Design of a fibre optic coupled spectrometer

AstraNet Systems Based in the high‐tech region of Cambridge, UK was 

formed in 2001 to market the StellarNet Inc (Tampa,Florida, USA) range of fibre optic coupled spectrometers in the UK.

During the past 6 years we have built up a team of more than a dozen self‐employed technical experts with skills in the following areas: ‐ optical design, electronics, fibreoptics, mechanical design, firmware and software.

Many successful installations have involved the development of special accessories including customisedsoftware and electronics to create turnkey systems.

The Technology

To my knowledge, there are no manufacturers of these products in the UK except AstraNet Systems Ltd.

Miniature fibre optic‐coupled spectrometers haverevolutionised UV/Visible spectroscopy during the past decade.  

Traditional laboratory spectrometers are large and have several moving parts.

Over the coming decade, these miniature spectrometers with no moving parts, high reliability and low maintenancewill take an ever larger share of the spectroscopy market.

SpecificationsFor the optics, we decided to base our specifications around a simple flat‐field 

grating spectrograph with good signal/noise, low stray light and reasonable optical resolution.

The wavelength range was set to be from around 220 to 850nm with an optical resolution (FWHM) of 2nm. 

A second version of the instrument would have a wavelength range from 350 to 1050nm with 4nm resolution. 

We also required fibre optic coupling and of course an array detector. 

We chose to use the industry‐standard multimode fibres with 0.22NA and with SMA 905 coupling.

This instrument would ideally be simple to assemble and have no moving parts.

Design Elements

We started with the Optics

Progressed to Electronics

Then to Mechanical

Finally, software

Optics DesignAllan Newton, Optical systems designer, was strongly 

recommended to us and much of the following information comes from him.Small compact designs will generally use only few components, the 

simplest designs generally being the most attractive.

The simplest of all designs are those based on concave reflecting gratings. Such designs can be implemented with just one component, the grating itself.

Having decided to go ahead with this approach, we approached Headwall Photonics in the USA and they provided us with details of their standard substrates for concave aberration‐corrected holographic gratings. 

Allan collaborated with Headwall to create two customized gratings for our instruments.

Linear spaced grating design

Classic curved grating assembly with some disadvantages

Aberration‐corrected

This picture shows the general layout for our spectrometers

The source, typically the end of a fibre, is at the extreme left

Factors affecting optical resolution

Aberration from grating

Our customised grating is almost aberration‐ free, allowing us to use quite narrow slits, 

certainly down to 50 microns

Diffraction of grating

Our grating provides approximately 600nm  over a 25mm detector, giving us approx 

24nm/mm

Optical ResolutionSize of detector elements

Our current detector has 2048 pixels, each 14 microns wide

Slit widthWe typically install a 150 micron slit, which provides

24 x 0.150 = 3.6 nm resolution

A 50 micron slit will give a theoretical resolution of 1.2nm

Obviously, narrow slits will impact on the S/N ratio and our  choice of slits has been influenced by all of the above factors

Stray LightStray light is minimised by good optical design

Once light has passed through the slit, the minimal number of optical components reduces the surface scattering which causes stray light

The only light that gets through the slit and does not fall on the grating comes from the extremities of the fibre polar diagram where intensity is low

Careful design of diffraction grating produces minimal stray light.

Each grating is a master holographic and controlled manufacture in clean rooms ensures gratings are delivered in excellent condition

Electronics DesignTo provide versatility we chose to use a Field Programmable 

Gate Array (FPGA) device.

This would allow us to drive a wide variety of detectors by simply changing firmware.

We also decided to have a microprocessor on board, with a good amount of memory

We chose a high speed 14‐bit Successive Approximation Register (SAR)  type ADC

We  included digital I/O and analogue outputs

Flash Memory was included to store calibration data and spectra

Mechanical DesignPhysical size of polychromator body

Location and mounting of components

Integration of optics, electronics

Cover design

DetectorPrism

Grating

Polychromator assembly

Assembled Instrument

AstraNet Spectrometer

FOC ApplicationsThe concept of

FOC’s

opens up a huge range of ‘new’

applications

The main advantages include:‐

Speed of measurement:

Remote measurements: measure reactions directly in containers

Ambient light rejection: take measurements in open air

Small footprint: portability, convenient size

Versatility: one instrument for several applications

No moving parts: high reliability ; low cost of ownership

follow reactions/changes in real time

SpectroradiometryColour measurementFluorescenceAbsorption spectroscopyProcess control

Applications

AccessoriesApplication‐specificCosine response diffuserCuvette holdersImmersion probesFlow CellReflectance Probes

PC SoftwarePC SoftwareCalibrations

Wavelength calibration

Radiation Measurement

Calibration using Bentham CL6 calibrated light source

LUX Measurement

Software has been created using Microsoft .NET

Graphics driven by hardware‐accelerated DirectX

Printing with preview and scheduled saving supported

Application‐specific software includes radiometry, spectroscopy, colour measurement

Applications Software

Slide Number 1AstraNet Systems The TechnologySpecificationsDesign ElementsOptics DesignLinear spaced grating designAberration-correctedFactors affecting optical resolutionOptical ResolutionStray LightElectronics DesignMechanical DesignPolychromator assemblyAssembled InstrumentAstraNet SpectrometerFOC ApplicationsApplicationsAccessoriesPC SoftwareWavelength calibrationRadiation MeasurementLUX MeasurementApplications Software