルで買い、ソフトウェアも独自ケーブルもないものをリバースエンジニアリングすることだけだった。2000年代初頭のUSB版もソフトウェアなしで1万ドルで、新品のUSB3モデルが5万ドルなのは言うまでもない
光学機器はばかげて高価で、高度な作業でも時には基本的な道具だけで足りることがある
Flirの機器は軍用だったが、今では米国の輸出規制のない低価格の中国製を、数百ドルのスマホ用ドングルとして買うことができ、PCBで過熱している部品や家の断熱が悪い箇所を見られる
液体を正確な温度に保つのは実験室の仕事だったが、今では50ドルの低温調理器を買える。血中酸素計のような医療機器も、今では1ドル・1ユーロ台まで下がっている
価格が下がると、より多くの人がより多くの用途を見つけ、より多くの企業が作ることで価格がさらに下がるという循環構造が生まれる
コストを下げた中核的な実装は、高価なInGaAsセンサーアレイの代わりに単一のフォトダイオードをモーターに取り付け、空間を物理的にスキャンする方式
以前の仕事では、10万ドルを超える産業用・科学用の赤外分光器を使っていた。物理機器の感度も重要だが、特に基礎研究ではそうで、実用性を左右するのはしばしばソフトウェア。現代の分光器ソフトウェアには高度な信号処理と機械学習が入っている
学界や国家支援機関以外にも、アマチュアが貢献できる基礎科学コミュニティがもっと増えるといい
アマチュア天文同好会のように、アマチュア天文家はいまも自分の分野に広く貢献している。より大きな規模で、より重要な形で貢献できるといい。HNにアマチュア科学者の記事がもっと増えてほしい
そのほか、より広い範囲を扱いながら機器にある程度焦点を当てたSociety for Astronomical Sciences、特定の変光星に特化したCenter for Backyard Astrophysics、星を隠す小惑星の掩蔽を観測して形状を推定するInternational Occultation and Timing Associationもある。ほとんどの国にも似た組織がある
SASの中には、天文学用の自動光学分光器FlexSpec 1を作るグループがある(https://flexspec1.readthedocs.io/en/latest/)。部品代は約500ドルで、似た装置は約3000ドルで販売されている
良いプロジェクト。必要なら、ゲイン設定抵抗 Rf と並列に 低誘電吸収コンデンサ Cf を入れて、ノイズをさらに平均化できる
電源周波数ノイズが引き続き問題になるなら、それも対処可能。もう一つの改善点は、システム全体の 1/f ノイズに対応するために光学チョッパーホイールを追加すること。欠点は、より高いサンプリングレートが必要で、その後に外部で復調とフィルタリングを行う必要がある点。また Cf はより高い周波数に制限される
単一のフォトダイオードを一種のピンホールカメラ内に入れた、似たプロジェクトがある: https://hackaday.com/2016/05/18/using-missile-tech-to-see-li...
これと DIY 電波望遠鏡、Wi-Fi レーダーまで見ていると、いつか本物の トライコーダー が出てくるかもしれない
コンテンツのアニメーションが終わるのを待ちたくなければ、こうすればよい:
javascript:document.querySelectorAll(".animate-box").forEach(e => { e.classList.remove('animate-box') })とても良いが、その 1 万ドルのかなりの部分は、DIY では得られない 認証費用 である可能性が高い。趣味用途としては素晴らしいが、9500 ドルの利益を乗せて売ることはできないだろう
一人で作る DIY 製作者には不要な、事業運営上の多くのものに対してお金を払っている、ということかもしれない。さらに、多くの研究者は研究費で機器を買うため、場合によっては価格に鈍感なこともある
商用製品が事前に校正され、認証されていることは疑わないが、その認証と校正そのものに実際約 9000 ドルもかかっているのだとしたら、かなり驚くと思う
企業は毎日、自作するか購入するか を判断している。この記事は、ほとんどの主任研究者に期待される知識と技術で機器を作り、検証できることを示している
私が研究所長なら、妥当な場合に自作という選択肢を検討できる人たちがいてほしいと思う。そうすれば、システム統合と検証をこちらの要件に合わせられる。それが独自の知的財産とキャリア形成の材料になる
しばらくは動くだろうが、問題が起きたら保守は難しく、ソフトウェアもそれほど洗練されてはいないだろう。商用分光器を売るには、部品表には載らない費用が多くかかる
自作したいなら素晴らしいが、安価な部品を使った単一センサー式の可視光分光器でさえ、部品代の合計に近い価格では買えない