Diseño y desarrollo de un espectrómetro óptico versátil de bajo coste

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Designing and developing a versatile low-cost optical spectrometer

Resumen

En este trabajo se detalla el proceso de diseño, desarrollo
y prototipado de un sistema de medida del espectro visible.
El objetivo que hay que cumplir es la obtención de un dispositivo
reproducible, competitivo en el aspecto técnico con
modelos comerciales de docencia actuales, y económico. El
dispositivo resultante reúne las características de ser portátil,
versátil, compacto, económico y con alta conectividad.
El centro del proyecto es el software, que como característica
clave permite ser utilizado prácticamente con cualquier
cámara comercial y ser ejecutado desde distintos sistemas
operativos. El prototipado se ha realizado con una cámara
comercial con conexión USB con el fin de encontrar un
equilibrio entre asequibilidad y resolución del producto final.
Tiene un precio 20 veces más económico y una resolución
similar al espectrofotómetro comercial utilizado como referencia.

Palabras clave

Espectrofotómetro, red de difracción, impresión 3D.

Abstract

In this work, the processes of designing, developing and prototyping
an instrument to measure the visible spectrum is shown in detail. The
objective is to obtain a low-cost device, reproducible and technically
competitive with the commercial docent models. The obtained device
is portable, adaptable, compact, economic and with high connectivity.
The core of the project is the software, and its key point is the compatibility
with any commercial camera and it can be run in different
operative systems. For this prototype a commercial camera with USB
connection has been considered in order to find a balance between
price and resolution for the resulting device.

Keywords

Spectrophotometer, diffractive grating, 3D printing.

Recibido / received: 5.10.2017. Aceptado / accepted: 11.11.2017.


Introducción

La espectrofotometría es una técnica con un gran potencial de aplicación que ha permitido un fuerte desarrollo en los ámbitos industrial e I+D+i, pero su presencia en el ámbito docente, estudiantil, personal y amateur se ve limitada por su elevado coste, la especificidad de los equipos comerciales y la baja accesibilidad. Esta técnica tie-ne aplicaciones muy diversas que van desde la caracterización de cuerpos celestes en astronomía (Sterken, 1992) (Itoh, 2017) hasta la detección de componentes químicos en un laboratorio (Schwedt, 1997) (Binks, 2017), pasando por la caracterización y calibrado de pantallas led (Rodríguez-Vallejo, 2017).

Al ser una técnica con un amplio rango de aplicación, resulta curioso que muchos centros educativos no dispongan de espectrofotómetros para abordar la materia de forma empírica. Esto se debe, principalmente, al elevado coste de los sistemas comerciales muy especializados en cada una de las aplicaciones y/o con prestaciones demasiado elevadas para el ámbito docente.

El objetivo de este trabajo consiste en diseñar y construir un espectrofotómetro de bajo coste, para lo que se han utilizado componentes muy extendidos. Adicionalmente, se ha desarrollado un software que permite el control del dispositivo, así como su puesta a punto.

Material y métodos

El funcionamiento del sistema se basa en el fenómeno de la difracción producida por una red de difracción. Si iluminamos esta con un haz plano monocromático, parte de la radiación será transmitida con ángulos de salida, , que cumplan la relación (Casas, 1995)


donde d es la distancia entre las rendijas de la red, λ es la longitud de onda incidente y n es el orden de difracción, que puede tomar cualquier valor entero, aunque nuestro sistema capturará solamente el primer orden de difracción (n = 1). En esta relación observamos la dependencia directa del ángulo difractado con la longitud de onda, con lo que, bajo iluminación policromática, la red de difracción produce una separación angular de las diferentes longitudes de onda que se puede focalizar sobre el sensor de la cámara.

En la figura 1a se muestra un esquema del espectrómetro construido: la luz que se analiza es recogida por una fibra hasta el conector de entrada del dispositivo. Tras pasar una rendija, es colimada por una lente macro para smartphone (disashop) y el haz colimado incide sobre la red de difracción (Ventus Ciencia, 500 líneas/mm). Dado que nos interesa estudiar el rango visible del espectro (380-750 nm) y que para ello capturamos el primer orden de difracción, tendremos en cuenta que estas longitudes de onda son difractadas entre 11º y 22º -Ec. (1)-. La luz difractada se registra con una cámara comercial con conexión USB (ELPUSBFHD01M-L21-02-S, 1920 x 1080 píxeles) y, dado que necesitamos un campo de visión (CV) de al menos 11 grados, montamos en la cámara una lente (Uxcell, focal: 25 mm, montura M12) que nos proporciona un CV de 16,5 grados. Todos estos elementos se montan en una caja expresamente diseñada y fabricada en material Z-ULTRAT (ABS) mediante una impresora 3D (Zortrax M200). En la figura 1b se muestra el diseño de la caja impresa y en la figura 1c, el prototipo final.

Para que este dispositivo cumpla su función como espectrofotómetro se ha creado un software instalable multiplataforma. En la programación de este se ha desarrollado una interfaz gráfica mediante el lenguaje de programación gráfico LabView (Fig. 2), del que se han generado ejecutables que permite n controlar el espectrofotómetro des-de los sistemas operativos Windows y MacOS en los que no será la instalación del entorno de programación completo. En la figura 3 se representa el diagrama de flujo del programa principal. El funcionamiento de este programa parte de la captura de la luz difractada mediante la cámara. En la figura 4 se muestran las imágenes capturadas para diferentes fuentes como una lámpara halógena, un puntero láser y un tubo fluorescente. El software transforma la imagen obtenida a escala de grises y se recorta para extraer la región de interés y obtener la curva del espectro.

Por otra parte, y con el objetivo de relacionar cada posición horizontal sobre el sensor con una longitud de onda, el software permite capturar el espectro de diferentes punteros láser (cuya longitud de onda necesitamos conocer previamente) y asignar el centroide del spot producido a su longitud de onda. Tras registrar al menos dos casos el programa nos muestra las curvas espectrales capturadas en función de la longitud de onda. Además, para asegurarse de que los espectros capturados no se ven afectados por la diferente sensibilidad para cada longitud de onda, el programa permite car-gar el fichero con los datos del espectro para una lámpara de referencia y, comparándolo con el espectro capturado para la misma fuente, obtener los factores de corrección para cada longitud de onda. Como características adicionales, el software permite un autoajuste del tiempo de exposición del sensor y el análisis de transmitancias utilizando una fuente con un ancho de banda extenso en el rango visible.

Partimos de la imagen capturada por el sensor, que se transforma a escala de grises y de la cual se recorta la región de interés (ROI). A partir de estos datos se extrae la curva del espectro. Como no sabemos a que longitud de onda pertenece cada píxel de la captura, utilizaremos una calibración previa para hacer esta conversión.

Seguidamente se aplica un factor de compensación para la amplitud del espectro en función de la longitud de onda para corregir las inhomogeneidades de sensibilidad que pueda presentar el sensor. Finalmente, el pro-grama muestra el espectro corregido y ofrece la posibilidad de guardar un fichero con los datos.

Resultados

Para realizar la calibración en longitud de onda, aplicaremos diferentes fuentes monocromáticas de frecuencia conocida que generan un spot sobre el sensor. El software permite introducir el valor de la longitud de onda y detecta automáticamente el centroide de este spot. Mediante un ajuste lineal, el sistema relaciona cada posición del sensor con la longitud de onda correspondiente. Esta relación se guarda para ser utilizada automáticamente en las posteriores medidas. En este trabajo para calibrar el dispositivo se ha utilizado un conjunto de tres punteros láser con longitudes de onda de 405, 535 y 650 nm.

Para obtener el calibrado en amplitud utilizamos un espectrómetro comercial (Thorlabs CCS200) y una fuente con un ancho de banda extendido en el rango visible (lámpara halógena o linterna led blanca). Capturamos el espectro de la fuente con el espectrómetro comercial y generamos cido por la misma fuente con nuestro un archivo con los datos. El software sistema. Tras comparar los resultados diseñado nos permite cargar dicho ar-se registra el factor de corrección para chivo y aplicar la calibración en am-cada longitud de onda que, posteriorplitud capturando el espectro produ-mente, se aplica al espectro capturado.

Una vez realizada la calibración del sistema, tanto en longitud de onda como en amplitud, mediremos el espectro de diferentes fuentes para comprobar el funcionamiento del dispositivo. En primer lugar, se han comparado los espectros de una misma fuente (una linterna led) capturados mediante el espectrofotómetro desarrollado y un espectrómetro comercial (Thorlabs CCS200). Estos resultados se muestran en la figura 5, en la que se observa la buena concordancia entre ambos espectros.

Además, en la figura 6 se muestran los espectros capturados de varios leds de diferentes colores, así como de un tubo fluorescente. Estas experiencias muestran el potencial docente de este sistema de bajo coste, ya que permite la captura digital del espectro con suficiente resolución para distinguir diferentes tipos de fuente.

Conclusiones

Se ha diseñado y construido el prototipo de un espectrofotómetro de bajo coste y se ha desarrollado un software que permite su calibración y posterior uso. Varios espectros capturados por el sistema han sido comparados con los de un sistema comercial, y se ha obtenido muy buena concordancia. Además, se han capturado varios espectros representativos como el de un tubo fluorescente y leds de diferentes colores para mostrar el potencial docente del sistema desarrollado.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad y FEDER (Proyecto DPI2015-71256-R) y por la Generalitat Valenciana (Proyecto PROMETEOII-2014-072).

Bibliografía

Binks BP, Fletcher PDI, Johnson AJ, Marinopoulos

I, Crowther, JM Thompson, MA (2017).

“Spectrophotometry of Thin Films of Light-

Absorbing Particles”. Langmuir. 33: 3720-30. Casas, J (1995). Óptica. Librería General,

Zaragoza. ISBN: 9788430024483. Itoh S, Matsuo T, Goda S, Shibai H, Sumi T

(2017). “Pupil Masks for Spectrophotometry

of Transiting Exoplanets”. Astronomical Journal

154: 97. Rodríguez-Vallejo M, Ferrando V, Montagud D,

Monsoriu JA, Furlan WD (2017). “Stereopsis

assessment at multiple distances with an iPad

application”. Displays. 50:35-40. Schwedt G (1997). The Essential Guide to

Analytical Chemistry. Wiley, Chichester. ISBN:

9780471974123.

Sterken C, Manfroid J (1992). “Astronomical photometry: a guide”. Astrophysics and space science library: 1-6.

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