Спектрорадиометр

Спектрорадиометра является светом измерения инструмента , который способен измерять как длину волны и амплитуду света , излучаемый из источника света. Спектрометры различают длину волны в зависимости от положения, в котором свет попадает на матрицу детекторов, что позволяет получить полный спектр за один прием. Большинство спектрометров имеют базовое измерение счета, которое является неоткалиброванным показанием и, таким образом, зависит от чувствительности детектора к каждой длине волны. После применения калибровки спектрометр может выполнять измерения спектральной энергетической освещенности., спектральная яркость и / или спектральный поток. Эти данные также затем используются со встроенным программным обеспечением или программным обеспечением ПК и многочисленными алгоритмами для получения показаний или освещенности (Вт / см2), освещенности (люкс или fc), яркости (Вт / ср), яркости (кд), потока (люмен или ватт) ), Цветность, цветовая температура, пиковая и доминирующая длина волны. Некоторые более сложные пакеты программного обеспечения для спектрометров также позволяют рассчитывать PAR мкмоль / м ² / с, метамерию и расчеты канделы на основе расстояния и включают такие функции, как 2- и 20-градусный наблюдатель, сравнение наложения базовой линии, пропускание и отражение.

Спектрометры доступны в различных корпусах и размерах, охватывающих многие диапазоны длин волн. Эффективный (спектральный) диапазон длин волн спектрометра определяется не только дисперсионной способностью решетки, но и диапазоном чувствительности детекторов. Ограниченный шириной запрещенной зоны полупроводника, кремниевый детектор реагирует на 200-1100 нм, в то время как детектор на основе InGaAs чувствителен до 900-1700 нм (или до 2500 нм при охлаждении).

Лабораторные / исследовательские спектрометры часто охватывают широкий спектральный диапазон от УФ до БИК и требуют ПК. Существуют также ИК-спектрометры, которым требуется более высокая мощность для работы системы охлаждения. Многие спектрометры могут быть оптимизированы для определенного диапазона, например УФ или видимого диапазона, и объединены со второй системой, чтобы обеспечить более точные измерения, лучшее разрешение и устранить некоторые из наиболее распространенных ошибок, обнаруживаемых в широкополосных системах, таких как рассеянный свет и отсутствие чувствительности.

Также доступны портативные устройства для различных спектральных диапазонов, от УФ до ближнего инфракрасного диапазона, и предлагают множество различных стилей и размеров корпусов. Переносные системы со встроенными дисплеями обычно имеют встроенную оптику и бортовой компьютер с предварительно запрограммированным программным обеспечением. Мини-спектрометры также можно использовать в ручных или в лаборатории, поскольку они питаются и управляются с помощью ПК и требуют USB-кабеля. Входная оптика может быть встроена или обычно прикреплена к оптоволоконному световоду. Существуют также микро-спектрометры размером меньше четверти, которые можно интегрировать в систему или использовать отдельно.

Фон [ править ]

Область спектрорадиометрии занимается измерением абсолютных радиометрических величин в узких интервалах длин волн. ^[1] Полезно производить выборку спектра с узкой полосой пропускания и приращениями длины волны, потому что многие источники имеют линейчатую структуру ^[2] Чаще всего в спектрорадиометрии требуется измерение спектральной освещенности. На практике измеряется средняя спектральная энергетическая освещенность, которая математически отображается как приближение:

${\ displaystyle E (\ lambda) = {\ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta A \ Delta \ lambda}}}$

Где - спектральная освещенность, - лучистый поток источника ( единица СИ : ватт , Вт) в интервале длин волн (единица СИ: метр , м), падающий на площадь поверхности, (единица СИ: квадратный метр, м ² ) . Единица СИ для спектральной освещенности - Вт / м ³ . Однако часто бывает более полезно измерять площадь в сантиметрах и длину волны в нанометрах , поэтому будут использоваться доли единиц спектральной освещенности в системе СИ, например, мкВт / см ² * нм ^[3]${\ displaystyle E}$${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle \ Delta \ lambda}$${\ displaystyle A}$

Спектральная освещенность будет варьироваться от точки к точке на поверхности в целом. На практике важно отметить, как лучистый поток меняется в зависимости от направления, размер телесного угла, который образует источник в каждой точке на поверхности, и ориентация поверхности. Учитывая эти соображения, часто более разумно использовать более строгую форму уравнения для учета этих зависимостей ^[3]

Обратите внимание, что приставка «спектральный» следует понимать как аббревиатуру фразы «спектральная концентрация», которая понимается и определяется CIE как «частное от радиометрической величины, взятой в бесконечно малом диапазоне по обе стороны от заданной длины волны. , по диапазону ". ^[4]

Спектральное распределение мощности [ править ]

Спектральное распределение мощности (SPD) источника описывает, какой поток достигает датчика на определенной длине волны и в определенной области. Это эффективно выражает вклад каждой длины волны в измеряемую радиометрическую величину. SPD источника обычно отображается в виде кривой SPD. Кривые SPD обеспечивают визуальное представление цветовых характеристик источника света, показывая лучистый поток, излучаемый источником на различных длинах волн в видимом спектре ^[5]. Это также показатель, с помощью которого мы можем оценить способность источника света передавать цвета. то есть, можно ли правильно воспроизвести определенный цветовой стимул при данном освещении .

Характерные спектральные распределения мощности (SPD) для лампы накаливания (слева) и люминесцентной лампы (справа). Горизонтальные оси указаны в нанометрах, а вертикальные оси показывают относительную интенсивность в произвольных единицах.

Источники ошибок [ править ]

Качество данной спектрорадиометрической системы зависит от ее электроники, оптических компонентов, программного обеспечения, источника питания и калибровки. В идеальных лабораторных условиях и с помощью высококвалифицированных специалистов можно добиться небольших (от нескольких десятых до нескольких процентов) ошибок в измерениях. Однако во многих практических ситуациях вероятность ошибок составляет порядка 10 процентов ^[3]. При физических измерениях используются несколько типов ошибок. Три основных типа ошибок, которые отмечаются как ограничивающие факторы точности измерения, - это случайные, систематические и периодические ошибки ^[6].

• Случайные ошибки - это вариации этого среднего. В случае спектрорадиометрических измерений это можно рассматривать как шум от детектора, внутренней электроники или самого источника света. С ошибками этого типа можно бороться более длительным временем интегрирования или многократным сканированием.
• Систематические ошибки - это смещения к предсказанному «правильному» значению. Систематические ошибки обычно возникают из-за человеческого фактора в этих измерениях, самого устройства или постановки эксперимента. Такие вещи, как ошибки калибровки, рассеянный свет и неправильные настройки, - все это потенциальные проблемы.
• Периодические ошибки возникают из-за повторяющихся периодических или псевдопериодических событий. Изменения температуры, влажности, движения воздуха или помех переменного тока можно классифицировать как периодическую ошибку. ^[6]

В дополнение к этим общим источникам ошибок, некоторые из более конкретных причин ошибки в спектрорадиометрии включают:

• Многомерность измерения. Выходной сигнал зависит от нескольких факторов, включая величину измеренного потока, его направление, поляризацию и распределение по длине волны.
• Неточность измерительных инструментов, а также эталонов, используемых для калибровки указанных инструментов, каскадировались, создавая большую погрешность на протяжении всего процесса измерения, и
• Запатентованные методы уменьшения ошибок многомерности и нестабильности устройства. ^[3]

Gamma-Scientific, калифорнийский производитель устройств для измерения освещенности, перечисляет семь факторов, влияющих на точность и производительность их спектрорадиометров из-за калибровки системы, программного обеспечения и источника питания, оптики или самого механизма измерения. ^[7]

Определения [ править ]

Рассеянный свет [ править ]

Рассеянный свет - это излучение с нежелательной длиной волны, достигающее неправильного элемента детектора. Он генерирует ошибочные электронные подсчеты, не связанные с рассчитанным спектральным сигналом для пикселя или элемента матрицы детекторов. Это может происходить из-за рассеяния света и отражения несовершенных оптических элементов, а также из-за эффектов дифракции более высокого порядка. Эффект второго порядка можно устранить или, по крайней мере, резко уменьшить, установив перед детектором фильтры сортировки по порядку. 

Чувствительность Si-детекторов в видимом и ближнем ИК-диапазоне почти на порядок больше, чем в УФ-диапазоне. Это означает, что пиксели в УФ-спектральной позиции гораздо сильнее реагируют на рассеянный свет в видимой и ближней ИК-области, чем на собственный спектральный сигнал. Следовательно, влияние рассеянного света в УФ-области намного более значимо по сравнению с пикселями видимого и ближнего ИК-диапазона. Эта ситуация усугубляется, чем короче длина волны. 

При измерении широкополосного света с небольшой долей УФ-сигналов влияние рассеянного света иногда может быть доминирующим в УФ-диапазоне, поскольку пиксели детектора уже изо всех сил пытаются получить достаточное количество УФ-сигналов от источника. По этой причине калибровка с использованием эталонной лампы QTH может иметь огромные ошибки (более 100%) ниже 350 нм, и для более точной калибровки в этой области требуется эталонная лампа с дейтерием. Фактически, измерение абсолютного света в УФ-области может иметь большие ошибки даже при правильной калибровке, когда большая часть электронных отсчетов в этих пикселях является результатом рассеянного света (лучи с большей длиной волны вместо действительного УФ-света).

Ошибки калибровки [ править ]

Существует множество компаний, предлагающих калибровку для спектрометров, но не все они равны. Важно найти сертифицированную лабораторию для проведения калибровки. В сертификате калибровки должен быть указан используемый источник света (например, галоген, дейтерий, ксенон, светодиод) и погрешность калибровки для каждого диапазона (UVC, UVB, VIS ..), каждой длины волны в нм или для всего спектра. измеряется. В нем также должен быть указан уровень достоверности неопределенности калибровки.

Неправильные настройки [ править ]

Как и фотоаппарат, большинство спектрометров позволяют пользователю выбирать время экспозиции и количество собираемых образцов. Установка времени интегрирования и количества сканирований - важный шаг. Слишком долгое время интегрирования может вызвать насыщение. (На фотографии камеры это может выглядеть как большое белое пятно, тогда как на спектрометре оно может выглядеть как провал или обрезанный пик). Слишком короткое время интегрирования может привести к зашумленным результатам (на фотографии камеры это будет темное пятно). или размытая область, где, как в спектрометре, могут появиться резкие или нестабильные показания).

Время экспозиции - это время, в течение которого свет падает на датчик во время измерения. Регулировка этого параметра изменяет общую чувствительность инструмента, как и изменение времени экспозиции для камеры. Минимальное время интегрирования варьируется в зависимости от прибора и составляет минимум 0,5 мс и максимум около 10 минут на сканирование. Практическая настройка находится в диапазоне от 3 до 999 мс в зависимости от интенсивности света.

Время интегрирования следует отрегулировать для сигнала, который не превышает максимальное количество отсчетов (16-битная ПЗС имеет 65 536, 14-битная ПЗС - 16 384). Насыщение происходит, когда время интегрирования установлено слишком большим. Обычно пиковый сигнал около 85% от максимума является хорошей целью и дает хорошее отношение сигнал / шум. (например: 60 000 или 16 000 отсчетов соответственно)

Количество сканирований указывает, сколько измерений будет усреднено. При прочих равных условиях отношение сигнал / шум (SNR) собранных спектров улучшается на квадратный корень из числа N усредненных сканирований. Например, если усреднить 16 спектральных сканирований, SNR улучшается в 4 раза по сравнению с одиночным сканированием.

Отношение сигнал / шум измеряется на уровне входящего света, который достигает полной шкалы спектрометра. Это отношение количества сигналов Cs (обычно на полной шкале) к среднеквадратическому шуму (среднеквадратичному значению) при данном уровне освещенности. Этот шум включает в себя темновой шум Nd, дробовой шум Ns, связанный со счетчиками, генерируемыми входным светом, и шум считывания. Это лучшее соотношение сигнал / шум, которое можно получить от спектрометра для измерений освещенности.

Как это работает [ править ]

Основные компоненты спектрорадиометрической системы следующие:

• Входная оптика, собирающая электромагнитное излучение от источника (диффузоры, линзы, оптоволоконные световоды)
• Входная щель определяет, сколько света попадет в спектрометр. Щель меньшего размера с большим разрешением, но меньшей общей чувствительностью
• Фильтры сортировки по порядку для уменьшения эффектов второго порядка
• Коллиматор направляет свет на решетку или призму.
• Решетка или призма для рассеивания света
• Фокусирующая оптика для направления света на детектор
• Детектор, датчик CMOS или матрица CCD
• Система контроля и регистрации для определения данных и их хранения. ^[8]

Входная оптика [ править ]

Передняя оптика спектрорадиометра включает линзы, диффузоры и фильтры, которые изменяют свет, когда он впервые попадает в систему. Для Radiance требуется оптика с узким полем зрения. Для полного потока требуется интегрирующая сфера. Для коррекции косинусной освещенности требуется оптика. Материал, используемый для этих элементов, определяет, какой тип света можно измерить. Например, для измерения УФ-излучения часто используются кварцевые, а не стеклянные линзы, оптические волокна, тефлоновые диффузоры и интегрирующие сферы, покрытые сульфатом бария, для обеспечения точных УФ-измерений. ^[8]

Монохроматор [ править ]

Чтобы выполнить спектральный анализ источника, потребуется монохроматический свет на каждой длине волны, чтобы создать спектральный отклик источника света. Монохроматор используется для выборки длин волн от источника и, по сути, получения монохроматического сигнала. По сути, это переменный фильтр, выборочно отделяющий и пропускающий определенную длину волны или полосу длин волн из полного спектра измеряемого света и исключающий любой свет, попадающий за пределы этой области. ^[9]

В типичном монохроматоре это достигается за счет использования входных и выходных щелей, коллимирующей и фокусирующей оптики, а также элемента, рассеивающего длину волны, такого как дифракционная решетка или призма. ^[6] Современные монохроматоры производятся с дифракционными решетками, а дифракционные решетки используются почти исключительно в спектрорадиометрических приложениях. Дифракционные решетки предпочтительнее из-за их универсальности, низкого затухания, широкого диапазона длин волн, более низкой стоимости и более постоянной дисперсии. ^[9] Одинарные или двойные монохроматоры могут использоваться в зависимости от применения, при этом двойные монохроматоры обычно обеспечивают большую точность из-за дополнительной дисперсии и перегородок между решетками. ^[8]

Детекторы [ править ]

Детектор, используемый в спектрорадиометре, определяется длиной волны, на которой измеряется свет, а также требуемым динамическим диапазоном и чувствительностью измерений. Базовые технологии детекторов спектрорадиометров обычно делятся на одну из трех групп: фотоэмиссионные детекторы (например, фотоэлектронные умножители ), полупроводниковые устройства (например, кремний) или тепловые детекторы (например, термобатареи). ^[10]

Спектральный отклик данного детектора определяется материалами его сердцевины. Например, фотокатоды, используемые в фотоэлектронных умножителях, могут быть изготовлены из определенных элементов, защищающих от солнечного излучения - чувствительных к УФ и нечувствительных к свету в видимой или инфракрасной области. ^[11]

Матрицы CCD (устройства с зарядовой связью), как правило, одномерные (линейные) или двумерные (площадные) матрицы из тысяч или миллионов отдельных элементов детектора (также известных как пиксели) и датчиков CMOS. Они включают в себя многоканальный матричный детектор на основе кремния или InGaAs, способный измерять УФ, видимый и ближний инфракрасный свет.

Датчики CMOS (комплементарные металлооксидные полупроводники) отличаются от CCD тем, что они добавляют усилитель к каждому фотодиоду. Это называется активным пиксельным датчиком, потому что усилитель является частью пикселя. Транзисторные переключатели подключают каждый фотодиод к внутрипиксельному усилителю во время считывания.

Система контроля и регистрации [ править ]

Система регистрации часто представляет собой просто персональный компьютер. При начальной обработке сигнала его часто необходимо усилить и преобразовать для использования с системой управления. Линии связи между монохроматором, выходом детектора и компьютером должны быть оптимизированы, чтобы обеспечить использование желаемых показателей и функций. ^[8] Коммерчески доступное программное обеспечение, входящее в состав спектрорадиометрических систем, часто поставляется с полезными опорными функциями для дальнейших расчетов измерений, такими как функции согласования цветов CIE и V- образная кривая. ^[12]${\ displaystyle \ lambda}$

Приложения [ править ]

Спектрорадиометры используются во многих приложениях и могут быть изготовлены в соответствии с широким спектром технических требований. Примеры приложений включают:

• Солнечное ультрафиолетовое и ультрафиолетовое излучение
• Светодиодное измерение
• Измерение и калибровка дисплея
• КЛЛ тестирование
• Дистанционное обнаружение нефтяных пятен ^[13]

Исследования и разработки в области растений ^[14]

Сборки своими руками [ править ]

Можно построить базовый оптический спектрометр, используя решетку оптического диска и базовую веб-камеру, используя лампу CFL для калибровки длин волн. ^[15] Калибровка с использованием источника известного спектра может затем превратить спектрометр в спектрорадиометр, интерпретируя яркость пикселей фотографии. ^[16] На сборку «сделай сам» влияют некоторые дополнительные источники ошибок при преобразовании фото в стоимость: фотографический шум (требующий вычитания темных кадров ) и нелинейность при преобразовании ПЗС в фотографию (возможно, решаемая с помощью формата необработанного изображения. ). ^[17]

См. Также [ править ]

• Радиометр
• Спектрометр
• Спектрорадиометрия
• Спектрофотометрия

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Основные принципы измерения освещенности Статья из International Light Technologies об основных принципах