היתרונות בספקטרומטריה מבוססת שריגי העברה

במהלך 15 השנים האחרונות, התפתח שוק לא מבוטל של ספקטרומטרים קומפקטיים במחירים תחרותיים. גודל שוק הספקטרומטרים המיניאטוריים היום מוערך בכמה מאות מיליוני דולרים ובעל מגוון אפליקציות ובכללם אפליקציות רפואיות (כגון ניתוח ספקטראלי של המצאות המוגלובין) ,דרך אפליקציות בתחום הטקסטיל (כגון קביעת צבע מדויק עבור בדים שונים) ועד מיון לדים (LEDS) במפעלי ייצור מוליכים למחצה.

איור 1. שרטוטי הספקטרומטרים השונים ומהלך קרניי האור בקונפיגורציות השונות

מרבית הספקטרומטרים הללו מבוססים על מבנה מסוג Crossed Czerny-Turner וכוללים בתוכם שריג החזרה המשמש כאלמנט נפיצה ומפזר את האור הנכנס אל עבר גלאי חד מימדי (ליניארי). ההצלחה הגדולה של תכנון אופטי זה נעוצה בסיבות הבאות:
א) המבנה מאפשר מהלך קרן מקופלת ונפח קטן יחסית לספקטרומטר.
ב) ניתן לייצר את שריגי ההחזרה בכמויות גדולות (ייצור תעשייתי) ובעלויות נמוכות.
במאמר זה נציג שתי אלטרנטיבות של ספקטרומטרים קומפקטיים (מיניאטוריים) המבוססים על שריגי העברה (בניגוד לשריגי החזרה) ונסביר את היתרונות הייחודיים לשריגים אלו בהיבט הגיאומטריה והתכנון:
מבנה ספקטרומטר שכזה מאפשר גישה קלה ונוחה אל מישור הגלאי ולכן מאפשר גמישות רבה יותר לאינטגרטורים ויצרני ספקטרומטרים.  העברה אור טובה יותר דרך השריג המתבטאת ברגישות גבוה יותר, זמני אינטגרציה קצרים יותר, סריקה ספקטראלית מהירה יותר ו/או יכולת להשתמש במקור אור חלש יותר או חסכוני יותר חשמלית. עד כה, באופן מסורתי ייצור של שריגי העברה באיכות גבוהה היה יקר וזה ככל הנראה נובע מהעובדה שהם לא יוצרו עבור ספקטרומטרים מיניאטוריים . למרות זאת, התפתחויות אחרונות בטכניקות הייצור הובילו לכך שעבור נפחי ייצור בינוניים ומעלה עלויות הייצור של שריגי העברה משתווים לאלו של שריגי החזרה.  כפועל יוצא, השילוב של היתרונות שבשריג העברה יחד עם מחירו שהפך לזמין ותחרותי מעורר עניין מחודש בשריגים אלו אצל רבים מיצרני הספקטרומטרים וכן מצד המשתמשים.
תצורות ספקטרומטרים
כל ספקטרומטר מורכב משלושה רכיבים אופטיים בסיסיים :
1. אופטיקה מיישרת בכניסת האור לספקטרומטר.
2. שריג נפיצה.
3. אופטיקה מפקסת המצמדת אורכי גל שונים מהספקטרום לעבר פיקסלים שונים בגלאי.
בשני סוגי הספקטרומטרים, היינו Czerny-Turner () וספקטרומטר מבוסס שריג העברה (TGS) נמצאים כל שלושת הרכיבים המוזכרים מעלה. עבור TGS, אנו

איור 2. שרטוטים סכמתיים של יחסי הגומלין הנ”ל (NA, גודל החריר והרזולוציה הספקטראלית)
מימין למטה: כניסת האור לספקטרומטר הינה משמאל לימין

נתבונן על שני עיצובים שונים ולהם מאפיינים שונים זה מזה במקצת. קונפיגורציה אחת נקראת (Lens Grating Lens) ועושה שימוש בשריג ושתי עדשות, ואילו הקונפיגורציה השנייה נקראת (Mirror Grating Mirror) וכמובן עושה שימוש בשתי מראות ושריג. באיור 1 ניתן לראות את שרטוטי הספקטרומטרים השונים ומהלך קרניי האור בקונפיגורציות השונות
א. CCT ב. LGL ג. MGM.
מספר מילים בנושא השוואות בין ספקטרומטרים:
בטרם נעמיק בהשוואה בין ספקטרומטרים מבוססי שריגי החזרה לאלו מבוססי שריגי העברה, נציין כמה שיקולי תכנון אופטי חשובים. פרמטרי המפתח אותם יש לשקול בבואנו לתכנן ספקטרומטר הם:  טווח אורכי גל רצוי (טווח ספקטראלי)  רזולוציה יחס אות-רעש ומידת “אור טועה” (Stray light) רצויה.  דרישות לטווח דינאמי. דרישות ליניאריות. שטף האור הנכנס אל הספקטרומטר.  המימדים הפיזיים של הספקטרומטר. באופן כללי, לא ניתן למקסם ולהפיק את המרב מכל הפרמטרים בו זמנית . לכן בבואנו להשוות בין ספקטרומטרים שונים עלינו להשוות רק בין ספקטרומטרים שתוכננו עבור אותה אפליקציה.
לדוגמא, הבה נשקול את הרזולוציה הספקטראלית אל מול כמות האור הנכנסת לספקטרומטר. מדובר במקרה זה בשני פרמטרים בעלי יחס הפוך ולכן מנוגדים זה לזה בהיבט התכנוני. כמות האור הנכנסת לספקטרומטר תלויה בשטח החתך של חריר הכניסה (SLIT) כפול המפתח הזוויתי של האור הנכנס בריבוע (NA). הרזולוציה לעומת זאת, מוגדרת להיות רוחב המקסימום של המדידה (FWHM) שמודד הספקטרומטר כאשר האור הנכנס אליו הוא מונוכרומאטי. הרזולוציה המינימאלית שיכול ספקטרומטר מסוים למדוד שווה לגודל כתם האור המונוכרומאטי הנופל על הגלאי כאשר מקור האור הינו מונוכרומאטי ונקודתי בכניסה לספקטרומטר. גודל הכתם המינימאלי הנופל על הגלאי נקבע באופן תיאורטי ע”י יחס גבול ההשתברות (DIFFRACTION LIMIT) שניתן להשיג במישור הגלאי. למרות האמור לעיל , עבור מרבית הספקטרומטרים המיניאטוריים, גודל הכתם המינימאלי ייקבע בעיקר ע”י סטיות אופטיות (אברציות, ABBERATIONS) בתוך הספקטרומטר (שמושפעות מהעדשות, המראות והשריג). לכן על מנת לקבל רזולוציה טובה יש לתכנן את הספקטרומטר כך שמעבר האור באופטיקה יהיה קרוב ככל הניתן למרכזו של הציר האופטי ובכך להקטין את הסטיות האופטיות (ABBERATIONS) ככל הניתן.זאת אומרת שזווית המפתח של הספקטרומטר (NA) צריכה להיות קטנה ככל הניתן וחריר הכניסה (SLIT) צריך גם הוא להיות קטן. חריר הכניסה יחד עם המפתח הזוויתי הקטן יבטיחו את השגת הרזולוציה המיטבית.
השוואה בין ספקטרומטרים בטכנולוגיות שונות :

איור 3.

כעת אנחנו מוכנים לבצע השוואות בין ספקטרומטרים שונים תוך הקפדה על השוואה נכונה ועניינית בה אנו משווים תפוחים לתפוחים. אם כן נבחר בלהשוות בין ספקטרומטרים עם NA של 0.11 וחריר כניסה קטן ככל הניתן. טבלה 1 מטה מספקת השוואה גסה של כלל המאפיינים במונחי: רזולוציה, תפוקה וגמישות בבחירת גלאי בהתבוננות על 3 סוגי הספקטרומטרים השונים. כמו שניתן לראות בקלות, כל שלוש הפלטפורמות מספקות את אותה רזולוציה ספקטראלית ביחס לטווח אורכי הגל אותם הם מכסים. זוהי תוצאה ישירה מכך שגודל הרכיבים האופטיים (עדשות, מראות ושריג) הם באותו יחס לגודל הכתם בכל הספקטרומטרים ולכן הסטייה האופטית (ABBERATION) זהה, והרי היא זו הקובעת את הרזולוציה בספקטרומטרים מיניאטוריים. מהטבלה ניתן לראות בבירור כי הקונפיגורציות LGL ו-MGM המתבססות על שריגי העברה מעבירות אור אל הגלאי באופן הטוב ביותר. נפרט יותר על תכונות אלו בהמשך. הבחירה בין קונפיגורציית LGL ל-MGM תלויה בעיקר בשיקולים הבאים. במידה ונדרש איסוף רב של אור מהדגימה על חשבון הרזולוציה – כדאי לשקול שימוש בספקטרומטר עם מפתח זוויתי (NA) גבוה יחסית. מצב כזה הינו אופטימאלי עבור קונפיגורציית ה-LGL משום שניתן להרחיב את האופטיקה (עדשות) ואת קוטר קרן האור הנכנסת מבלי לקבל חפיפת קרניים אופטית. מנגד אם נדרוש רזולוציה מיטבית וכמות האור הנכנסת פחות חשובה אזי קונפיגורציית ה-MGM עשויה להוכיח את עצמה כאופציה טובה יותר היות ומחירן של מראות זול משל העדשות. לבסוף בתחום האולטרא סגול (UV) פלטפורמת ה-MGM תהיה גם כן עדיפה על פני פלטפורמת ה-LGL היות וזכוכית ברמת גימור ל-UV תהיה על פי רוב יקרה יותר מאשר המראות.

איור 4. Geometry and typical wavelength dependent 1st order diffraction efficiency for a) transmission grating and b) blazed reflection grating.

עבירות אופטית
היתרון העיקרי של ספקטרומטרים מבוסס שריג העברה הוא העבירות האופטית הגבוהה דרך השריג. עובדה זאת נובעת מכך ששריגים אלו מספקים יעילות דיפרקציה גבוהה יותר מאשר שריגי החזרה. באיור מטה ניתן להתרשם מהשוואה של שריגי דיפרקציה שונים הנמצאים בשימוש תעשייתי רחב כיום. השריגים שנבחנו הינם לטווח הנראה (400-800 ננומטר). כמו שניתן לראות השריג ההולוגרפי מבוסס סילקה מספק כ-50-100% יותר עבירות אופטית בכל הטווח הספקטראלי וזאת ביחס לשריגי החזרה. עובדה זו היא פועל יוצא של מספר גורמים שונים. שריגי החזרה, על פי רוב יהיו מצופים במתכות אשר להן החזר נמוך (עד כ-90%). לעומתם שריגי העברה נחרטים ישירות על מצע סיליקה ולאחר מכן מצופים בציפוי אנטי רפלקטיבי (AR) על פני השטח ההפוכים לשריג. לכן ההעברה היא קרובה מאוד ל100% בהעדר מתכות מחזירות. כתוצאה מכך פחות אור הולך לאיבוד במעבר דרך השריג ויעילותו של שריג ההעברה טובה בהרבה.  בנוסף לכך,בניגוד לשריגי החזרה, בשריגי העברה ישנם יותר פרמטרים אותם ניתן לשנות/לכוון במהלך הייצור ובעזרתם לקבוע את יעילות העברת האור בשריג. הצורה הקווית של שריגי ההעברה יכולה להיות ממוקסמת (OPTIMIZED) בהיבט מחזוריות השריג וכן בעומק החריטה כפי שניתן להתרשם באיור מטה (איור 4 a). לעומתם, לשריגי ההחזרה יש רק פרמטר אחד שניתן לשנות על מנת לשפר את עבירות האור והוא ה-BLAZING ANGLE. מבנה קווי השריג ייקבע עפ”י זווית החזרה זו (BLAZE ANGLE) וכך גם צפיפות הקווים וכתוצאה מכך פרופיל ההעברה בטווח אורכי הגל הרצוי ייראה כמתואר באיור מטה (איור 4 b). אמנם אפשרי לקבל יעילות גבוהה בשריג ההעברה באורך גל ספציפי אך מיד משני צידיו תהיה ירידה חדה ביעילות העברה זו.

טבלה 1. בנתונים בטבלה השוונו בין הספקטרומטרים הבאים המוכרים הבאים: ROCK VIS BY IBSEN PHOTONICS, OCEAN OPTICS USB4000, AVANTES AVASPEC2048

גמישות עיצוב בגודל הגלאי
מהאיורים הסכמתיים של שלושת הספקטרומטרים (איור 1) עולה באופן די ברור כי מבנה הספקטרומטר מסוג LGL מספק את הגמישות הרבה ביותר בבואנו להחליף גלאי היות והגלאי מופרד באופן מובהק משאר חלקי הספקטרומטר וממהלכי הקרניים. עובדה זו נכונה גם לשאר הרכיבים האופטיים כגון פילטרים אופטיים , צמצמים וכו’ אותם ניתן להכניס בקלות לספקטרומטר LGL ואילו קשה יותר לבצע את השינויים עבור ספקטרומטרים מסוג CCT ו-MGM.

יציבות טמפרטורה
פלטפורמת ה-TGS המשתמשת בשריגי ההעברה עשויים סילקה מותכת טהורה ולכן שמישה בטווח טמפרטורות רחב. יתר על כך לסיליקה מותכת יש קבועי התפשטות תרמית נמוכים ביותר ולכן היציבות התרמית של ספקטרומטרים אלו טובה מאוד.  דוגמאות לאפליקציות:
בחלק זה נדגיש כמה אפליקציות עבורן ספקטרומטרים מבוססי שריגי העברה יכולים להוות יתרון משמעותי. דוגמאות אלו הנן מתאבן בלבד וברור שישנן עוד אפליקציות רבות בהן יהיה יתרון בולט לסוג זה של ספקטרומטרים. הארכת זמן חיי הבטרייה לספקטרומטרים ניידים:
ספקטרומטרים נישאים בעלי סוללות צוברים פופולאריות רבה ומשמשים כיום במגוון אפליקציות כגון: בדיקת צבעים מהירה עבור בדים שונים , זיהוי כימיקלים בתעשיות הפארמאצביות, אפליקציות גילוי וזיהוי ביטחוניות בהתבסס על ספטרוסקופיית ראמאן ועוד. באופן טבעי, אחד הפרמטרים החשובים למכשור כזה הינו אורך חיי הבטרייה הנקבע ע”י צריכת האנרגיה החשמלית של המכשיר. בעזרת ספקטרומטר מסוג LGL עם זווית מפתח (NA) 0.22 ושריג העברה מבוסס סילקה, קל להשיג יעילות העברה הגדולה פי 4 ביחס לספקטרומטר מבוסס CCT **.
הרגישות המשופרת הזו היא שמאפשרת להוריד את צריכת האנרגיה החשמלית של מקורות התאורה במערכת ולשפר את אורך חיי הבטרייה כתוצאה מכך.
שיפור יעילות תהליכי בקרה ספטרוסקופיים תוך קוויים  בהרבה מהתעשיות משתמשים בספקטרומטרים לבדיקות איכות ובקרת קו במהלך הייצור.
דוגמא מוכרת היא תעשיית הלדים (LEDs) בה הנורות נבדקות ברמת ה-WAFER עבור הפליטה הספקטראלית של הלדים.  באופן מובהק ישנו רצון שתהליכי בדיקה כאלו יקחו את מינימום הזמן הדרוש , לגבי הספקטרומטר הדבר אומר עבודה בזמני אינטגרציה קצרים ככל הניתן. מערכי גלאים המאפשרים זמני אינטגרציה הקצרים מ-1 מילישניות אמנם קיימים בשוק אך ברוב המקרים הגלאי לא יאסוף כמות אור מספקת בפרק זמן זה על מנת למדוד דבר למעט רעש הרקע.
** השוואה ישירה בין Ocean Optics USB2000 ובין Rock VIS RSV-300

עם זאת בעזרת שימוש בספקטרומטר עם זווית מפתח גבוהה (NA) ושריג העברה עם יעילות העברה גבוהה ניתן לקצר את זמני האינטגרציה בפקטור של 10-20 ביחס לספקטרומטרים מסורתיים המבוססים על שריגי החזרה.

סיכום
במסמך זה התבוננו על שני פתרונות של ספקטרומטרים גנריים וקומפקטים אשר שניהם מבוססים על שריגי העברה. תארנו את היתרונות הייחודיים של ספקטרומטרים מיניאטוריים שכאלו על פני ספקטרומטרים מסורתיים בעלי שריג החזרה. באופן כללי, ספקטרומטרים מבוססי שריגי העברה (TGS) צריכים להילקח בחשבון בכובד ראש בבחינת פתרון מתאים לאפליקציות רבות, במיוחד כשאחד או חלק מהפרמטרים הבאים חשובים לנו :  רמות תאורה נמוכות. זמני אינטגרציה קצרים/זמני סריקה מהירים.  גישה לגלאי לצורך הטמעה במערכות שונות. (OEM). יציבות תרמית גבוהה. עם ההתפתחויות האחרונות בייצור שריגים אופטיים, מחירם של שריגי העברה ושריגי החזרה הגיעו לאותו טווח מחירים. לכן הבחירה בפלטפורמת הספקטרומטר צריכה להיות תלויה בדרישות הטכניות מהספקטרומטר.  בתקווה שמסמך זה האיר את עיניך כקורא לעובדה שהבחירה האופטימאלית ביותר לספקטרומטר הבא שלך עשויה בהחלט להיות מבוססת על שריג העברה.

תומס רנסמוסן הינו דוקטור לאופטיקה משולבת מהאוניברסיטה הטכנית של דנמרק. תומס עובד כיום כסמנכ”ל פיתוח עסקי, מכירות ושיווק ב”איבסן פוטוניקס” (Ibsen Photonics) בקופנהגן, דנמרק.