Celooblohový skener svetelného znečistenia

Projekt riešený na Katedre experimentálnej fyziky FMFI UK

Merací systém

Merací systém má nasledujúce hlavné časti:

Modul s fotonásobičom HAMAMTSU

Modul HAMAMATSU H10722-20 obsahuje okrem samotného násobiča aj riadený vysokonapäťový zdroj pre dynódy a zosilňovač signálu z fotonásobiča na napätie 0 - 4 V. Modul vyžaduje napájanie +/- 5V, odber nie je veľký (cca 1 0mA). Napätie na dynódach sa riadi privedením riadiaceho napätia 0 - 1.1 V. Výrobca odporúča rozsah riadenia 0.5 - 1.1 V, kedy sa citlivosť fotonásobiča mení približne o 1 rád na 0.2 V. Pod 0.5 V už citlivosť prudko klesá k nule. Výstupné napätie (signál) je vyvedený koaxiálnym káblom kvôli potlačeniu rušenia. Modul poskytuje aj presné referenčné napätie 1.2 V, pokiaľ by užívateľ chcel riadiace napätie získať pasívne potenciometrom. Signál od termoelektrónov je v závislosti od nastavenej citlivosti typicky 0.1 - 1 mV.
Riadiace napätie sme sa rozhodli riadiť 12-bitovým D/A prevodníkom 0 - 5 V, pričom napätie z prevodníka sme odporovým deličom zmenšili na 0 - 1.15 V. Minimálna zmena riadiaceho napätia je tak asi 0.3 mV, čomu zodpovedá presnosť nastavenia zosilnenia 0.3% a stabilita signálu 3 mV pri signále 1 V. Signálové napätie meriame 16-bitovým D/A prevodníkom v diferenčnom móde (kvôli potlačeniu rušenia). Rozsah vstupného napätia sme nastavili na +/- 4.096 V, takže rozlíšenie je 0.125 mV, čiže na úrovni šumu fotonásobiča. Pre výrazné potlačenie šumu navyše opakujeme každé meranie cca 100x (je možné nastaviť) a výsledok spriemerujeme. Tým je doba merania asi 1 s, čo je na úrovni bežných ručných voltmetrov. Dá sa však nastaviť od asi 10 ms po 1000 s.

Karusel s filtrami

Na meranie používame 10-kusovú sadu interferenčných filtrov od Thorlabs so šírkou 40 nm, ktorých oblasti priepustnosti sa mierne prekrývajú, takže nám "neunikne" svetlo žiadnej vlnovej dĺžky medzi 380 nm a 820 nm. Na výmenu filtrov sa najčastejšie používajú karusely. Aj Thorlabs dodáva karusel na 6 filtrov, ale my potrebujeme karusel aspoň na 12 filtrov (10 farebných filtrov, otvorené, zakryté). Preto sme sa rozhodli navrhnúť a vyrobiť 3D tlačou vlastný dvojitý karusel na ovládanie spolu až 20 filtrov a ich kombinácií. Vo finálnej verzii je karusel bližší k fotonásobiču (karusel 0) osadený polarizačnými filtrami vlastnej výroby (s využitím polarizačnej fólie) a karusel bližší k objektívu je osadený farebnými filtrami:

Takéto usporiadanie nám umožňuje určiť polarizáciu svetla prejdeného cez hociktorý z farebných filtrov.
Osadenie filtrov:
Karusel 1 (predný, farby): 0 – closed, 1 – 400 nm, 2 – 450 nm, 3 – 500 nm, 4 – 550 nm, 5 – 600 nm, 6 - open, 7 – 650 nm, 8 – 700 nm, 9 – 750 nm, 10 – 800 nm, 11 – 850 nm
Karusel 0 (zadný, polarizácia): 0 – closed, 1 – 0°, 2 – 30°, 3 – 60°, 4 – open, 5 – open, 6 – open, 7 – 90°, 8 – 120°, 9 – 150°, 10 – open , 11 – open

Aktualizácia 2023: vyrobili sme aj verziu prístroja osadenú filtrami so šírkou 10 nm so stredom 350nm, 400 nm, ..., 800 nm. Pri použití týchto úzkopásmových filtrov možno zmerané svetlo považovať za monochromatické, čo výrazne zjednodušuje interpretáciu nameraných výsledkov. Ich nevýhodou je menšie množstvo prepusteného svetla a tiež to, že filtre nepokrývajú spojito celé viditeľné spektrum.

Na presné určenie pozície filtrov používame prstenec s otvormi a fotozávoru, jeden z otvorov je dlhší, čo umožňuje ho identifikovať.
Filtre sú upevnené maticou, ktorá je po pritiahnutí úplne zapustená do karuselu.
Polovica karuselu s púzdrom je na nasledujúcich obrázkoch:

Fotobrána je zasunutá do otvoru v púzdre karuselu a sníma otvory v prstenci na karuseli. Keďže meranie robíme v tme a fotobrána je v blízkosti vstupu fotonásobiča, fotobránu je možné zapnúť a vypnúť signálom na pine Arduina. Signál fotobrány meriame analógovým vstupom Arduina, čo umožňuje pružne nastavovať rozhodovaciu úroveň.

Karusel otáčame pomocou krokového motora. Keďže filtre sú dosť ťažké a netreba nimi pohybovať veľmi rýchlo, použili sme modul krokového motora s prevodovkou. Radiče dvoch motorov karuselov sú pripojené priamo k ôsmim výstupným pinom Arduina. Vzhľadom k veľkej hmotnosti filtrov a k vôli prevodov v prevodovke bolo dôležité správne nastaviť úroveň trenia. Docielili sme to umiestnením tenkého plastového disku medzi karusely, ktorý sme predtým mierne ohli do "U". Disk tak slúži ako pružný prítlak zabezpečujúci vhodné trenie. Zvyšok problémov so zotrvačnosťou karuselov sme vyriešili softvérovo. Vo finálnej verzii sme dosiahli počas testovania 80 000 bezchybných výmen filtra (potom sme test ukončili).

Skrinka s objektívom

Telo skrinky sme navrhli pre 3D tlač. Pre lepší prístup pri montáži modulov bude v ďalšej verzii zadná stena odnímateľná. Pohľad na skrinku:

Ku skrinke patrí interfejs pre uchytenie skrinky k montáži iPANO a kryt:

Na uchytenie modulu fotonásobiča sa do vnútra skrinky pripevní úchyt:

Pomerne komplikovaný je objektív. Pozostáva zo šošovky s ohniskovou vzdialenosťou 50 mm, ktorá koncentruje svetlo na fotonásobič. Pred šošovkou je sada cloniek vymedzujúcich zorné pole asi 10 stupňov a zabraňujúcich odrazom "bočného" svetla do fotonásobiča. V neposlednom rade clonky slúžia ako rosnica zabraňujúca prieniku kvapiek rosy k šošovke. Objektív je riešený ako "skladačka" (šošovka, clony a oddeľovacie členy sú zasunuté do tela objektívu a zafixované maticou), aby bolo možné šošovku a clonky ľahko optimalizovať:

Riadiaci systém na báze ARDUINO a komunikácia s PC

Na riadenie celého systému sme využili modul mikropočítača Arduino UNO doplnený o štandardné moduly:

Celková schéma prepojenia modulov je na tejto linke.

Na komunikáciu medzi PC a Arduinom po sériovej linke sme vyvinuli potrebné povely. Rozhodli sme sa pre povely fixnej dĺžky 8 bytov, čo umožnilo ignorovať prípadne ďalšie prijaté byty. Komunikácia je tak nezávislá od nastavenia ukončovacích znakov. Filozofia ovládania meracieho systému je taká, že systém čaká na príchod povelu. Po príchode povelu ho vykoná a vykonanie potvrdí opäť 8-bytovou sekvenciou. Povely zahŕňajú nastavenie ľubovoľného filtra z karuselu, inicializáciu karuselu (reset a zakrytie vstupu k fotonásobiču), nastavenie riadiaceho napätia fotonásobiča, meranie signálu z fotonásobiča, nastavenie počtu meraní na spriemerovanie a nastavenie jasu displeja.
Kompletná sada povelov je na tejto linke.

Úplný výpis programu v Arduine (firmware meracej hlavy) je na tejto linke.

Celkový pohľad na kompletný sky-scanner na montáži iPANO a v transportnom kufríku:

Displej v "čakacom" stave zobrazuje zvolené filtre a aktuálne hodnoty riadiaceho napätia fotonásobiča (určuje jeho citlivosť), signálu z fotonásobiča a teploty v skrinke:

Výsledky kontrolných meraní

Pomocou bodového zdroja (LED vo vzdialenosti 5 m) sme zmerali smerovú charakteristiku meracej hlavy (zorné pole):

Zorné pole zodpovedá návrhu cloniek a ohniskovej vzdialenosti šošovky, kde sme chceli dosiahnuť FOV približne 10 stupňov. Nameraná polovičná citlivosť je pri uhle +/- 3.5 stuňa, pri +/- 6 stupňoch už fotonásobič nič nezachytí. Overili sme tiež, že pri ďalšom zvyšovaní uhla nedochádza k merateľným odrazom svetla od stien objektívu. To je dôležité pri monitorovaní svetelného znečistenia, keď nad horizontom sú silné svetelné zdroje mesta, pričom meriame oveľa menej jasnú oblohu nad mestom.

V rámci testovania sme z balkóna v Devínskej Novej Vsi zmerali spektrum oblohy smerom na Viedeň pre elevácie 10° - 60° (zenitový uhol 80° - 30°):

Zreteľne vidno, že vo vyšších elevačných uhloch (teda bližšie k zenitu) sa viac uplatňuje Rayleighov rozptyl, takže podiel modrej farby je vyšší.

Dôležitou vlastnosťou polarizačných filtrov je ich schopnosť zadržať svetlo pri skrížených polarizátoroch. Tá určuje maximálny stupeň polarizácie, ktorý dokážeme nimi odmerať. Urobili sme preto meranie pomocou nášho spektrometra, kde sme biele svetlo nechali prechádzať raz cez rovnobežné polarizátory a raz cez skrížené. Zmeraný stupeň polarizácie (Imax-Imin)/(Imax+Imin):

Vidíme, že naše polarizačné filtre sú bez problémov použiteľné v rozsahu 400 - 700 nm. Keďže však stupeň polarizácie žiary nočnej oblohy nebýva viac než 50%, na tento účel sú použiteľné ešte aj pri vlnovej dĺžke 750 nm.

Na ďalších dvoch obrázkoch je príklad signálu oblohy nad Viedňou z DNV na vlnovej dĺžke 600 nm pre rôzne orientácie polarizátora (vľavo) a závislosť stupňa polarizácie od elevačného uhla (vpravo):

Podľa očakávania sa stupeň polarizácie smerom k horizontu (zdroju svetla) blíži k nule.

Vykurovanie sme testovali pri izbovej teplote. Po trvalom zapnutí vykurovania sme pozorovali nárast teploty vo vnútri meracej hlavy:

Teplota stúpla o 18.5 (+/-0.7) °C, takže minimálna teplota 5 °C vyžadovaná elektronikou sa dá udržať bez problémov po -10 °C. Ak treba merať pri nižšej okolitej teplote, možno obaliť vrch a boky meracej hlavy tepelnoizolačným materiálom.

Softvér umožňujúci testovacie merania, napísaný v Python, je na tejto linke. Podobne ako u ovládania montáže iPANO, aj tento program umožňuje zotavenie po náhodnom prerušení USB spojenia medzi PC a meracou hlavou.