Введение
Спектрорадиометр – это прибор для измерения света, способный измерять как длину волны, так и амплитуду света, излучаемого источником. Спектрометры различают длину волны по положению, в которое попадает свет на детекторный массив, что позволяет получить полный спектр за одно измерение. Большинство спектрометров имеют базовое измерение в виде количества отсчетов, которое является некалиброванным показанием и, следовательно, подвержено влиянию чувствительности детектора к каждой длине волны. Применяя калибровку, спектрометр может предоставлять измерения спектральной плотности энергии, спектральной яркости и/или спектрального потока. Эти данные также используются со встроенным или компьютерным программным обеспечением и множеством алгоритмов для получения показаний: облученности (Вт/см²), освещенности (люкс или фут-канделы), яркости (Вт/ср), светового потока (кд), потока (люмен или ватт), хроматичности, цветовой температуры, пиковой и доминирующей длины волны. Некоторые более сложные программные пакеты для спектрометров также позволяют рассчитывать ФАР (мкмоль/м²/с), метамеризм и значения в канделах на основе расстояния, а также включают такие функции, как наблюдатели 2 и 20 градусов, сравнение базовых линий, коэффициент пропускания и коэффициент отражения. Спектрометры доступны в различных исполнениях и размерах, охватывающих множество диапазонов длин волн. Эффективный спектральный диапазон спектрометра определяется не только дисперсионной способностью решетки, но и диапазоном чувствительности детекторов. Ограниченный шириной запрещенной зоны полупроводника, кремниевый детектор реагирует на диапазон 200–1100 нм, а детектор на основе InGaAs – на 900–1700 нм (или до 2500 нм при охлаждении). Лабораторные/исследовательские спектрометры часто охватывают широкий спектр от УФ до ближнего ИК и требуют подключения к компьютеру. Существуют также ИК-спектрометры, для работы которых требуется большая мощность для системы охлаждения. Многие спектрометры могут быть оптимизированы для определенного диапазона, например, УФ или видимого спектра, и объединены со второй системой для обеспечения более точных измерений, лучшего разрешения и устранения некоторых распространенных ошибок, встречающихся в широкополосных системах, таких как паразитный свет и недостаточная чувствительность. Также доступны портативные устройства для различных спектральных диапазонов, охватывающих УФ-ближний ИК, и предлагаются в различных стилях и размерах. Ручные системы со встроенными дисплеями обычно имеют встроенную оптику и бортовой компьютер с предустановленным программным обеспечением. Мини-спектрометры также могут использоваться как в ручном режиме, так и в лаборатории, поскольку они питаются и управляются с помощью компьютера и требуют USB-кабеля. Входная оптика может быть интегрирована или обычно присоединяется с помощью световода из оптического волокна. Существуют также микроспектрометры размером меньше монеты, которые можно интегрировать в систему или использовать автономно.
Предыстория
Область спектрорадиометрии занимается измерением абсолютных радиометрических величин в узких интервалах длин волн. Целесообразно дискретизировать спектр с узкой полосой пропускания и шагом по длине волны, поскольку многие источники имеют линейчатую структуру. Чаще всего в спектрорадиометрии требуется измерение спектральной облучённости. На практике измеряется средняя спектральная облучённость, что математически выражается следующим приближением:
где – спектральная облучённость, – излучаемый поток источника (единица СИ: ватт, Вт) в интервале длины волны (единица СИ: метр, м), падающий на площадь (единица СИ: квадратный метр, м²). Единица СИ для спектральной облучённости – Вт/м³. Однако часто удобнее измерять площадь в сантиметрах, а длину волны – в нанометрах, поэтому используются дольные единицы спектральной облучённости в СИ, например, мкВт/см²⋅нм.
Следует отметить, что приставка "спектральный" следует понимать как сокращение фразы "спектральная концентрация", которая, согласно определению CIE, представляет собой "отношение радиометрической величины, измеренной в бесконечно малом диапазоне по обе стороны от заданной длины волны, к этому диапазону".
Распределение спектральной мощности
Спектральное распределение мощности (SPD) источника описывает количество потока, достигающего датчика на определенной длине волны и площади. Это фактически выражает вклад на единицу длины волны в измеряемую радиометрическую величину. SPD источника обычно представляется в виде кривой SPD. Кривые SPD обеспечивают визуальное представление цветовых характеристик источника света, показывая излучаемый им лучистый поток на различных длинах волн в видимом спектре. Это также метрика, позволяющая оценить способность источника света воспроизводить цвета, то есть, насколько корректно определенный цветовой стимул будет отображен при заданном освещении.
Источники ошибок
Качество конкретной спектрорадиометрической системы определяется ее электроникой, оптическими компонентами, программным обеспечением, источником питания и калибровкой. В идеальных лабораторных условиях и при работе с высококвалифицированными специалистами можно добиться небольших (от нескольких десятых до нескольких процентов) погрешностей в измерениях. Однако во многих практических ситуациях существует вероятность ошибок порядка 10 процентов.
Случайные ошибки – это отклонения от среднего значения. В случае спектрорадиометрических измерений это можно рассматривать как шум от детектора, внутренней электроники или самого источника света. С этими ошибками можно бороться, увеличивая время интегрирования или выполняя несколько сканирований. Систематические ошибки – это смещения от предполагаемого "истинного" значения. Обычно они возникают из-за человеческого фактора, самого прибора или настройки эксперимента. К потенциальным проблемам относятся ошибки калибровки, рассеянный свет и неправильные настройки. Периодические ошибки возникают из-за повторяющихся периодических или псевдопериодических событий. Изменения температуры, влажности, движения воздуха или помехи от переменного тока могут быть отнесены к периодическим ошибкам.
Потерянный свет
Потерянный свет – это нежелательное излучение, достигающее не того элемента детектора. Он генерирует ложные электронные счета, не связанные с заданным спектральным сигналом для пикселя или элемента детектора. Это может быть вызвано рассеянием и отражением света от несовершенных оптических элементов, а также эффектами дифракции высших порядков. Эффект второго порядка можно устранить или, по крайней мере, значительно уменьшить, установив фильтры для сортировки порядков дифракции перед детектором. Чувствительность Si-детекторов к видимому и ближнему ИК-диапазону почти на порядок выше, чем в УФ-диапазоне. Это означает, что пиксели в УФ-части спектра реагируют на потерянный свет в видимом и ближнем ИК-диапазоне гораздо сильнее, чем на собственный спектральный сигнал. Следовательно, влияние потерянного света в УФ-области значительно сильнее, чем для пикселей в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Эта ситуация усугубляется с уменьшением длины волны. При измерении широкополосного света с небольшой долей УФ-сигнала влияние потерянного света может иногда быть доминирующим в УФ-диапазоне, поскольку пиксели детектора и так испытывают трудности с получением достаточного количества УФ-сигнала от источника. По этой причине калибровка с использованием стандартной лампы QTH может давать огромные ошибки (более 100%) при длинах волн менее 350 нм, и для более точной калибровки в этом диапазоне требуется стандартная лампа из дейтерия. Фактически, абсолютные измерения света в УФ-области могут иметь большие ошибки даже при правильной калибровке, если большинство электронных счетов в этих пикселях обусловлено потерянным светом (излучением большей длины волны, а не фактическим УФ-излучением).
Ошибки калибровки
Существует множество компаний, предлагающих калибровку спектрометров, но далеко не все они одинаково хороши. Важно найти прослеживаемую, аккредитованную лабораторию для проведения калибровки. В сертификате о калибровке должны быть указаны использованный источник света (например, галоген, дейтерий, ксенон, светодиод) и погрешность калибровки для каждого диапазона (UVC, UVB, VIS), для каждой длины волны в нанометрах или для всего измеренного спектра. Также в сертификате должен быть указан уровень достоверности для указанной погрешности калибровки.
Неправильные настройки
Как и камера, большинство спектрометров позволяют пользователю выбирать время экспозиции и количество собираемых образцов. Установка времени интеграции и числа сканирований – важный этап. Слишком большое время интеграции может привести к насыщению. (На фотографии это может выглядеть как большое белое пятно, а на спектрометре – как провал или усеченный пик). Слишком короткое время интеграции может давать зашумленные результаты (на фотографии это будет темная или размытая область, а на спектрометре – пиковые или нестабильные показания). Время экспозиции – это время, в течение которого свет воздействует на сенсор во время измерения. Регулировка этого параметра изменяет общую чувствительность прибора, как и изменение времени экспозиции у камеры. Минимальное время интеграции варьируется в зависимости от прибора, составляя минимум 0,5 мс и максимум около 10 минут на одно сканирование. Практичный диапазон – от 3 до 999 мс, в зависимости от интенсивности света. Время интеграции следует настраивать так, чтобы сигнал не превышал максимальное число отсчетов (16-битный ПЗС имеет 65 536, 14-битный ПЗС – 16 384). Насыщение происходит, когда время интеграции установлено слишком высоким. Обычно, пиковый сигнал около 85% от максимального значения является хорошей целью и обеспечивает хорошее отношение сигнал/шум (S/N). (например, 60 000 или 16 000 отсчетов соответственно).
Число сканирований указывает, сколько измерений будет усреднено. При прочих равных, отношение сигнал/шум (S/N) собранных спектров улучшается пропорционально квадратному корню из числа N усредненных сканирований. Например, если усреднить 16 спектральных сканов, отношение S/N улучшится в 4 раза по сравнению с одним сканированием. Отношение S/N измеряется при уровне входного света, достигающего полной шкалы спектрометра. Это отношение числа сигнальных отсчетов Cs (обычно при полной шкале) к среднеквадратичному (RMS) шуму на этом уровне освещенности. Этот шум включает темновой шум Nd, шум счета Ns, связанный с отсчетами, генерируемыми входным светом, и шум считывания. Это наилучшее отношение S/N, которое можно получить от спектрометра при измерениях света.
Входные оптические приборы
Передняя часть оптики спектрорадиометра включает линзы, диффузоры и фильтры, которые модифицируют свет при его поступлении в систему. Для Radiance требуется оптика с узким углом обзора. Для измерения общего потока необходима интегрирующая сфера. Для измерения облученности требуется оптика с косинусной коррекцией. Материал, используемый для этих элементов, определяет, какой тип света может быть измерен. Например, для проведения УФ-измерений часто используются кварцевые, а не стеклянные линзы, оптические волокна, тефлоновые диффузоры и интегрирующие сферы с покрытием из сульфата бария для обеспечения точных УФ-измерений. Типичный монохроматор достигает этого за счет использования входных и выходных щелей, коллимирующей и фокусирующей оптики, а также элемента, рассеивающего длину волны, такого как дифракционная решетка или призма. Спектральная характеристика детектора определяется материалами его основы. Например, фотокатоды в фотоумножителях могут быть изготовлены из определенных элементов, чтобы быть "слепыми" к солнечному свету – чувствительными к УФ-излучению и не реагирующими на свет в видимом или ИК-диапазоне. CCD (Charge Coupled Device) – это обычно одномерные (линейные) или двумерные (плоскостные) массивы из тысяч или миллионов отдельных детекторных элементов (также известных как пиксели), а также CMOS-сенсоры. Они включают в себя многоканальный массивный детектор на основе кремния или InGaAs, способный измерять УФ, видимый и ближний инфракрасный свет. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) сенсоры отличаются от CCD тем, что к каждому фотодиоду добавляется усилитель. Это называется активным пиксельным сенсором, поскольку усилитель является частью пикселя. Транзисторные переключатели соединяют каждый фотодиод с внутрипиксельным усилителем во время считывания данных.
Система контроля и ведения журналов
Система регистрации данных часто представляет собой просто персональный компьютер. На начальном этапе обработки сигнала зачастую требуется его усиление и преобразование для использования с системой управления. Каналы связи между монохроматором, выходным сигналом детектора и компьютером следует оптимизировать для обеспечения использования необходимых параметров и характеристик.
Строй сам
Можно построить базовый оптический спектрометр, используя дифракционную решетку оптического диска и простую веб-камеру, а в качестве источника для калибровки длин волн можно использовать компактную люминесцентную лампу (CFL). Калибровка по источнику с известным спектром позволяет преобразовать спектрометр в спектрорадиометр, интерпретируя яркость фотопикселей. Самодельная конструкция подвержена дополнительным источникам погрешностей при преобразовании изображения в значение: фотографический шум (который устраняется вычитанием темного кадра) и нелинейность преобразования сигнала с CCD-матрицы (которую можно решить, используя формат RAW).