- สร้างสเปกโตรมิเตอร์แบบเชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติกที่วัดช่วง 800~1600 nm ด้วยโฟโตไดโอด InGaAs ตัวเดียว ด้วยงบประมาณราว $500
- เซนเซอร์ซิลิคอน CMOS มีข้อจำกัดจากแบนด์แกป ~1.1 eV ทำให้ ตรวจจับเกิน ~1100 nm ไม่ได้ หากต้องการเกินกว่านั้นจำเป็นต้องใช้สารกึ่งตัวนำ InGaAs ที่ปรับแบนด์แกปได้ถึงราว ~0.4 eV
- หลีกเลี่ยงต้นทุนอาร์เรย์ InGaAs ราคาแพงด้วยวิธีใช้โฟโตไดโอดตัวเดียวแล้ว สแกนด้วยสเต็ปเปอร์มอเตอร์ แทนอาร์เรย์พิกเซล
- ใช้หลอดฟลูออเรสเซนต์บนโต๊ะเป็น แหล่งแสงอ้างอิงเส้นปล่อยของปรอทและอาร์กอน เพื่อทำคาลิเบรชันตำแหน่ง-ความยาวคลื่น
- ได้ความละเอียด 3~4 nm FWHM @ 1000 nm เทียบชั้นสเปกโตรมิเตอร์ InGaAs เชิงพาณิชย์ราคา $8,000~$12,000
ภูมิหลังและแรงจูงใจ
- สเปกโตรมิเตอร์ที่ทำจากกล้องมือถือและเกรตติงเลี้ยวเบนจาก CD-ROM พบได้ทั่วไป และมีต้นทุนเพียงราว $5
- แต่กล้องฐานซิลิคอน (เซนเซอร์ CMOS) ตอบสนองได้ถึงประมาณ 1100 nm เท่านั้น เนื่องจากข้อจำกัดทางฟิสิกส์
- แบนด์แกปของซิลิคอนอยู่ที่ ~1.1 eV และความยาวคลื่นที่ยาวกว่านั้นไม่สามารถกระตุ้นให้เกิดคู่อิเล็กตรอน-โฮลได้
- หากต้องการวัดความยาวคลื่นที่ยาวกว่า ต้องใช้สารกึ่งตัวนำชนิดอื่น จึงเลือก InGaAs ซึ่งปรับแบนด์แกปได้ถึง ~0.4 eV ด้วยสัดส่วนอินเดียม/แกลเลียม
- แค่อาร์เรย์พิกเซล InGaAs แบบ 1 มิติก็มีราคาหลายพันดอลลาร์แล้ว ส่วนระบบสเปกโตรมิเตอร์ IR แบบจริงจังที่มีการทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกและเกรตติงความแม่นยำสูงมีราคามากกว่า $10k
- เหตุผลที่แพงคือกลุ่มผู้ใช้หลักไม่ใช่ผู้บริโภคทั่วไป แต่เป็นนักวิจัยวิทยาศาสตร์
- ผู้เขียนทำงานอดิเรกด้านเลเซอร์ออปติกและต้องการวิเคราะห์แหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดใกล้ที่เกิน 1100 nm จึงพบใน DigiKey ว่า โฟโตไดโอด InGaAs ตัวเดียวมีราคาประมาณ $20
- แม้จะแพงกว่าโฟโตไดโอดซิลิคอน 100 เท่า แต่ประเมินว่าการใช้ตัวเดียวนี้ทำให้สร้างสเปกโตรมิเตอร์ได้ในขอบเขต DIY
- ผลลัพธ์คือ สเปกโตรมิเตอร์ IR แบบเชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติกสำหรับวัด 800~1600 nm
หลักการและการออกแบบ
- สเปกโตรมิเตอร์ประกอบด้วย 4 องค์ประกอบ ได้แก่ สลิต องค์ประกอบเลี้ยวเบน ตัวตรวจจับ และระบบออปติกถ่ายทอดที่เชื่อมทั้งหมดเข้าด้วยกัน
-
สลิตอินพุตและไฟเบอร์ออปติก
- ไฟเบอร์ออปติกอินพุตทำหน้าที่เป็นสลิตอินพุต โดยเลือกใช้ ไฟเบอร์ออปติกมัลติโหมดคอร์ 50 um เพื่อประนีประนอมระหว่างปริมาณแสงกับความละเอียด
- สายแพตช์ SMA-905 ยาว 2 m มีราคาประมาณ $40 ใน AliExpress และ $70 ใน Thorlabs
-
เกรตติงเลี้ยวเบน
- เลือกความหนาแน่นเส้น 600 line/mm ให้เหมาะกับช่วงความยาวคลื่นออกแบบ 800~1600 nm เพื่อให้ได้การกระจาย 40° ในช่วงความยาวคลื่นออกแบบ
- ที่มุมตกกระทบ 50° การเลี้ยวเบนอันดับ 2 และ 3 ซ้อนกับลำแสงตกกระทบ จึงใช้ไม่ได้
-
วิธีสแกนตัวตรวจจับ
- เพื่อให้โฟโตไดโอด 'พิกเซล' เดียวตรวจจับแสงจากหลายมุมได้ จึง ติดตั้งบนมอเตอร์เพื่อสแกน
- ใช้ linear stage ขับด้วยสเต็ปเปอร์ที่ซื้อจาก Amazon ราคา $50 ความละเอียด 5 um ต่อสเต็ปเพียงพอแล้ว
- พื้นที่ไวแสงของโฟโตไดโอด InGaAs มีขนาด ϕ1mm และทำสลิตเอาต์พุตกว้างประมาณ 0.3 mm ด้วยเทปมาสกิงอะลูมิเนียม
-
ระบบออปติกถ่ายทอด (ออกแบบให้เหมาะกับ DIY)
- ต้องมี 3 ขั้นตอน: ดีโฟกัสสลิตอินพุตให้เป็นลำแสงขนาน → ส่งไปยังเกรตติง → โฟกัสลำแสงเลี้ยวเบนไปยังเซนเซอร์
- วิธีดั้งเดิมคือ ดีไซน์ Czerny-Turner ซึ่งใช้กระจกสะท้อนล้วนเพื่อลดความคลาดสี แต่การจัดแนวกระจกพาราโบลาโดยไม่มี optical bench ทำได้ยากมาก จึงเลือกแนวทางอื่น
- ใช้ ไฟเบอร์คอลลิเมเตอร์ แปลงเอาต์พุตจากไฟเบอร์ออปติกให้เป็นลำแสงขนาน และเชื่อมต่อโดยตรงด้วยคอนเนกเตอร์ SMA-905 ได้
- จากความคลาดสีของเลนส์คอลลิเมเตอร์ มีเพียงความยาวคลื่นออกแบบ (980 nm) ที่ขนานสมบูรณ์ ส่วนความยาวคลื่นสั้นจะลู่เข้าเล็กน้อยและความยาวคลื่นยาวจะลู่ออกเล็กน้อย แต่ยังอยู่ในช่วงยอมรับได้
- Thorlabs ราคา $160 และได้มาหนึ่งคู่จาก eBay ในราคาตัวละ $70
- ใช้กระจกเคลือบเงินนำลำแสงไปยังเกรตติง ราคา $25 จาก eBay (ของใหม่ Thorlabs $35) ส่วนกระจกไดอิเล็กทริกสำหรับแสงที่ตามองเห็นไม่เหมาะ เพราะอยู่นอกย่านในอินฟราเรดใกล้
- ใช้ เลนส์ทรงกระบอก เพื่อโฟกัสลำแสงเลี้ยวเบนกลับไปยังตัวตรวจจับ
- ลำแสงที่โฟกัสจะเป็นเส้นกว้าง ~0.5 mm สูง ~2 mm ทำให้ค่าคลาดเคลื่อนการจัดแนวผ่อนคลายเป็นราว ~1 mm
- เนื่องจากเป็นรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า จึงติดตั้งได้ง่ายแม้ใช้เพียงเทปกาวสองหน้า
- เลย์เอาต์ออปติกทำ ray tracing เส้นทางแสงด้วย Optometrika และปรับตำแหน่งเลนส์ทรงกระบอกให้เหมาะที่สุดด้วยการลองผิดลองถูก (ทางยาวโฟกัส 150 mm ทำให้ค่าคลาดเคลื่อนยอมรับได้มาก)
-
การวิเคราะห์ความละเอียด
- กำลังขยายของระบบออปติกคือ 150 mm (เลนส์ทรงกระบอก) / 11 mm (คอลลิเมเตอร์) = 13.6 เท่า
- ปัจจัยหลัก 3 อย่างที่ทำให้กว้างขึ้น:
- สลิตอินพุต: คอร์ 50 um สร้างสปอต 0.68 mm ทำให้ความยาวคลื่นกว้างขึ้นราว 6 nm
- เกรตติง: ความละเอียดการเลี้ยวเบนอันดับ 1 เท่ากับจำนวนเส้นที่ถูกส่อง ลำแสง 2 mm ให้ความละเอียด 1,200 มีผลประมาณ 1 nm
- สลิตเอาต์พุต: เพิ่มความกว้างประมาณ 3 nm
- สาเหตุหลักของการกว้างขึ้นคือขนาดสลิตอินพุต (คอร์ไฟเบอร์ออปติก) และสามารถปรับปรุงได้ด้วยเลนส์ที่ใหญ่ขึ้นและคอลลิเมเตอร์ทางยาวโฟกัสยาวขึ้นเพื่อลดกำลังขยาย
- ความละเอียดที่วัดได้สุดท้ายคือ 3~4 nm @ 1000 nm และ 5~6 nm @ 1500 nm
- สเปกโตรมิเตอร์ InGaAs ของ Edmund Optics ที่ใช้อินพุต SMA-905 เหมือนกันมี 4 nm ส่วนสเปกโตรมิเตอร์ขนาดเล็กของ Ocean Insight มี 10 nm FWHM โดยมีราคาประมาณ $12,000 และ $8,000 ตามลำดับ
การสร้าง
-
เกรตติงเลี้ยวเบน
- แทนที่จะใช้ชิ้นส่วน CD-ROM ใช้ เกรตติงสะท้อนแบบ blazed ของ Thorlabs ($70) สเปกคือ 600 line/mm, 12.7×12.7×6 mm, blaze ที่ 1000 nm
- ทำ "เมานต์ออปติก" ขนาดเล็กเองสำหรับชิ้นส่วนออปติกสี่เหลี่ยมขนาดเล็ก เพื่อยึดให้แน่นโดยไม่ทำให้เสียหาย
-
วงจรอิเล็กทรอนิกส์
- ภาคอิเล็กทรอนิกส์ของตัวตรวจจับประกอบด้วย ทรานส์อิมพีแดนซ์แอมพลิฟายเออร์ และ ADC 24 บิต
- หัวใจหลักคือออปแอมป์ AD8656 ที่มี input bias current 1 pA และสัญญาณรบกวนต่ำมาก พร้อมตัวต้านทานเกน 100 เมกะโอห์มที่แปลง 1 pA เป็น 100 uV
- โฟโตไดโอดทำงานที่ zero bias (โหมด 'โฟโตโวลเทอิก') เพื่อตัดกระแสมืด
- สัญญาณป้อนเข้า AD7793 ซึ่งเป็น ADC ความแม่นยำสูงสัญญาณรบกวนต่ำพร้อม digital filtering ในตัว โดยที่ความเร็วต่ำสุด (4.17 Hz) มี noise 40 nV
-
แหล่งจ่ายไฟและการชิลด์
- แก้ปัญหาการแกว่งและริปเปิลขนาดใหญ่ของไฟ 5V USB ด้วยลิเนียร์เรกูเลเตอร์ LT3042 (PSRR มากกว่า 100 dB) ซึ่งยอดเยี่ยมสำหรับจัดการไฟสกปรก
- วงจรไวต่อการคัปปลิงเชิงความจุกับตัวนำรอบข้างมาก (โดยเฉพาะร่างกายมนุษย์ที่ก่อสัญญาณรบกวน 60 Hz) สาเหตุคือโหนดอิมพีแดนซ์สูงหลายสิบเมกะโอห์มที่อินพุตออปแอมป์
- จำเป็นต้องใช้ การชิลด์ไฟฟ้าสถิต ไม่ใช่การชิลด์ EMI ทั่วไป โดยห่อแผงวงจรและโฟโตไดโอดด้วยเทปอะลูมิเนียม ฟอยล์ หรือแผ่นโลหะที่ต่อกราวด์
- วิธีที่ดีกว่าคือใช้ซ็อกเก็ตโฟโตไดโอดเฉพาะ ต่อด้วยสายโคแอกเชียลไปยัง PCB ที่มีกราวด์เพลนสองชั้น
-
การวิเคราะห์สัญญาณรบกวน
- หลังจากตัดแหล่งรบกวนภายนอกแล้ว สัญญาณรบกวนภายในที่เหลือมาจาก 3 จุด ได้แก่ โฟโตไดโอด แอมพลิฟายเออร์ และตัวต้านทานฟีดแบ็ก R
- ในย่าน 1~100 Hz สัญญาณรบกวนของแอมพลิฟายเออร์ส่วนใหญ่เป็น 1/f noise ซึ่งเฉลี่ยออกได้ยาก และอยู่ที่ประมาณ 0.3 uVrms ในช่วง 0.1~10 Hz (เทียบกลับไปที่อินพุต 3 fA)
- ตัวต้านทาน R และโฟโตไดโอดให้ thermal noise ที่ 13 fA/√Hz และ 9 fA/√Hz ตามลำดับ (สมมติ shunt resistance 200 MΩ)
- เมื่อวัดที่ความเร็วต่ำสุด 4.17 Hz สัญญาณรบกวนรวมแบบ RMS อยู่ที่ประมาณ 30 fA และเมื่อไม่มีแสง ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของสัญญาณอยู่ที่ประมาณ 18 fA จึงแทบถึง ขีดจำกัด thermal noise แล้ว
- หากจะปรับปรุงเพิ่มเติม จำเป็นต้องเอาเซนเซอร์และแอมพลิฟายเออร์ไปแช่ในไนโตรเจนเหลว
-
องค์ประกอบชิ้นส่วน
- แหล่งจ่ายไฟ (5V 2A) อยู่ผนังด้านซ้าย บอร์ดคอนโทรลเลอร์อยู่ด้านบน และบอร์ดตัวตรวจจับยึดกับสเต็ปเปอร์มอเตอร์เชิงเส้น
- ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้บอร์ด STM32 Nucleo-32 และติดตั้งไดรเวอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์แยกต่างหาก
- บนบอร์ดตัวตรวจจับมีเรกูเลเตอร์สัญญาณรบกวนต่ำ, ADC และทรานส์อิมพีแดนซ์แอมพลิฟายเออร์ โดยเทปชิลด์รอบแอมพลิฟายเออร์มีความสำคัญต่อสัญญาณรบกวนต่ำ
- เดิมทำสลิตด้วยใบมีดโกน แต่เมื่ออยู่ไกลจากโฟโตไดโอด ปริมาณแสงจะลดลงมากที่มุมตกกระทบสูง จึงเปลี่ยนเป็นติดเทปสีดำสองชิ้นโดยตรงบนหน้าต่างด้านหน้า
การตรวจสอบประสิทธิภาพ
-
แหล่งแสงอ้างอิงสำหรับคาลิเบรชัน
- ต้องการแหล่งแสงที่มีความยาวคลื่นและความกว้างเส้นที่ทราบ สำหรับการจัดแนวหยาบใช้ปากกาเลเซอร์สีเขียว 505 nm (การเลี้ยวเบนอันดับ 2 อยู่ที่มุมเดียวกับอันดับ 1 ของ 1010 nm)
- หลอดปรอทและหลอดอ้างอิงอาร์กอน-นีออนมีราคาแพงราว $300 ตาม Newport ส่วนหลอดสเปกตรัมก๊าซต้องใช้แหล่งจ่ายแรงดันสูง
- หลอดฟลูออเรสเซนต์บนโต๊ะ กลายเป็นแหล่งแสงอ้างอิงที่สมบูรณ์แบบ แต่ต้องเป็นหลอดฟลูออเรสเซนต์เท่านั้น ใช้ LED หรือหลอดไส้ไม่ได้
- หลอดฟลูออเรสเซนต์ใช้ไอปรอทและก๊าซเฉื่อยปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลต แล้วสารเรืองแสงแปลงเป็นแสงที่ตามองเห็น
- ปรอทเป็นกลางมีเส้นปล่อยที่ 436, 543, 546, 1014, 1357, 1367, 1530 nm โดย 4 เส้นหลังมีประโยชน์สำหรับคาลิเบรชันอินฟราเรดใกล้
- โคมไฟตั้งโต๊ะยังบรรจุก๊าซอาร์กอน จึงให้เส้นปล่อยหลายเส้นในช่วง 800~1000 nm
- ระบุเส้นในสเปกตรัมเพื่อจับคู่ตำแหน่ง-ความยาวคลื่น แล้วเชื่อมด้วยการอินเตอร์โพเลต และจัดแนวเลนส์ทรงกระบอกให้พีก 1014 nm คมที่สุด (FWHM ~3 nm)
-
การแก้การตอบสนองเชิงสเปกตรัม
- แก้ฟังก์ชันการตอบสนองเชิงสเปกตรัม ซึ่งเป็นแอมพลิจูดสัญญาณต่อปริมาณแสงหนึ่งหน่วยในแต่ละความยาวคลื่น โดยความคลาดเคลื่อนของสัญญาณสัมบูรณ์ 10% ไม่เป็นปัญหาในการวัดการสะท้อนและการส่งผ่าน
- ใช้หลอดควอตซ์ฮาโลเจนราคา $10 ที่ซื้อจากร้านฮาร์ดแวร์ท้องถิ่น โดยสมมติว่าเป็นแหล่งกำเนิด blackbody 3200 K เพื่อแก้การตอบสนองเชิงสเปกตรัม
-
การวัดการส่งผ่าน
- ซื้อไฟเบอร์อิลลูมิเนเตอร์แยกจาก eBay ราคา $70 และทำมินิ test bench สำหรับวัดสเปกตรัมการส่งผ่านของฟิลเตอร์และผลึก
- สร้างลำแสงสีขาวที่มีมุมกระจาย ~2° และปรับเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงได้ ~0.5 mm~1 cm จากนั้นเก็บแสงด้วยไฟเบอร์คอลลิเมเตอร์ฝั่งตรงข้าม
- วางฟิลเตอร์ long-pass 790 nm หน้าไฟเบอร์คอลลิเมเตอร์เพื่อกันการรบกวนจากการเลี้ยวเบนอันดับ 2 ของแสงที่ตามองเห็น
- วัดได้เฉพาะตัวอย่างแบนที่ไม่มี optical power เท่านั้น องค์ประกอบที่เปลี่ยนรูปทรงลำแสง เช่น เลนส์ จะให้ผลไม่ถูกต้อง
- วัดกราฟการส่งผ่านของ ผลึก Nd:YAG (2×2×10 mm, โดป 1%) และสังเกตแบ็กกราวด์จากการสะท้อนที่ผิวสัมผัสกับพีกการดูดกลืนของ Nd:YAG
- แสง 808 nm ที่ใช้กันบ่อยที่สุดสำหรับ diode pumping ถูกดูดกลืนเกือบหมด
- ซื้อไฟเบอร์อิลลูมิเนเตอร์แยกจาก eBay ราคา $70 และทำมินิ test bench สำหรับวัดสเปกตรัมการส่งผ่านของฟิลเตอร์และผลึก
-
การวัดฟลูออเรสเซนซ์และ dynamic range
- วัดสเปกตรัมฟลูออเรสเซนซ์ด้วย pump diode 808 nm (ประมาณ 100 mW) และแสดงบนสเกลลอการิทึม
- พีกที่แรงที่สุดคือ 1064 nm และยังเห็นเส้นปล่อย 946, 1116, 1319, 1338, 1357, 1414, 1431, 1444 nm ได้ชัดเจน
- ในการตั้งค่านี้ (gain 16, time constant 1/8.33 Hz) สัญญาณที่วัดได้สูงสุดคือ 800 pA และ noise floor ประมาณ 0.2 pA ทำให้ได้ dynamic range 4,000:1 (72 dB)
- หากใช้ time constant ใหญ่ขึ้นและ gain ต่ำลง สามารถปรับปรุงได้ถึง 100,000:1
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
บทความและโปรเจกต์นี้ค่อนข้างน่าประทับใจ เพราะเป็นผลงานของคนที่ค้นพบสภาพนำยวดยิ่งใน กราฟีนสองชั้นแบบบิดมุม
แค่ประเด็นที่ว่าสามารถทำของราคา 10,000 ดอลลาร์ให้เหลือ 500 ดอลลาร์ได้ ก็น่าสนใจอยู่แล้ว
เป็นโปรเจกต์ที่เจ๋งมาก เคยพยายามทำ รามานสเปกโทรมิเตอร์ แบบ DIY และแบบนั้นทำได้แม้ใช้งบต่ำกว่า 100 ดอลลาร์ [1] แต่สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้นั้นเปิดความเป็นไปได้มากกว่าอย่างชัดเจน
ผมไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์ แต่ชอบแนวคิดที่เราสามารถเข้าถึงเครื่องมือแบบนี้ได้ ตามที่เข้าใจ รามานสเปกโทรสโกปีจำกัดอยู่กับโมเลกุลผลึกที่ไม่สมมาตร ดังนั้นกับสิ่งอย่างเช่นเกลือ จึงน่าจะยากที่จะได้การสะท้อนที่ดีพอสำหรับอ่านค่า
แก้ไข: อินฟราเรดใกล้เป็นเทคนิคที่เสริมกัน “ในโมเลกุลที่มีการสั่นแบบยืดหดสมมาตร การสั่นที่ Raman-active จะไม่ปรากฏในอินฟราเรด และในโมเลกุลที่มีการสั่นแบบยืดหดไม่สมมาตร การสั่นที่ infrared-active จะไม่ปรากฏในสเปกตรัมรามาน สิ่งนี้เรียกว่าหลักการกีดกันร่วมกัน และทำให้ NIR กับรามานสเปกโทรสโกปีเป็นเทคนิคที่เสริมกัน” [2]
สิ่งที่อยากรู้จริง ๆ คือสามารถตรวจพบ พทาเลต ในพลาสติก หรือโลหะหนักอย่างแคดเมียมในผลิตภัณฑ์โลหะได้หรือไม่ จากที่คุยกับคนมีประสบการณ์ ดูเหมือนว่าสุดท้ายเรื่องพวกนี้ควรส่งห้องแล็บให้ทำ GC/MS อยู่ดี แต่ก็ยังอยากดูว่าจะทำรามานหรือสเปกโทรมิเตอร์อินฟราเรดใกล้หลาย ๆ เครื่องสำหรับร้านยาในโลกที่สามได้ไหม ยาปลอมเป็นปัญหาจริงที่นั่น และไม่จำเป็นต้องปล่อยให้เป็นแบบนั้นต่อไป
[1] https://www.hackteria.org/wiki/images/a/a0/MobPhone_RamanSpe...
[2] https://www.labmate-online.com/news/mass-spectrometry-and-sp...
เลเซอร์($40): https://a.co/d/0wjNGBz
เกรตติงเลี้ยวเบน($12): https://a.co/d/6bpO8xm
เลนส์รวมลำแสงเลเซอร์: หาไม่เจอ
เลนส์เก็บแสงฟลูออเรสเซนซ์: หาไม่เจอ
เลนส์โฟกัส: หาไม่เจอ
เลนส์คอลลิเมต: หาไม่เจอ
ต้นทุนส่วนหนึ่งมาจากการใช้งานที่ตั้งใจไว้ การรับประกันประสิทธิภาพ คือความรับผิดชอบต่อความล้มเหลวของการออกแบบ และอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ต้องมีความสม่ำเสมอมากตามวัตถุประสงค์การใช้งาน
แทบไม่มีที่ไหนทำเซ็นเซอร์ออปติคัลสำหรับงานอดิเรก ตอนหาของสำหรับโปรเจกต์ที่ต้องใช้เลเซอร์ ทางเลือกมีแค่เลิกทำ หรือซื้อเซ็นเซอร์ปลายยุค 1980 จาก eBay ในราคา 4,000 ดอลลาร์ แล้วทำ reverse engineering ของชิ้นนั้นที่ไม่มีซอฟต์แวร์และไม่มีสายเคเบิลเฉพาะทาง รุ่น USB ช่วงต้นยุค 2000 ก็ราคา 10,000 ดอลลาร์โดยไม่มีซอฟต์แวร์ และยังไม่ต้องพูดถึงรุ่น USB3 ใหม่ราคา 50,000 ดอลลาร์
อุปกรณ์ออปติคัลแพงจนน่าขัน และแม้แต่งานระดับสูง บางครั้งก็ต้องการแค่ เครื่องมือพื้นฐาน เท่านั้น
อุปกรณ์ Flir เคยเป็นของใช้ทางทหาร แต่ตอนนี้ซื้อของจีนราคาถูกที่ไม่ติดข้อจำกัดส่งออกของสหรัฐฯ ได้ในรูปแบบดองเกิลมือถือราคาไม่กี่ร้อยดอลลาร์ และใช้ดูชิ้นส่วนบน PCB ที่ร้อนเกินไปหรือจุดที่ฉนวนบ้านไม่ดีได้
การรักษาของเหลวให้อยู่ที่อุณหภูมิแม่นยำเคยเป็นงานในห้องแล็บ แต่ตอนนี้ซื้อเครื่องซูวีราคา 50 ดอลลาร์ได้ อุปกรณ์การแพทย์อย่างเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดก็ลงมาถึงระดับ 1 ดอลลาร์·1 ยูโรแล้ว
เมื่อราคาลดลง ผู้คนจำนวนมากขึ้นก็จะพบการใช้งานมากขึ้น และเมื่อบริษัทมากขึ้นผลิตมัน ก็จะเกิด วงจร ที่ทำให้ราคายิ่งลดลงอีก
การติดตั้งหลักที่ทำให้ต้นทุนต่ำลงคือ แทนที่จะใช้อาร์เรย์เซ็นเซอร์ InGaAs ราคาแพง กลับใช้ โฟโตไดโอดตัวเดียว ติดกับมอเตอร์เพื่อสแกนพื้นที่ทางกายภาพ
งานก่อนหน้านี้เคยใช้สเปกโทรมิเตอร์อินฟราเรดระดับอุตสาหกรรมและวิทยาศาสตร์ที่ราคาเกิน 100,000 ดอลลาร์ ความไวของอุปกรณ์ทางกายภาพก็สำคัญ โดยเฉพาะในงานวิจัยพื้นฐาน แต่สิ่งที่มักชี้ขาดความเป็นไปได้ในการใช้งานจริงคือซอฟต์แวร์ ซอฟต์แวร์สเปกโทรมิเตอร์สมัยใหม่มีการประมวลผลสัญญาณขั้นสูงและ แมชชีนเลิร์นนิง อยู่ด้วย
อยากให้มี ชุมชนวิทยาศาสตร์พื้นฐาน ที่มือสมัครเล่นมีส่วนร่วมได้มากขึ้น นอกเหนือจากแวดวงวิชาการและหน่วยงานสนับสนุนของรัฐ
เหมือนชมรมดาราศาสตร์สมัครเล่น นักดาราศาสตร์สมัครเล่นยังคงมีส่วนร่วมในสาขาของตนอย่างกว้างขวาง อยากให้พวกเขามีส่วนร่วมได้ในขนาดที่ใหญ่กว่าและในวิธีที่สำคัญกว่า อยากเห็นโพสต์นักวิทยาศาสตร์สมัครเล่นบน HN มากขึ้น
นอกจากนี้ยังมี Society for Astronomical Sciences ที่ครอบคลุมกว้างกว่าและเน้นอุปกรณ์อยู่พอสมควร, Center for Backyard Astrophysics ที่เชี่ยวชาญด้านดาวแปรแสงบางชนิด และ International Occultation and Timing Association ที่สังเกตการณ์การบังดาวโดยดาวเคราะห์น้อยเพื่ออนุมานรูปร่าง ประเทศส่วนใหญ่ก็มีองค์กรคล้าย ๆ กัน
ภายใน SAS มีกลุ่มที่สร้าง FlexSpec 1 ซึ่งเป็นสเปกโทรกราฟออปติคัลอัตโนมัติสำหรับดาราศาสตร์ (https://flexspec1.readthedocs.io/en/latest/) ค่าอะไหล่อยู่ที่ประมาณ 500 ดอลลาร์ และอุปกรณ์คล้ายกันขายกันที่ประมาณ 3,000 ดอลลาร์
เป็นโปรเจกต์ที่ดี หากจำเป็น สามารถใส่ คาปาซิเตอร์ Cf ที่มีการดูดกลืนไดอิเล็กทริกต่ำ ขนานกับตัวต้านทานตั้งค่าเกน Rf เพื่อเฉลี่ยสัญญาณรบกวนให้มากขึ้นได้
หากสัญญาณรบกวนจากความถี่ไฟบ้านยังเป็นปัญหาอยู่ ก็สามารถจัดการได้เช่นกัน อีกจุดที่ปรับปรุงได้คือการเพิ่มล้อ optical chopper เพื่อจัดการกับสัญญาณรบกวน 1/f ของทั้งระบบ ข้อเสียคือต้องใช้อัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงขึ้น และหลังจากนั้นต้อง demodulate กับ filter ภายนอก นอกจากนี้ Cf ยังถูกจำกัดไว้ที่ความถี่ที่สูงขึ้นด้วย
มีโปรเจกต์คล้ายกันที่ใส่โฟโตไดโอดตัวเดียวไว้ในกล้องรูเข็มแบบหนึ่ง: https://hackaday.com/2016/05/18/using-missile-tech-to-see-li...
ถ้าดูสิ่งนี้รวมกับกล้องโทรทรรศน์วิทยุ DIY และเรดาร์ Wi-Fi แล้ว สักวันเราอาจได้เห็น tricorder ของจริงก็ได้
ถ้าไม่อยากรอให้แอนิเมชันของเนื้อหาจบ ให้ทำแบบนี้:
javascript:document.querySelectorAll(".animate-box").forEach(e => { e.classList.remove('animate-box') })ดีมาก แต่เงิน 10,000 ดอลลาร์นั้นส่วนใหญ่น่าจะเป็น ค่า certification ที่ DIY ทำเองไม่ได้ ใช้เป็นงานอดิเรกถือว่าเยี่ยม แต่คงเอาไปขายบวกกำไร 9,500 ดอลลาร์ไม่ได้
พูดอีกอย่างคือเราอาจกำลังจ่ายเงินให้กับหลายสิ่งหลายอย่างในการดำเนินธุรกิจที่ผู้ทำ DIY คนเดียวไม่จำเป็นต้องมี แถมนักวิจัยจำนวนมากซื้ออุปกรณ์ด้วยทุนวิจัย จึงอาจไม่ค่อยอ่อนไหวต่อราคาในบางกรณี
ผมไม่สงสัยว่าผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ผ่านการ calibration และ certification มาก่อน แต่ถ้า certification กับ calibration นั้นเองมีต้นทุนจริง ๆ ราว 9,000 ดอลลาร์ ผมคงค่อนข้างแปลกใจ
บริษัทต่าง ๆ ตัดสินใจทุกวันว่าจะ สร้างเองหรือซื้อ บทความนี้แสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างและตรวจสอบอุปกรณ์ได้ด้วยความรู้และทักษะที่คาดหวังจากหัวหน้านักวิจัยส่วนใหญ่
ถ้าผมเป็นผู้อำนวยการแล็บ ผมคงอยากมีคนที่สามารถพิจารณาทางเลือกในการสร้างเองเมื่อสมเหตุสมผลได้ แบบนั้นเราจะบูรณาการระบบและตรวจสอบความถูกต้องให้ตรงกับความต้องการของเราได้ และนั่นก็กลายเป็นวัตถุดิบสำหรับทรัพย์สินทางปัญญาเฉพาะทางและการเติบโตในสายอาชีพ
มันคงทำงานได้อยู่พักหนึ่ง แต่ถ้าเกิดปัญหาขึ้นมาก็ยากต่อการบำรุงรักษา และซอฟต์แวร์ก็คงยังไม่ได้ขัดเกลามากนัก การขาย spectrometer เชิงพาณิชย์มีต้นทุนอีกมากที่ไม่ได้อยู่ใน bill of materials
ถ้าอยากทำเองก็ยอดเยี่ยม แต่แม้แต่ spectrometer แสงที่มองเห็นได้แบบเซนเซอร์เดี่ยวซึ่งใช้ชิ้นส่วนราคาถูก ก็ยังซื้อในราคาที่ใกล้เคียงกับผลรวมราคาชิ้นส่วนไม่ได้