Тема: Нестандартная фотометрия - нужен совет!

[diant]

>Призма Волластона очень удобна - позволяет фотодиоды поставить рядом.

Ага, я уже тоже сообразил. Вот порылся в запасах жены и нашел Рошона из шпата. Состояние не ахти (там внутренняя царапина на склейке идет - откуда могла взяться, ума не приложу). Но к счастью центральная часть рабочая. Расходимость обыкновенного и необыкновенного лучей довольно сильная - ФД придется ставить прямо за ней. Но впрочем может это и удобство

>Призма Волластона очень удобна - позволяет фотодиоды поставить рядом.

Я как-то в прошлом году поинтересовался за цену такой призмы у какого-то российского производителя. 15 мм ребро спросил. 18500 р. ответили. Это мне многовато...
Но не важно, рошон есть, значит можно попробовать дифференциальную схему.

>Пусть, для простоты, яркость возросла вдвое. Тогда сигнал с PD1 вырос вдвое и сигнал с PD2 вырос вдвое, значит, разность тоже вырастет вдвое. Для определения поляризации надо не I1-I2 измерять, а (I1-I2)/I1 - отношение разности яркостей к яркости.

Теперь понимаю. Тогда хочется знать, как обратную связь по яркости делают в этой диф-схеме?

Про ОУ - я конечно всего этого не знал, ибо все-таки далек от электроники. Жизнь заставляет знакомиться

PS. Да, Галл, у меня тут еще такая мысль бродит. Мне кажется не так важны эти точно согласованные пары светодиодов и строгое равенство резисторов R1+R2 и R3+R4. Ведь если фотодиоды будут давать чуток неравный отклик или плечи моста будут чуть разбалансированы, разве все это не исправится небольшим вращением плоскости поляризации луча, который у меня через кювету пропускается? Ведь если у меня одно плечо (один ФД) дает более слабый сигнал, я ведь просто могу поляризацию пропускаемого через кювету луча чуть повернуть в пользу этого "дохлика" и сбалансировать токи в плечах так, чтобы на резистор R5 уже ничего не уходило?

Сам подумал и за резисторы себе ответил - да, они должны быть строго равными. Это я глупость написал. А вот за фотодиоды - прав?

[Gall]

Я как-то в прошлом году поинтересовался за цену такой призмы у какого-то российского производителя. 15 мм ребро спросил. 18500 р. ответили. Это мне многовато...

Я на eBay кубики долларов по 50-60 находил, если что.

Теперь понимаю. Тогда хочется знать, как обратную связь по яркости делают в этой диф-схеме?

Если именно обратную связь надо, то левый выход подключается к управлению яркостью лазера.

Если просто поправку, тогда достаточно оба выхода измерять одновременно и делить получившиеся цифры. Проще всего оцифровать оба, а делить уже после оцифровки.

Ведь если у меня одно плечо (один ФД) дает более слабый сигнал, я ведь просто могу поляризацию пропускаемого через кювету луча чуть повернуть в пользу этого "дохлика" и сбалансировать токи в плечах так, чтобы на резистор R5 уже ничего не уходило?

В целом верно.

Одинаковость фотодиодов важна потому, что у разных фотодиодов могут быть разные темновые токи утечки. Или, например, разный процент потерь фотонов. Это в принципе можно учесть в расчетах, но проще не усложнять себе задачу и сделать каналы настолько одинаковыми, насколько это вообще возможно.

[Gall]

И да, можно сделать и механическую обратную связь - поворачивать что-нибудь сервомоторчиком, а сервомоторчик подключить к разности сигналов фотодиодов. Автоматический поиск нуля получится. Эту идею используют для приближения иглы к образцу в туннельных микроскопах.

[diant]

Я на eBay кубики долларов по 50-60 находил, если что.

Наверное просто делительные кубики здорово дешевле Волластона или Рошона будут?
Вот интересно, за какую цену две последние призмы можно найти в нормальном состоянии?
Я так смотрю их иногда не из ПШ делают, а из кварца.

Одинаковость фотодиодов важна потому, что у разных фотодиодов могут быть разные темновые токи утечки. Или, например, разный процент потерь фотонов.

Да, это точно. Сейчас вдруг обнаружил, что у меня нет нормальной пары фотодиодов с большими площадками, чтобы луч 650-нм лазера туда полностью лег. (Ну кроме что ФДК-155, но с ними даже не буду пробовать).
Вобщем надо ехать на Митино и купить пару другую BPW20RF.
Поэтому пока рукоделие придется отложить. Но диф-схему обязательно соберу - уж очень она мне нравится. И надеюсь она будет самой чуткой.
 

[Gall]

Наверное просто делительные кубики здорово дешевле Волластона или Рошона будут?

Думаю, да - просто из-за массовости производства. Самые дешевые оптические детали, например - в DVD-приводах. А точно такой же по характеристикам элемент, но чуть-чуть другой (не от привода) - уже в разы дороже.

Вот интересно, за какую цену две последние призмы можно найти в нормальном состоянии?
Я так смотрю их иногда не из ПШ делают, а из кварца.

От везения зависит. Если eBay постоянно пасти, тогда можно и за пару долларов по случаю купить, например, если лаборатория закрывается и распродает остатки оборудования.

А почему бы, собственно, и не кварц? Тоже одноосный кристалл.

Да, это точно. Сейчас вдруг обнаружил, что у меня нет нормальной пары фотодиодов с большими площадками, чтобы луч 650-нм лазера туда полностью лег.

А можно и наоборот сделать - максимально расширить луч и поставить маленький датчик вблизи центра пятна. Это тоже способ убирания зависимости от положения луча. А можно просто поставить линзу перед призмой и подфокусировать луч.

В принципе луч лазера можно сфокусировать в пятно около 20 мкм диаметром, если поставить такую цель. Обычно объектив от микроскопа для этих целей берут. В комбинации с диафрагмой 20 мкм получается очень полезная штука - пространственный фильтр.

[diant]

От везения зависит. Если eBay постоянно пасти, тогда можно и за пару долларов по случаю купить,

Типа вот такого случая :
Micro lab polarized beam splitter/combiner for 532nm green DPSS Yag KTP
http://www.ebay.com/itm/Micro-lab-polarized-beam-splitter-combiner-for-532nm-green-DPSS-Yag-KTP-/251464261106?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item3a8c701df2

А почему бы, собственно, и не кварц? Тоже одноосный кристалл.

И я про то же. Только углы там совсем маленькие.
Тут для примера есть фотографии прошедших лучей через ПШ и кварц:
http://www.rivoptics.ru/index.php?route=information/information&information_id=18

А можно и наоборот сделать - максимально расширить луч и поставить маленький датчик вблизи центра пятна.

Да, тоже так делал. Но в Митино ехать все равно придется - много чего нужно. Да и фотодиодов парных нормальных уже никаких не осталось - все по девайсам стоят. Не хочется их выковыривать.

В принципе луч лазера можно сфокусировать в пятно около 20 мкм диаметром, если поставить такую цель. Обычно объектив от микроскопа для этих целей берут. В комбинации с диафрагмой 20 мкм получается очень полезная штука - пространственный фильтр.

Буду знать и попробую. Тем более, что пару держалок для объективов микроскопа я уже купил. И сами объективы есть, всякие разные.

[Gall]

От везения зависит. Если eBay постоянно пасти, тогда можно и за пару долларов по случаю купить,

Типа вот такого случая :
Micro lab polarized beam splitter/combiner for 532nm green DPSS Yag KTP
http://www.ebay.com/itm/Micro-lab-polarized-beam-splitter-combiner-for-532nm-green-DPSS-Yag-KTP-/251464261106?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item3a8c701df2

Да! Именно! У него еще и форма идеальная - как раз для двух фотодиодов рядом. Вполне возможно, что так и применялся в оригинале.

Кстати, дифференциальная схема очень хорошо получается из двух фотодиодов с усилителем вроде тех же OPT101P. Достаточно один резистор добавить, все остальное уже есть внутри. А для измерения отношений достаточно поставить любой АЦП с внешним входом опорного напряжения, и на вход опорного подать левый выход схемы. Тогда АЦП будет выдавать процентное соотношение, как раз то, что надо.

А почему бы, собственно, и не кварц? Тоже одноосный кристалл.

И я про то же. Только углы там совсем маленькие.

Углы особой роли не играют, если их комбинируют с многослойными отражающими покрытиями. Любой маленький угол можно увеличить многократным прохождением.

В принципе луч лазера можно сфокусировать в пятно около 20 мкм диаметром, если поставить такую цель. Обычно объектив от микроскопа для этих целей берут. В комбинации с диафрагмой 20 мкм получается очень полезная штука - пространственный фильтр.

Буду знать и попробую. Тем более, что пару держалок для объективов микроскопа я уже купил. И сами объективы есть, всякие разные.

Технически самая большая трудность - настройка этой штуки. Фокусом в дырочку попасть. Нужны микрометрические винты по всем координатам. Сама дырочка обычно делается на меди фотоспособом.

[Gall]

Кстати, посмотрите схемы в даташите на OPT301. Это сильно дорогой датчик, но документация жжет.

[diant]

Наконец удалось купить что-то из фотодиодов. И купить-то их оказалось довольно трудно - они никому не нужны (кроме ИК для пультов), поэтому ими редко торгуют. Хотел найти BPW20RF - ни у кого нет. Купил только BPW34, но может оно и к лучшему - последние все-таки pin-фотодиоды со всеми вытекающими преимуществами. Посмотрим их в деле.

Кстати, посмотрите схемы в даташите на OPT301. Это сильно дорогой датчик, но документация жжет.

Даташит на ОПА301 действительно оказался очень полезным. Особенно для таких как я 
Там на рис. 7 приведена схема того, что вы мне уже советовали в качестве встречно-параллельного включения фотодиодов для диф-измерений.

Кстати попутно, изучая диф-схемы, и в частности вашу вторую схему, у меня все время возникает мысль, что в чистом виде они для моей задачи должны быть скорректированы таким образом, чтобы (беру вашу схему №2) сигнал с фотодиода D1, конвертированный резистором R2+R1 в выходной потенциал IC1A, не вывел этот ОУ в состояние насыщения. Например при R1=1M (типичный резистор в таких схемах) максимальные допустимые токи фотодиодов ограничены несколькими мкА. У меня же основной сигнал будет составлять сотни мкА, и сразу загонит выход IC1A в rail.

Как я понимаю, для постоянных сигналов типа 100-1000 мкА R1 придется понизить до 1-10К.

Есть еще супер-простая схема (работает, когда есть два очень одинаковых фотодиода под нулевым смещением). Надо просто замкнуть фотодиоды накоротко (сделать из них кольцо) и подключить к обычному усилителю фотодиода.

Gall, а это встречно-параллельное включение ФД - чем оно хуже вашей второй схемы? Есть у кого-то из них преимущество?

Теперь по поводу кубика с е-bay с параллельным выходом.
Я бы даже рискнул его купить, если бы не одно но - всего 6 мм сторона куба и соответственно разведение лучей. Уж больно близки лучи, может оказаться неудобно с ними работать. Если бы хотя бы 10 мм - взял бы не задумываясь. При 6 мм например два больших фотодиода, типа ФД-263 или BPW20 уже не поставишь - они сами широкие. Значит придется еще какие-то призмы или зеркала городить.

Кстати, дифференциальная схема очень хорошо получается из двух фотодиодов с усилителем вроде тех же OPT101P. Достаточно один резистор добавить, все остальное уже есть внутри. А для измерения отношений достаточно поставить любой АЦП с внешним входом опорного напряжения, и на вход опорного подать левый выход схемы. Тогда АЦП будет выдавать процентное соотношение, как раз то, что надо.

Пробовал понять, но не понял. Что значит "левый выход схемы"? И какой резистор добавить?

Да, и еще по поводу ОПА301 и схем оттуда.
Кажется у них на рис. 12 реализована практически ваша идея с первой схемой. Только кнопку осталось добавить для отсечения R1 от выхода OPT301, чтобы из схема вышла из режима ВЧ-фильтра и стала работать как обычный DC фотометр с вычтеной постоянной константой сигнала. Верно?

[Gall]

Gall, а это встречно-параллельное включение ФД - чем оно хуже вашей второй схемы? Есть у кого-то из них преимущество?

Встречно-параллельное включение имеет достоинство - не насыщается. И три недостатока: нет возможности компенсации разбаланса, нет измерения освещенности (измеряется только разность), нельзя сделать ненулевое смещение.

Кстати, дифференциальная схема очень хорошо получается из двух фотодиодов с усилителем вроде тех же OPT101P. Достаточно один резистор добавить, все остальное уже есть внутри. А для измерения отношений достаточно поставить любой АЦП с внешним входом опорного напряжения, и на вход опорного подать левый выход схемы. Тогда АЦП будет выдавать процентное соотношение, как раз то, что надо.

Пробовал понять, но не понял. Что значит "левый выход схемы"? И какой резистор добавить?

Левый выход - это "вольтметр", который на моей схеме нарисован слева.

В OPT101, OPT301 внутри уже есть ОУ и один резистор. Не хватает только одного резистора на 10 МОм, чтобы из всего этого собрать схему целиком.

Кажется у них на рис. 12 реализована практически ваша идея с первой схемой. Только кнопку осталось добавить для отсечения R1 от выхода OPT301, чтобы из схема вышла из режима ВЧ-фильтра и стала работать как обычный DC фотометр с вычтеной постоянной константой сигнала. Верно?

Чуть-чуть другой принцип, но похоже. У меня стабилизатор тока был активный (на двух ОК), здесь он пассивный (один лишь R3). Используют тот факт, что на фотодиоде всегда 0, а значит, вывод 2 - это виртуальная земля. У меня была схема выборка-хранение (ОУ, конденсатор и кнопка), а тут интегратор (ОУ с конденсатором обратной связи). В этой схеме напряжение на выходе A1 равно интегралу (т.е., по сути, среднему по времени) от напряжения на выходе VO, поэтому выход VO всегда дает как раз отклонение от среднего. (Надо иметь в виду, что среднее тоже меняется со временем).

[diant]

Галл, писал вам длинное письмо - все рассказал, что получилось на макетке. Перед отправкой задел какую-то клавишу - и письма как не бывало. Плакать хочется, как говорится, но .. плакать не будем.
Короче (всего уже не повторю) результаты очень хорошие для схемы с двум ФД в замкнутом контуре, за которыми идет трансимпеданс и потом еще один чисто усилительный каскад (возможно лишний).

Шум 10 ppm, причем практически весь он - 50 Гц, наловленные электрическим путем.
Если этот шум отфильтровать (или если он сам при сборке в металлический корпус, соединенный с землей схемы, уйдет на нет), то оставшийся шум ... <1 ppm, во что сам до сих пор с трудом верю.

Все те же AD820, только я сильно обрезаю полосу - до первых кГц или даже сотен Гц. Тем самым усиление потенциального шума ОУ свожу к минимуму. А токовый шум у него очень малый.

Фотодиоды BPW34 очень понравились. 70pF без смещения (и это при площадке 7,5 мм2).
Кстати они довольно компактные и их можно ставить рядом с расстоянием между осями 6 мм (даже перегородочку можно втиснуть).

Но! Теперь вижу и главную трудность всего задуманного измерения. Когда фотометр будет сделан и займет свое место в конце оптического пути; когда я поставлю перед ним призму Рошона и точно наведу оба ее луча на площадки ФД; когда наконец раствор будет залит в кювету и лазер включен - у меня останется только одно место, где я смогу сбалансировать токи ФД-ов. А главная трудность, как я уже понял на опыте, именно в этом!

Итак, только небольшим вращением поляризатора, расположенного между лазером и кюветой, я смогу сбалансировать токи фотодиодов. Но чувствительность этого диф.-фотометра получилась секундная (поворот поляризатора на 1 градус уже загонит его в насыщение). Если я не ошибаюсь, даже пальцев ювелира не хватит, чтобы вращая поляризатор руками, сбалансировать токи ФД близко к нулевой разнице. И похоже придется придумывать что-то, чтобы можно было вращать этот поляризатор микрометрическим винтом. Другого выхода тут похоже нет?

[Gall]

Во многом да - когда получаются такие точности, становится нужен гониометр. Вращать можно, кстати, и узел приемника - фотодиоды и ОУ можно вместе с призмой разместить на общей маленькой плате, и поворачивать целиком плату.

Принцип поворота для точной настройки, очевидно, как у синусной плиты. То есть - длинный рычаг, один из концов которого двигают винтом. Можно сделать моторизованный привод (сервомашинкой, например) и автоматику установки нуля. Можно просто рукой крутить.

Кстати, фон 50 Гц можно сильно уменьшить просто грамотной разводкой печатной платы. Сделать, чтобы провода на ней не образовывали "обмотки" или "антенны".

[diant]

Я уже тоже о рычаге подумываю. Поначалу попробую этот рычаг за конец руками двигать, потом если нужно - к микрометрическому винту пристрою.

Про синусную плиту первый раз слышу. Посмотрел на нее в сети, тогда понял. Да, конечно удобно.
Я по простому думал - связать рычаг с верхней площадкой линейной подвижки и все дела. Но вообще это ближе к делу будет видно. Сейчас предстоит разводка, пайка, монтаж и т.д.
Завтра правда хотел еще испытать диф-схему мост (ваша схема №2).

50 Гц конечно попробую задушить в разводке. Все на SMD 0805 буду делать. Корпус (литой алюминий) соединю с землей в одной точке. И всего четыре отверстия - два для ФД и два для питания.

[Gall]

Против помех главная идея - все соединения мыслить как дифференциальные пары и так, парами, и разводить, избегая "земляных петель" и подобных нехороших вещей. Иногда бывает трудно понять, где идет второй провод от пары.