Спектрорадиметр: Жарық спектрін өлшеу құралы мен қолданыстары

Кіріспе

Спектрорадиометр – жарық көзінен шығатын сәуленің толқын ұзындығы мен амплитудасын өлшейтін жарық өлшеу құралы. Спектрометрлер жарықтың детектор массивіне түсетін орны бойынша толқын ұзындығын ажыратады, бұл толық спектрді бір өлшеммен алуға мүмкіндік береді. Көптеген спектрометрлердегі негізгі өлшем – калибрленбеген көрсеткіштер, ол детектордың әрбір толқын ұзындығына сезімталдығына байланысты болады. Калибрлеуді қолдану арқылы спектрометр спектрлік сәулелену, спектрлік жарқырау және/немесе спектрлік ағынды өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл деректер орнатылған немесе компьютерлік бағдарламалық қамтамасымен және көптеген алгоритмдермен бірге сәулелену (В/см²), жарықтандыру (люкс немесе фут-кандела), жарқырау (В/ср), люминесценция (кд), ағын (люмен немесе Ватт), хроматикалық координаталар, түс температурасы, ең жоғары және доминантты толқын ұзындығын анықтау үшін қолданылады. Кейбір күрделі спектрометрлік бағдарламалық қамтамасы PAR (μмоль/м²/с), метамеризм және қашықтыққа негізделген кандела есептеулерін жүргізуге мүмкіндік береді, сондай-ақ 2 және 20 градустық бақылаушы, базалық сызықты салыстыру, өткізу және шағылысу сияқты мүмкіндіктерді қамтиды. Спектрометрлер көптеген толқын ұзындығы диапазондарын қамтитын түрлі конструкциялар мен өлшемдерде қол жетімді. Спектрометрдің тиімді (спектрлік) толқын ұзындығы диапазоны тек дифракциялық тордың қабілетіне ғана емес, сонымен қатар детекторлардың сезімталдық диапазонына да байланысты. Кремнийлі детекторлар, жартылай өткізгіштің энергиялық аралығымен шектелгендіктен, 200-1100 нм диапазонында жауап береді, ал InGaAs негізіндегі детекторлар 900-1700 нм (немесе салқындатумен 2500 нм-ге дейін) диапазонында сезімтал. Зертханалық/ғылыми-зерттеу спектрометрлері әдетте ультракөкіден (UV) жақын инфрақызылға (NIR) дейінгі кең спектрлік диапазонды қамтиды және компьютерді қажет етеді. Сонымен қатар, салқындату жүйесін іске қосу үшін жоғары қуатты талап ететін инфрақызыл спектрометрлер де бар. Көптеген спектрометрлерді белгілі бір диапазонға, мысалы, ультракөкіден (UV) немесе көрінетін спектрге (VIS) қарай оңтайландыруға болады және оларды екінші жүйемен біріктіруге болады, бұл дәл өлшемдерді, жақсы ажыратымды қамтамасыз етеді және кең жолақты жүйелерде кездесетін шашыраңқы жарық және сезімталдықтың жетіспеуі сияқты жалпы қателерді жоюға көмектеседі. Портативті құрылғылар ультракөкіден (UV) жақын инфрақызылға (NIR) дейінгі көптеген спектрлік диапазон үшін қол жетімді және түрлі конструкциялар мен өлшемдерде ұсынылады. Интеграцияланған дисплейі бар қолмен ұсталатын жүйелерде әдетте оптикалық элементтер және алдын ала бағдарламаланған бағдарламалық қамтамасымен бірге компьютер болады. Мини-спектрометрлерді қолмен ұстап немесе зертханада пайдалануға болады, себебі олар ПК арқылы қуаттандырылады және басқарылады, сондай-ақ USB кабелі қажет. Кіріс оптикасы кіріктірілген немесе әдетте оптикалық талшық арқылы қосылады. Сонымен қатар, төртіншіден кіші микроспектрометрлер бар, оларды жүйеге біріктіруге немесе жеке пайдалануға болады.

A spectroradiometer is a light measurement tool that is able to measure both the wavelength and amplitude of the light emitted from a light source. Spectrometers discriminate the wavelength based on the position the light hits at the detector array allowing the full spectrum to be obtained with a single acquisition. Most spectrometers have a base measurement of counts which is the un calibrated reading and is thus impacted by the sensitivity of the detector to each wavelength. By applying a calibration, the spectrometer is then able to provide measurements of spectral irradiance, spectral radiance and/or spectral flux. This data is also then used with built in or PC software and numerous algorithms to provide readings or Irradiance (W/cm2), Illuminance (lux or fc), Radiance (W/sr), Luminance (cd), Flux (Lumens or Watts), Chromaticity, Color Temperature, Peak and Dominant Wavelength. Some more complex spectrometer software packages also allow calculation of PAR μmol/m2/s, Metamerism, and candela calculations based on distance and include features like 2 and 20 degree observer, baseline overlay comparisons, transmission and reflectance. Spectrometers are available in numerous packages and sizes covering many wavelength ranges. The effective wavelength (spectral) range of a spectrometer is determined not only by the grating dispersion ability but also depends on the detectors' sensitivity range. Limited by the semiconductor's band gap the silicon based detector responds to 200 1100 nm while the InGaAs based detector is sensitive to 900 1700 nm (or out to 2500 nm with cooling). Lab/Research spectrometers often cover a broad spectral range from UV to NIR and require a PC. There are also IR Spectrometers that require higher power to run a cooling system. Many Spectrometers can be optimized for a specific range i. e. UV, or VIS and combined with a second system to allow more precise measurements, better resolution, and eliminate some of the more common errors found in broadband system such as stray light and lack of sensitivity. Portable devices are also available for numerous spectral ranges covering UV to NIR and offer many different package styles and sizes. Hand held systems with integrated displays typically have built in optics, and an onboard computer with pre programmed software. Mini spectrometers are also able to be used hand held, or in the lab as they are powered and controlled by a PC and require a USB cable. Input optics may be incorporated or are commonly attached by a fiber optic light guide. There are also micro Spectrometers smaller than a quarter that can be integrated into a system, or used stand alone.

Өмірбаян

Спектрорадиометрия саласы тар толқын ұзындығы аралықтарында абсолютті радиометриялық шамаларды өлшеумен айналысады. Көптеген көздерде сызықтық құрылымдар болғандықтан, спектрді тар жолақты және толқын ұзындығы бойынша қадамдық үлгілеу пайдалы. Көбінесе спектрорадиометрияда спектрлік сәулеленуді өлшеу қажет. Іс жүзінде орташа спектрлік сәулелену өлшенеді, математикалық түрде былай шамамен бейнеленеді:

мұндағы – спектрлік сәулелену, – толқын ұзындығы аралығындағы (SI бірлігі: метр, м) көздің сәулелену ағыны (SI бірлігі: ватт, В), бет ауданына (SI бірлігі: шаршы метр, м2) түсетін. Спектрлік сәулеленудің СИ бірлігі – В/м3. Дегенмен, көбінесе аумақты сантиметрлермен, ал толқын ұзындығын нанометрлермен өлшеу ыңғайлы, сондықтан спектрлік сәулеленудің СИ бірліктерінің бөлшектері қолданылады, мысалы, мкВт/см2⋅нм. "Спектрлік" префиксі "спектрлік концентрация" фразасының қысқартылған түрі ретінде қарастырылады, ал CIE оны "берілген толқын ұзындығының екі жағындағы инфинитезимальды аралықта алынған радиометриялық шаманың қатынасы" деп анықтайды.

Спектрлік қуатты бөлу

Көздің спектрлік қуатты бөлуі (SPD) – бұл сенсорға белгілі бір толқын ұзындығы мен ауданы бойынша қанша ағын жететінін сипаттайды. Бұл радиометриялық шаманың өлшенуіне толқын ұзындығы бойынша үлесін тиімді түрде көрсетеді. Көздің SPD-і көбінесе SPD қисығы түрінде бейнеленеді. SPD қисықтары жарық көзінің түстік қасиеттерін визуализациялайды, көзден шығатын сәулелену ағынын әртүрлі толқын ұзындықтарында, көрінетін спектрде көрсетеді. Бұл сонымен қатар жарық көзінің түстерді қалпына келтіру қабілетін бағалауға мүмкіндік беретін өлшем, яғни белгілі бір түстік стимул берілген жарықтандыруда дұрыс көрсетілуі мүмкін бе.

Қате көздері

Берілген спектрлі-радиометриялық жүйенің сапасы оның электроникасының, оптикалық компоненттерінің, бағдарламалық жасақтамасының, қуат көзінің және калибрлеуінің нәтижесі болып табылады. Идеалдық зертханалық жағдайларда және жоғары білікті мамандармен өлшеулер жасағанда, өлшемдерде кішігірім (бірнеше ондықтан бірнеше пайызға дейін) қателіктерге қол жеткізу мүмкін. Дегенмен, көптеген практикалық жағдайларда, қателіктер 10 пайызға жуық болуы ықтимал.

Кездейсоқ қателер – орташа мәнге қатысты ауытқулар. Спектрлі-радиометриялық өлшемдерде бұл детектордан, ішкі электроникадан немесе жарық көзінен келетін шу ретінде қарастырылуы мүмкін. Осы типтегі қателерді ұзартылған интеграция уақытымен немесе бірнеше рет сканерлеу арқылы жеңуге болады. Жүйелі қателер – күтілетін «дұрыс» мәннен ауытқулар. Жүйелі қателер көбінесе осы өлшемдердің адам факторына, құрылғының өзіне немесе эксперименттің орнатуына байланысты туындайды. Калибрлеу қателіктері, шашыраған жарық және дұрыс емес параметрлер сияқты мәселелердің барлығы болуы мүмкін. Периодтық қателер қайталанатын периодтық немесе псевдопериодтық оқиғалардан туындайды. Температураның, ылғалдылықтың, ауа ағынының немесе айнымалы ток кедергісінің өзгеруі – барлығы периодтық қателік ретінде жіктелуі мүмкін.

Айнала жарық

Қаңқа жарық – дұрыс емес детектор элементіне жететін қажетсіз толқын ұзындығындағы сәулелену. Ол детектор массивінің пикселдері немесе элементтері үшін жобаланған спектрлік сигналға қатысы жоқ, қате электрондық санауларды тудырады. Бұл жарық шашырауынан және жетілмеген оптикалық элементтердің шағылысуынан, сондай-ақ жоғары ретті дифракция эффектілерінен туындауы мүмкін. Екінші ретті эффектіні детектор алдына реттілік сұрыптағыш сүзгілерді орнату арқылы жоюға немесе күрт азайтуға болады. Кремний детекторларының көрінетін және ЖЖС (NIR) диапазонына сезімталдығы, Көккөк сәуле (UV) диапазонына қарағанда шамамен бір рет жоғары. Бұл Көккөк сәуле спектрлік позициясындағы пиксельдердің өздерінің жобаланған спектрлік сигналына қарағанда көрінетін және ЖЖС диапазонындағы қаңқа жарыққа күштірек жауап беретінін білдіреді. Сондықтан, Көккөк сәуле диапазонындағы қаңқа жарықтың әсері, көрінетін және ЖЖС пиксельдеріне қарағанда әлдеқайда маңызды. Бұл жағдай толқын ұзындығы қысқарған сайын нашарлайды. Көккөк сәуле сигналының аз бөлігі бар кең жолақты жарықты өлшегенде, Көккөк сәуле диапазонында қаңқа жарықтың әсері кейде басым болуы мүмкін, себебі детектор пиксельдері көзден жеткілікті Көккөк сәуле сигналын алуға тырысады. Осы себепті QTH стандартты лампасын қолданып калибрлеуде 350 нм-ден төмен үлкен қателер (100% астам) болуы мүмкін, ал бұл аймақта дәл калибрлеу үшін дейтерий стандартты лампасы қажет. Шындығында, Көккөк сәуле диапазонындағы абсолютті жарық өлшеуі, дұрыс калибрлеу болған жағдайда да үлкен қателерге алып келуі мүмкін, себебі бұл пиксельдердегі электрондық санаулардың көп бөлігі қаңқа жарықтың нәтижесі болады (нақты Көккөк сәуле орнына ұзын толқынды сәуле түседі).

Калибрлеу қателері

Спектрометрлерді калибрлеуді ұсынатын көптеген компаниялар бар, бірақ олардың бәрі бірдей сапалы емес. Калибрлеуді жүргізу үшін із кесуге болатын, аккредиттелген зертхананы табу маңызды. Калибрлеу сертификатында қолданылған жарық көзі (мысалы, галоген, дейтерий, ксенон, светодиод) және әрбір спектрлік диапазондағы (UVC, UVB, VIS) калибрлеудің қателік мөлшері, әрбір толқын ұзындығында (нм) немесе өлшенген толық спектр үшін көрсетілуі керек. Сондай-ақ, калибрлеу қателігінің сенімділік деңгейі де көрсетілуі тиіс.

Дұрыс емес параметрлер

Камера сияқты, көптеген спектрометрлер пайдаланушыға экспозиция уақытын және алынатын үлгілер санын таңдауға мүмкіндік береді. Интеграция уақытын және сканерлеулер санын орнату маңызды қадам. Интеграция уақыты тым ұзақ болса, қанығу тудырады. (Камерадағы суретте бұл үлкен ақ дақ ретінде көрінуі мүмкін, ал спектрометрде – төмендеу немесе кесілген шың ретінде.) Интеграция уақыты тым қысқа болса, шулы нәтижелерге әкелуі мүмкін (Камерадағы суретте бұл қараңғы немесе бұлыңғыр аймақ болады, ал спектрометрде – тікенді немесе тұрақсыз көрсеткіштер пайда болуы мүмкін). Экспозиция уақыты – өлшеу кезінде сенсорға жарық түскен уақыт. Бұл параметрді реттеу, камерадағы экспозиция уақытын өзгерту сияқты, құралдың жалпы сезімталдығын өзгертеді. Интеграцияның ең аз уақыты құралға қарай өзгереді, ең кемі 0,5 мс, ал ең көбі шамамен 10 минутты құрайды. Жарық интенсивтілігіне байланысты 3-тен 999 мс аралығындағы параметрлер практикалық болып табылады. Интеграция уақыты сигналдың максималды сандардан аспауы үшін реттелуі керек (16 биттік CCD үшін 65 536, 14 биттік CCD үшін 16 384). Қанығу интеграция уақыты тым жоғары болғанда пайда болады. Әдетте, максимумның шамамен 85% болатын шың сигналы жақсы мақсат болып табылады және жақсы сигнал/шу қатынасын (S/N) қамтамасыз етеді (мысалы, 60 мың немесе 16 мың санау). Сканерлеулер саны қанша өлшемнің орташаланғанын көрсетеді. Басқа жағдайлар бірдей болғанда, жиналған спектрлердің сигнал/шу қатынасы (SNR) орташаланған сканерлеулердің N санының квадрат түбіріне пропорционалды жақсарады. Мысалы, егер 16 спектрлік сканерлеу орташаланса, SNR бір сканерлеуге қарағанда 4 есе жақсарады. S/N қатынасы спектрометрдің толық шкаласына жететін кіретін жарық деңгейінде өлшенеді. Бұл сигнал сандарының (әдетте толық шкалада) Cs және осы жарық деңгейіндегі RMS (квадраттық орташа) шуының арақатынасы. Бұл шуға қараңғы шу Nd, кіріс жарығынан туындаған санақтарға байланысты шу Ns және оқу шуы кіреді. Бұл жарық өлшеу үшін спектрометрден алуға болатын ең жақсы S/N қатынасы.

Like a camera, most spectrometers allow the user to select the exposure time and quantity of samples to be collected. Setting the integration time and the number of scans is an important step. Too long of an integration time can cause saturation. (In a camera photo this could appear as a large white spot, where as in a spectrometer it can appear as a dip, or cut off peak) Too short an integration time can generate noisy results (In a camera photo this would be a dark or blurry area, where as in a spectrometer this may appear are spiky or unstable readings). The exposure time is the time the light falls on the sensor during a measurement. Adjusting this parameter changes the overall sensitivity of the instrument, as changing the exposure time does for a camera. The minimum integration time varies by instrument with a minimum of .5 msec and a maximum of about 10 minutes per scan. A practical setting is in the range of 3 to 999 ms depending on the light intensity. The integration time should be adjusted for a signal which does not exceed the maximum counts (16 bit CCD has 65,536, 14 bit CCD has 16,384). Saturation occurs when the integration time is set too high. Typically, a peak signal of about 85% of the maximum is a good target and yields a good S/N ratio. (ex: 60K counts or 16K counts respectively)

The number of scans indicates how many measurements will be averaged. Other things being equal, the Signal to Noise Ratio (SNR) of the collected spectra improves by the square root of the number N of scans averaged. For example, if 16 spectral scans are averaged, the SNR is improved by a factor of 4 over that of a single scan. S/N ratio is measured at the input light level which reaches the full scale of the spectrometer. It is the ratio of signal counts Cs (usually at full scale) to RMS (root mean square) noise at this light level. This noise includes the dark noise Nd, the shot noise Ns related to the counts generated by the input light and read out noise. This is the best S/N ratio one can get from the spectrometer for light measurements.

Кіріс оптикалық құрылғылары

Спектрорадиометрдің алдыңғы оптикалық бөлігіне линзалар, диффузерлер және сүзгілер кіреді, олар жүйеге алғаш кірген кезде жарықты өзгертеді. Radiance үшін тар көрініс бұрышы бар оптика қажет. Жалпы ағын үшін интеграциялық сфера қажет. Сәулеленуді өлшеу үшін косинус түзетуі бар оптика қажет. Бұл элементтер үшін қолданылатын материал өлшеуге болатын жарықтың түрін анықтайды. Мысалы, Көккөк сәуле өлшеулерді жүргізу үшін шыны линзалардың орнына кварц линзалар, оптикалық талшықтар, тефлоннан жасалған диффузерлер және барий сульфатымен қапталған интеграциялық сфералар жиі қолданылады, бұл Көккөк сәуле өлшеудің дәлдігін қамтамасыз етеді. Монохроматор бұл мақсатқа кіру және шығу саңылаулары, коллимациялық және фокустау оптикасы және дифракциялық тор немесе призма сияқты толқын ұзындығын бөлу элементтерін пайдалану арқылы қол жеткізеді. Белгілі бір детектордың спектрлік жауабы оның негізгі материалдарымен анықталады. Мысалы, фотокөбейткіштердегі фотокатодтар кейбір элементтерден жасалып, Көккөк сәулеге сезімтал және көрінетін немесе инфрақызыл сәулеге жауап бермейтіндей етілуі мүмкін. CCD (Charge Coupled Device) массивтері әдетте бір өлшемді (сызықтық) немесе екі өлшемді (аумақтық) мыңдаған немесе миллиондаған жеке детектор элементтерінен (пиксельдер деп те аталады) және CMOS сенсорларынан тұрады. Оларға кремний немесе InGaAs негізіндегі көп арналы массивтік детектор кіреді, ол Көккөк, көрінетін және жақын инфрақызыл сәулелерді өлшеуге қабілетті. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) сенсорлары CCD-ден әр фотодиодқа күшейткіш қосу арқылы ерекшеленеді. Бұл белсенді пиксельдік сенсор деп аталады, өйткені күшейткіш пикселдің бір бөлігі болып табылады. Транзисторлық коммутаторлар әрбір фотодиодты оқу кезінде пикселдік күшейткішке қосады.

Бақылау және тіркеу жүйесі

Журналды жазу жүйесі көбінесе қарапайым жеке компьютер болып табылады. Алғашқы сигнал өңдеу кезінде сигналды күшейту және басқару жүйесімен қолдану үшін түрлендіру қажет болуы мүмкін. Монохроматор, детектор шығысы және компьютер арасындағы байланыс сызықтары қажетті көрсеткіштер мен мүмкіндіктерді пайдалануға мүмкіндік беру үшін оңтайландырылуы тиіс.

Өз қолыңмен жасау

Толқын ұзындықтарын калибрлеу үшін шамды пайдалана отырып, оптикалық дискідегі дифракциялық тор және қарапайым веб-камераны қолдана отырып, қарапайым оптикалық спектрометрді құрастыру мүмкін. Белгілі спектрі бар көзді пайдаланып калибрлеу, фотопикселдердің шағылысуын бағалау арқылы спектрометрді спектррадиометрге айналдыруға мүмкіндік береді. Өзің жасау құрастыру кезінде фотодағы қосымша қателерге ұшырау мүмкін: фотолық шу (қара кадрды алып тастау қажет) және CCD-ден фотоға айналдыру кезіндегі сызықтық емес сипат (мүмкін, шикі сурет форматы арқылы шешіледі).