SPECTROGRAPHE À CAPTEUR CCD
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SPECTROGRAPHE À CAPTEUR CCD
SPECTROGRAPHE À CAPTEUR CCD U51. ANALYSE FONCTIONNELLE DU SYSTÈME 1.1. Éléments à votre disposition 1.1.1. Matériel Voir cadre 1. 1.1.2. Documentation Voir cadre 2. 1.1.3. Logiciels Voir cadre 3. 1.2. Introduction 1.2.1. Liste du matériel Lampes à vapeur de Hg-Cd, Na Alimentation HT Condenseur Fente réglable Lentilles convergentes (150mm, 500mm) Prisme et support réglable Diaphragme à iris Ecran dépoli Capteur CCD SONY ILX503 Alimentation stabilisée Oscilloscope Micro-ordinateur Imprimante Spectroscope à fentes cadre 1. Le paramètre le plus important qui caractérise un spectroscope est son pouvoir de résolution c'est à dire sa capacité à sépaListe de la documentation rer deux longueurs d'onde très voisines. On distingue les spectroDossier technique scopes interférentiels (Michelson, Fabry-Pérot) et les spectroscopes Aide mémoire C/C++ à fentes (à prisme ou réseau). cadre 2. Nous étudierons un spectroscope à fente (voir cadre 5) où l'élément dispersif sera un prisme en flint d'indice 1,620 (à 589,3 nm). Liste des logiciels La fente, de largeur e, constitue la source fortement éclairée par une Solord lampe à vapeur de cadmium et un condenseur. On fera l'image de Ccd la fente sur un capteur CCD formé de 2048 pixels (distants de Visual C++ V4.0 = 14 m centre à centre) grâce à deux lentilles de part et d'autre Excel du prisme, permettant une incidence en faisceau parallèle. Le pouvoir de résolution de l'ensemble dépendra de la largeur e cadre 3. de la fente source, des dimensions des pixels, de la diffraction due aux limitations du faisceau incident sur le prisme, des aberrations des lentilles. U51 U52 U53 X X X X U51 U52 U53 X X X X X 1.2.2. Barette CCD Chaque pixel ("picture element") est une photodiode qui charge un condensateur. La charge est proportionnelle à l'éclairement reçu. Les charges sont ensuite transférées en parallèle vers les registres de lecture grâce à l'horloge de passage (signal ROG: Read Out Gate pulse). Une horloge de transfert (signal CLK) permet la conversion séquentielle des charges en tension. Le temps d'intégration correspond au temps pendant lequel la barette CCD est soumise à l’éclairement. Un comparateur permet de numériser le signal de sortie de la CCD. 1.2.3. Électronique associée au capteur ILX503 Le schéma de la maquette vous est donnée page 3 du dossier technique. On utilisera le logiciel Ccd dont le raccourci est déposé sur le bureau. Ce logiciel permettra de faire l’acquisition de l’état logique (éclairé ou non) des pixels du capteur CCD ainsi que l’étalonnage en longueur d’onde pour l’analyse des différents spectres. Connexion : Connecter le boîtier électronique au port imprimante du micro-ordinateur. Les différentes fonctions du logiciel seront décrites lors des acquisitions. 1.3. Travail demandé 1.3.1. Principales caractéristiques Rechercher dans le dossier technique les principales caractéristiques du capteur et de son électronique asso- cadre 4 : Capteur CCD. U51 - S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 1/7 ciée. (voir aussi cadre 4) : Nombre de pixels ? À quoi sert le temps d’intégration dans un capteur CCD ? Quelle valeur théorique minimum peut prendre le temps d’intégration (on suppose que l’on connaît la fréquence f 0 de lecture des pixels et le nombre de pixels N) en fonction de f 0 et N ? Dans notre cas, la fréquence est réglable. Déduire du schéma électronique la fréquence maximale de fonctionnement ; en déduire le temps d’intégration minimum dans notre cas. Longueur (notée d) de la partie active du capteur CCD ? Distance en µm entre les pixels ? 1.3.2. Principes fondamentaux : Spectrographe r r' F C Formules du prisme (2) sini = n sinr sini' = n sinr' A = r + r' D = i + i' - A D A i i' I Hg-Cd: lampe à vapeur de mercure-cadmium C : condenseur F : fente source L1 : Lentille de focale 150mm L2 : Lentille de focale 500mm E : Ecran dépoli ou CCD I : Diaphragme à iris L1 Prisme L2 Prisme A = angle du prisme (60°) I = angle d'incidence I' = angle d'observation D = angle de déviation E cadre 5 : Principe du spectrographe à fente. Le prisme d'angle A est utilisé au voisinage de la déviation minimum (i i'). La déviation est alors donnée par : A D mini 2 sin 1 n sin A (1) 2 Dmini est donné dans la documentation courbe Excel cadre 6 : Doc 1cadre 6 (cadre 6) en fonction de la longueur d'onde . Dans la relation (1), n'apparaît pas explicitement, expliquer pourquoi la déviation D dépend pourtant de vous aidant de cadre 7 : Doc 2 (cadre 7) et de cadre 9 : Doc 4 (cadre 9) ? en D'après les documents en annexe (cadre 6 : Doc 1 ; cadre 8 : Doc 3), la déviation est-elle une fonction affine ? Est-elle une fonction affine de 1/ ² ? Pour simplifier, la loi de Cauchy qui donne l'indice n d'un verre en fonction de est généralement admise (voir cadre 9 : Doc 4) : b . n a 2 de Si on admet une loi semblable pour la déviation minimum : Dmin i c d 2 , donner la valeur et l'unité des constantes c et d (voir cadre 8 : Doc 3). On s'intéresse aux radiations du domaine visible, du violet 405 nm au rouge 644 nm. Quelle sera en sortie de prisme l'écart angulaire entre ces deux radiations extrêmes (cadre 6 : Doc 1) ? On choisit la focale de la seconde lentille f 2 = 500 mm. Peut-on observer le spectre visible du violet au rouge sur toute la longueur active d du capteur ? U51 - S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 2/7 52 51,8 51,6 51,4 51,2 51 50,8 50,6 50,4 50,2 50 49,8 49,6 49,4 49,2 49 48,8 48,6 48,4 48,2 48 47,8 47,6 47,4 Dm(°) Dmini en fonction de PRISME EN FLINT (F2) ANGLE 60° µm 0,39 0,4 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,5 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,6 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,7 0,71 cadre 6 : Doc 1 - La déviation de la lumière par un prisme dépend de la longueur d'onde. 1,66 1,658 1,656 1,654 1,652 1,65 1,648 1,646 1,644 1,642 1,64 1,638 1,636 1,634 1,632 1,63 1,628 1,626 1,624 1,622 1,62 1,618 1,616 1,614 1,612 0,39 n Indice n du prisme en fonction de la longueur d'onde n = 4,5899 0,41 0,43 0,45 0,47 0,49 0,51 0,53 0,55 0,57 0,59 4 - 11,282 0,61 3 + 10,573 0,63 0,65 2 - 4,5514 + 2,3857 0,67 cadre 7 : Doc 2 - L'indice du prisme dépend de la longueur d'onde (d'après document Melles Griot). U51 - S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 3/7 0,69 0,71 0,9 Dmini (rad) Déviation en fonction de 1/ ² 0,89 0,88 Dmini = 0,0160*1/ ² + 0,7951 R2 = 0,9988 0,87 Série1 0,86 DMC 0,85 0,84 1/ ² (1/µm²) 0,83 0,82 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 cadre 8 : Doc 3 - Dmini en fonction de 1/ ². cadre 9 : Doc 4 - Document Melles Griot; verre flint de type F2. 1.3.3. SADT Par la méthode SADT, développer le niveau A0 de l’analyse fonctionnelle donnée cadre 10. Compléter le cadre 11. cadre 10 : Analyse descendante niveau A-0. U51 - S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 4/7 6,5 cadre 11 : SADT niveau A0 à compléter. U51 - S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 5/7 1.3.4. Les longueurs d'ondes de Hg; Cd. Cadre 12 : Spectre continu de 385 à 750 nm. (nm) Marquer d'un trait chacune des principales raies du mercure et du cadmium sur le spectre continu du Cadre 12. Dispersion Couleur 436 Hg violet indigo 468 Cd bleu 480 Cd (F') bleu clair 509 Cd vert bleu 546 Hg vert 578 Hg jaune 644 Cd(C') rouge Cadre 13 : Principales radiations du mercure et du cadmium minimum de déviation Cadre 14 : dispersion et déviation par le prisme U51 - S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 6/7 SPECTROGRAPHE À CAPTEUR CCD U52. MISE EN ŒUVRE DU SYSTÈME 2.1. Éléments à votre disposition 2.1.1. Matériel Voir cadre 1. 2.1.2. Documentation Voir cadre 2. 2.1.3. Logiciels Voir cadre 3. 2.2. Travail demandé 2.2.1. Montage optique Réaliser le montage décrit cadre 5 avec une lampe à vapeur de cadmium et mercure. Attention : On veillera tout particulièrement à l'alignement des composants optiques et à utiliser les lentilles de façon à minimiser les aberrations. L1 fait une image à l'infini de la fente F. Le prisme disperse les différentes radiations composant la lumière incidente. L2 réalise autant d'images de la fente dans son plan fo- cadre 15 : Caractéristiques du prisme. cal qu'il y a de radiations (couleurs) composantes. Affiner la netteté des images de la fente source sur un écran blanc. Ajuster le diaphragme I pour n'utiliser que le centre de L1. Centrer le faisceau sur L2. Montrer le montage à un professeur. 2.2.2. Mise en œuvre du CCD Remplacer l'écran par le CCD linéaire. Faire en sorte que les 7 raies (de 436 indigo à 644 nm rouge) tombent sur la surface du capteur bien perpendiculairement. Affiner la position de façon à avoir des raies bien nettes et bien fines sur la surface du capteur. Brancher le boîtier CCD sur le secteur et à l’aide d’un oscilloscope, visualiser le signal de sortie numérique du CCD en concordance de temps avec le signal d’intégration (CCDROG). Relever la durée du signal CCDROG. Synchroniser l’oscilloscope sur la voie du signal d’intégration Les signaux sont stables sur l’oscilloscope. Relever sur l’oscilloscope numérique le signal analogique et le signal numérique du CCD en concordance de temps. Ajuster le potentiomètre P2 (voir schéma) relié au comparateur U1A jusqu’à obtenir sur l’oscilloscope un signal numérique image du signal analogique de la CCD. A l’aide du logiciel Ccd, faire une acquisition du spectre. Utiliser la commande CCD/Acquisition spectre. Vérifier que 7 raies (436; 468, 480, 509, 546; 578; 644 nm) apparaissent. Modifier éventuellement le seuil du comparateur et/ou la largeur de la fente source, pour avoir les raies les plus fines et les mieux séparées possibles. Refaire une acquisition. Étalonner le capteur CCD avec ces longueurs d’onde. Utiliser la commande CCD/Etalonnage. Retrouver les différentes longueurs d'onde du cadmium et du mercure. Utiliser la commande Options/Coord. U52- S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 7/4 souris. Sauvegarder l’enregistrement sous vos initiales. Faire appel à un professeur en cas de difficultés. Rassembler vos résultats dans un tableau : Noter la valeur des coefficients a et b de la régression. Sauvegarder à nouveau sous vos initiales. 2.2.3. Étalonnage du spectographe Faire sous Excel le graphe du N° du pixel en fonction de 1/ 2 à partir du tableau 1. Rechercher une régression linéaire permettant d'établir l'équation N = f(1/ 2). Comparer les coefficients de la DMC aux valeurs a et b précédentes. 2.2.4. Électronique La maquette de façon autonome : Préciser le durée du signal CCDROG. Que représente ce signal ? (que se passe-t-il lorsque celui-ci est au niveau haut, puis au niveau bas ?) (nm) Couleur N° pixel 436 Hg violet indigo 468 Cd bleu 480 Cd (F') bleu clair 509 Cd vert bleu 546 Hg vert 578 Hg jaune 644 Cd(C') rouge tableau 1 : Raies du cadmium (468; 480; 509; 644 nm) et du mercure (436; 546 et le doublet jaune 577+579). cadre 16 : Exemple d’acquisition : 7 raies ont servi à l'étalonnage. En utilisant "recherche milieu", la radiation jaune du sodium est mesurée à 592 nm (au lieu de deux raies à 589,0 et 589,6 nm). U52- S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 8/4 SPECTROGRAPHE À CAPTEUR CCD U53. ANALYSE DES PERFORMANCES DU SYSTÈME 3.1. Éléments à votre disposition 3.1.1. Matériel Voir cadre 1. 3.1.2. Documentation Voir cadre 2. 3.1.3. Logiciels Voir cadre 3. 3.2. Travail demandé 3.2.1. Pouvoir dispersif du prisme A partir de cadre 6 : Doc 1 et en tenant compte de la focale de 500 mm, calculer la distance théorique entre les raies F' (480 nm) et C' (644 nm) du cadmium. A partir du tableau 1, établir en pixels puis en mm (1pix = 14 µm) l'écart expérimental entre les raies F' et C'. Comparer. Calculer l'écart angulaire ' en °. Comparer votre résultat ' à celui (noté F' – C') trouvé dans les livres (tableau 2). 3.2.2. Spectre du sodium f2 . f1 Combien de pixels du capteur seront excités par une radiation supposée parfaitement monochromatique ? (On ne tient pas compte ici des aberrations et de la diffraction.) Relever la largeur e de la fente source (en principe e 0,1 mm). Calculer la largeur de son image e' e Remplacer la lampe source par une lampe à vapeur de sodium . Le reste du montage doit rester inchangé ! Rechercher sur l'écran de l'oscilloscope le spectre du sodium, il se réduit à sa raie jaune (doublet D) très intense. Faire l'acquisition informatique du 2ème spectre. Remplacer source2 par sodium. Sauvegarder encore sous vos initiales. Représenter le spectrographe du sodium et rechercher la longueur d'onde de la raie D. Faire une sortie imprimante. Porter sur le graphe la valeur trouvée (longueur d'onde de la raie D) et comparer à la valeur attendue. Expliquer pourquoi on ne voit pas les autres longueurs d'ondes du sodium. Expliquer pourquoi on ne distingue pas les deux raies qui constituent le doublet du sodium. 3.2.3. Étude de la CCD Connaissant le nombre des pixels (utiles et inutiles) retrouver, en observant le chronogramme du signal CCD ROG, la fréquence horloge des pixels. tableau 2 : LES PRISMES - F George (PUF; "Que sais-je ?" N°2004) U53 - S.T.S Génie Optique Photonique – Lycée Jean Mermoz – 68300 SAINT-LOUIS 9/2