Спектрорадиометр - Spectroradiometer

А спектрорадиометр это измерение света инструмент, который может измерять как длину волны, так и амплитуду света, излучаемого источником 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. Применяя калибровка, тогда спектрометр может производить измерения спектральных сияние, 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 (люмены или ватты). ), Цветность, цветовая температура, пиковая и доминирующая длина волны. Некоторые более сложные пакеты программного обеспечения для спектрометров также позволяют рассчитывать PAR мкмоль / м² / с, метамерию и расчеты канделы на основе расстояния и включают такие функции, как 2- и 20-градусный наблюдатель, сравнение базовых линий, пропускание и отражение.

Спектрометры доступны во множестве корпусов и размеров, охватывающих многие диапазоны длин волн. Эффективный длина волны (спектральный) диапазон спектрометра определяется не только дисперсионной способностью решетки, но и зависит от диапазона чувствительности детекторов. Ограниченный шириной запрещенной зоны полупроводника, кремниевый детектор реагирует на 200-1100 нм, а 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 ближнего инфракрасного диапазона 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 ИК 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 в оптоволоконный световод или обычно прикрепляется к нему. Существуют также микро-спектрометры размером меньше четверти, которые можно интегрировать в систему или использовать отдельно.

Фон

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

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

Где ${ displaystyle E}$ - спектральная освещенность, ${ displaystyle Phi}$ - лучистый поток источника (SI единица измерения: ватт, Вт) в интервале длин волн ${ displaystyle Delta lambda}$ (Единица СИ: метр, м), падающих на поверхность, ${ displaystyle A}$ (Единица СИ: квадратный метр, м²). Единица СИ для спектральной освещенности - Вт / м.³. Однако часто бывает полезнее измерять площадь с точки зрения сантиметры и длина волны в нанометры, таким образом, будут использоваться части, кратные единицам СИ для спектральной энергетической освещенности, например мкВт / см²* нм^[3]

Спектральная освещенность в целом будет варьироваться от точки к точке на поверхности. 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 ассортименту ».^[4]

Спектральное распределение мощности

Спектральное распределение мощности (SPD) источника описывает, сколько потока 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 отображать цвета, то есть может ли определенный цветовой стимул правильно отображаться при заданном осветительный прибор.

Характерные спектральные распределения мощности (SPD) для лампа накаливания (слева) и флюоресцентная лампа (верно). Горизонтальные оси находятся в нанометры а вертикальные оси показывают относительную интенсивность в произвольных единицах.

Источники ошибки

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 возникают ошибки нескольких типов. Три основных типа ошибок, которые отмечаются как ограничивающие факторы точности измерения, - это случайные, систематические и периодические ошибки. ^[6]

Случайные ошибки вариации на этот счет. 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 являются смещениями 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, посторонний свет и неправильные настройки, являются потенциальными проблемами.

Периодические ошибки возникают в результате 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, чтобы создать большую ошибку 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

Рассеянный свет: Рассеянный свет - это излучение с нежелательной длиной волны, достигающее неправильного элемента детектора. Он генерирует ошибочные электронные подсчеты, не связанные с расчетным 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 фильтры сортировки по порядку перед детектором.

Чувствительность Si-детекторов к видимому и ближнему ИК-диапазону 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 паразитного света в УФ-области намного более значимо по сравнению с пикселями видимого и ближнего ИК-диапазона. Эта ситуация ухудшается, чем короче длина волны.

При измерении широкополосного света с небольшой долей УФ-сигналов влияние паразитного света иногда может быть доминирующим в УФ-диапазоне, поскольку пиксели детектора уже изо всех сил пытаются получить достаточно УФ-сигналов от источника. По этой причине калибровка с использованием стандартной 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 большинство электронных отсчетов в этих пикселях является результатом рассеянного света (лучи с большей длиной волны вместо действительного УФ-света).

Ошибки калибровки: Существует множество компаний, предлагающих калибровку спектрометров, но не все они равны. Для проведения калибровки важно найти сертифицированную лабораторию с отслеживаемой производительностью. 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: Как и фотоаппарат, большинство спектрометров позволяют пользователю выбирать время экспозиции и количество собираемых образцов. Установка времени интеграции и количества сканирований - важный шаг. Слишком долгое время интегрирования может вызвать насыщение. (На фотографии с 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, не превышающего 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: 60К или 16К 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 входного 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 устроено

Существенными компонентами спектрорадиометрической системы являются:

Входная оптика, собирающая электромагнитное излучение от источника (диффузоры, линзы, волоконно-оптические 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

Передняя оптика спектрорадиометра включает в себя 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 освещенности необходима оптика с косинусоидальной коррекцией. 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

Схема монохроматора Черни-Тернера.

Для выполнения спектрального анализа источника потребуется монохроматический свет на каждой длине волны для создания спектрального отклика источника света. Монохроматор используется для выборки длин волн от источника и, по сути, для 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 изготавливаются 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] В зависимости от применения могут использоваться одиночные или двойные монохроматоры, при этом двойные монохроматоры, как правило, обеспечивают большую точность из-за дополнительной дисперсии и перегородок между решетками.^[8]

Детекторы

Фотоумножитель

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, фотоумножитель трубки), полупроводниковые устройства (например, кремний) или тепловые детекторы (например, термобатареи).^[10]

Спектральный отклик данного детектора определяется материалами его сердцевины. Например, фотокатоды в фотоэлектронных умножителях могут быть изготовлены из определенных элементов, которые не пропускают солнечные лучи - чувствительны к ультрафиолетовому излучению и нечувствительны к свету в видимом или инфракрасном диапазоне.^[11]

CCD (устройство с зарядовой связью) массивы, как правило, одномерные (линейные) или двухмерные (площадные) массивы 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.

CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) Датчики 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 ведения журнала

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 дальнейшего расчета измерений, такими как функции согласования цветов CIE и V ${ displaystyle lambda}$ изгиб.^[12]

Приложения

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

Солнечное УФ- и УФB-излучение
ВЕЛ измерение
Измерение и калибровка дисплея
CFL тестирование
Удаленное обнаружение нефтяных пятен^[13]

Исследования и разработки растений ^[14]

Смотрите также

внешняя ссылка

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

[1] Лесли Д. Штробель и Ричард Д. Закиа (1993). Фокальная энциклопедия фотографии (3-е изд. Изд.). Focal Press. п. 115. ISBN 0-240-51417-3

[2] Бернс, Рой С. "Прецизионность и точность измерений". Принципы цветовой технологии Биллмейера и Зальцмана. 3-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 2000. 97–100. Распечатать

[Kostkowski-3] а ^б ^c ^d Костковский, Генри Дж. Надежная спектрорадиометрия. Ла Плата, Мэриленд: Консультации по спектрорадиометрии, 1997. Печать.

[4] Сандерс, Чарльз Л. и Р. Роттер. Спектрорадиометрические измерения источников света. Париж, Франция: Bureau Central De La CIE, 1984. Печать.

[5] GE Lighting. «Узнайте о свете: кривые спектрального распределения мощности: продукты GE для коммерческого освещения». Узнайте о свете: кривые спектрального распределения мощности: коммерческие осветительные приборы GE. N.p., n.d. Интернет. 10 декабря 2013 г. <«Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2013-12-14. Получено 2013-12-11.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)>

[Schnedier-6] а ^б ^c Шнедьер, Уильям Э. и Ричард Янг, доктор философии. Спектрорадиометрические методы. Примечание по применению (A14). N.p., 1998. Web. <http://biology.duke.edu/johnsenlab/pdfs/tech/spectmethods.pdf >

[7] Gamma Scientific. «Семь факторов, влияющих на точность и производительность спектрорадиометра». Gamma Scientific. N.p., n.d. Интернет. <http://www.gamma-sci.com/spectroradiometer-accuracy-performance/ >.

[Bentham-8] а ^б ^c ^d Bentham Instruments Ltd. Руководство по спектрорадиометрии: инструменты и приложения для ультрафиолета. Гид. N.p., 1997. Web. <http://www.bentham.co.uk/pdf/UVGuide.pdf >

[AAS-9] а ^б Американское астрономическое общество. «Примечания к исследованию: монохроматор AAS». Примечания к исследованию: Монохроматор AAS. N.p., n.d. Интернет. 2013. <«Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2013-12-11. Получено 2013-12-11.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)>.

[10] Готово, Джек. «Оптические детекторы и зрение человека». Основы фотоники (н.о.): н. стр. ШПИОН. Интернет. <http://spie.org/Documents/Publications/00%20STEP%20Module%2006.pdf >.

[11] Дж. У. Кэмпбелл, «Развивающие солнечные слепые фотоумножители, подходящие для использования в области 1450–2800 Å», Appl. Опт. 10, 1232–1240 (1971) http://www.opticsinfobase.org/ao/abstract.cfm?URI=ao-10-6-1232

[12] Инструменты Apogee. Спектрорадиометр ПС-100 (350 - 1000 Нм), ПС-200 (300 - 800 Нм), ПС-300 (300 - 1000 Нм). Н.п .: Apogee Instruments, n.d. Руководство по спектрорадиометру Apogee Instruments. Интернет. <http://www.apogeeinstruments.com/content/PS-100_200_300manual.pdf >.

[13] Маттсон, Джеймс С., Гарри Б. Марк-младший, Арнольд Простак и Кларенс Э. Шутт. Возможности использования инфракрасного спектрорадиометра для дистанционного обнаружения и идентификации нефтяных пятен на воде. Tech. 5-е изд. Vol. 5. Н.п .: н.п., 1971. Print. Получено из <http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/es60052a004 >

[14] МакФарланд М. и Кей Дж. (1992) Хлорфторуглероды и озон. Photochem. Photobiol. 55 (6) 911-929.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]