Спектрорадиометр — это инструмент для измерения света , который способен 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 одно сканирование. Большинство спектрометров имеют базовое измерение отсчетов, которое представляет собой некалиброванное показание, и, таким образом, на него влияет чувствительность детектора к каждой длине волны. Применяя калибровку , спектрометр затем может обеспечить измерения спектральной освещенности , спектральной яркости и/или спектрального потока. Эти данные также затем используются с помощью встроенного программного обеспечения или программного обеспечения для ПК и многочисленных алгоритмов для получения показаний освещенности (Вт/см2), освещенности (люкс или ФК), 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 наблюдение под углом 2 и 20 градусов, сравнение наложенных базовых линий, пропускание и отражение.
Спектрометры доступны в различных корпусах и размерах, охватывающих многие диапазоны длин волн. Эффективный диапазон длин волн (спектральный) спектрометра определяется не только дисперсионной способностью решетки, но и зависит от диапазона чувствительности детекторов. Ограниченный шириной запрещенной зоны полупроводника, кремниевый детектор реагирует на длину волны 200–1100 нм, тогда как детектор на основе InGaAs чувствителен к длине волны 900–1700 нм (или до 2500 нм при охлаждении).
Лабораторные/исследовательские спектрометры часто охватывают широкий спектральный диапазон от УФ до ближнего ИК-диапазона и требуют ПК. Существуют также ИК-спектрометры, которым для работы системы охлаждения требуется более высокая мощность. 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, встречающихся в широкополосных системах, таких как рассеянный свет и недостаточная чувствительность.
Портативные устройства также доступны для многочисленных спектральных диапазонов, от УФ до ближнего ИК-диапазона, и предлагаются в различных упаковках различных стилей и размеров. Портативные системы со встроенными дисплеями обычно имеют встроенную оптику и бортовой компьютер с предварительно запрограммированным программным обеспечением. Мини-спектрометры также можно использовать с рук или в лаборатории, поскольку они питаются и управляются с помощью ПК и требуют USB-кабеля. Входная оптика может быть встроена или обычно подсоединена с помощью оптоволоконного световода. Существуют также микроспектрометры размером менее четверти, которые можно интегрировать в систему или использовать отдельно.
Область спектрорадиометрии занимается измерением абсолютных радиометрических величин в узких интервалах длин волн. [1] Полезно производить выборку спектра с узкой полосой пропускания и шагом длины волны, поскольку многие источники имеют линейчатую структуру. [2] Чаще всего в спектрорадиометрии желаемым измерением является спектральная освещенность. На практике измеряется средняя спектральная освещенность, математически выраженная в виде приближения:
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 ) . Единицей измерения спектральной освещенности в системе СИ является Вт/м 3 . Однако зачастую более полезно измерять площадь в сантиметрах , а длину волны в нанометрах , поэтому будут использоваться дробные единицы спектральной освещенности СИ, например, мкВт/см 2 *нм [3]
Спектральная освещенность будет варьироваться от точки к точке на поверхности в целом. На практике важно отметить, как поток излучения меняется в зависимости от направления, размера телесного угла, образуемого источником в каждой точке поверхности, и ориентации поверхности. Учитывая эти соображения, зачастую более разумно использовать более строгую форму уравнения для учета этих зависимостей [3]
Обратите внимание, что приставку «спектральный» следует понимать как аббревиатуру фразы «спектральная концентрация», которая понимается и определяется CIE как «частное радиометрической величины, взятой в бесконечно малом диапазоне по обе стороны от заданной длины волны». , по дальности». [4]
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. СПД источника обычно отображается в виде кривой СПД. Кривые SPD обеспечивают визуальное представление цветовых характеристик источника света, показывая лучистый поток, излучаемый источником на различных длинах волн во всем видимом спектре [5]. Это также показатель, с помощью которого мы можем оценить способность источника света отображать цвета. , то есть может ли определенный цветовой стимул быть правильно воспроизведен при данном источнике освещения .
Качество данной спектрорадиометрической системы зависит от ее электроники, оптических компонентов, программного обеспечения, источника питания и калибровки. В идеальных лабораторных условиях и при наличии высококвалифицированных специалистов можно добиться небольших (от нескольких десятых до нескольких процентов) ошибок измерений. Однако во многих практических ситуациях вероятность ошибок составляет порядка 10 процентов [3]. При проведении физических измерений возникают несколько типов ошибок. Тремя основными типами ошибок, которые считаются ограничивающими факторами точности измерений, являются случайные, систематические и периодические ошибки [6].
В дополнение к этим общим источникам ошибок, некоторые из более конкретных причин ошибок в спектрорадиометрии включают:
Gamma-scientific, калифорнийский производитель устройств для измерения света, перечисляет семь факторов, влияющих на точность и производительность их спектрорадиометров: калибровка системы, программное обеспечение и источник питания, оптика или сам измерительный механизм. [7]
Рассеянный свет — это нежелательное излучение длины волны, достигающее неправильного детекторного элемента. Он генерирует ошибочные электронные отсчеты, не связанные с расчетным спектральным сигналом для пикселя или элемента детекторной матрицы. Причиной этого могут быть рассеяние света и отражение несовершенных оптических элементов, а также эффекты дифракции более высокого порядка. Эффект второго порядка можно устранить или, по крайней мере, значительно уменьшить, установив перед детектором фильтры сортировки порядков.
Чувствительность кремниевых детекторов в видимом и ближнем ИК-диапазоне почти на порядок выше, чем в УФ-диапазоне. Это означает, что пиксели в УФ-спектральной позиции гораздо сильнее реагируют на рассеянный свет в видимом и ближнем ИК-диапазоне, чем на собственный спектральный сигнал. Следовательно, влияние рассеянного света в УФ-области гораздо более существенно по сравнению с видимыми и ближними пикселями. Эта ситуация становится тем хуже, чем короче длина волны.
При измерении широкополосного света с небольшой долей УФ-сигналов воздействие рассеянного света иногда может преобладать в УФ-диапазоне, поскольку пиксели детектора уже с трудом получают достаточное количество 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 дейтериевая стандартная лампа. Фактически, измерение абсолютной освещенности в УФ-диапазоне может иметь большие ошибки даже при правильной калибровке, когда большая часть электронных отсчетов в этих пикселях является результатом рассеянного света (более длинные волны падают вместо реального УФ-излучения).
Существует множество компаний, предлагающих калибровку спектрометров, но не все они одинаковы. Важно найти отслеживаемую сертифицированную лабораторию для выполнения калибровки. В сертификате калибровки должен быть указан используемый источник света (например, галоген, дейтерий, ксенон, светодиод) и неопределенность калибровки для каждого диапазона (UVC, UVB, VIS...), каждой длины волны в нм или для всего спектра. измерено. Также должен быть указан уровень достоверности неопределенности калибровки.
Как и камера, большинство спектрометров позволяют пользователю выбирать время экспозиции и количество образцов, которые необходимо собрать. Установка времени интегрирования и количества сканирований является важным шагом. Слишком большое время интегрирования может привести к насыщению. (На снимке, сделанном камерой, это может выглядеть как большое белое пятно, тогда как в спектрометре оно может выглядеть как провал или обрезанный пик.) Слишком короткое время интегрирования может привести к зашумленным результатам (На фотографии, сделанной камерой, это будет темное пятно). или размытая область, где, как и в спектрометре, это может выглядеть как резкие или нестабильные показания).
Время экспозиции — это время, в течение которого свет падает на датчик во время измерения. Настройка этого параметра изменяет общую чувствительность инструмента так же, как изменение времени экспозиции для камеры. Минимальное время интегрирования зависит от прибора и составляет минимум 0,5 мс и максимум около 10 минут на одно сканирование. Практическая настройка находится в диапазоне от 3 до 999 мс в зависимости от интенсивности света.
Время интегрирования должно быть скорректировано для сигнала, который не превышает максимальное количество отсчетов (16-битная ПЗС-матрица имеет 65 536, 14-битная ПЗС-матрица — 16 384). Насыщение происходит, когда время интегрирования установлено слишком большим. Обычно пиковый сигнал, составляющий около 85 % от максимального, является подходящим целевым показателем и обеспечивает хорошее соотношение сигнал/шум. (например: количество отсчетов 60 000 или 16 000 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 улучшится в 4 раза по сравнению с одним сканированием.
Отношение сигнал/шум измеряется при уровне входного света, который достигает полной шкалы спектрометра. Это отношение количества сигналов Cs (обычно в полной шкале) к среднеквадратичному шуму при этом уровне освещенности. Этот шум включает в себя темновой шум Nd, дробовой шум Ns, связанный с отсчетами, генерируемыми входным светом, и шум считывания. Это лучшее соотношение сигнал/шум, которое можно получить с помощью спектрометра для измерений света.
Основными компонентами спектрорадиометрической системы являются следующие:
Передняя оптика спектрорадиометра включает линзы, рассеиватели и фильтры, которые изменяют свет при его первом попадании в систему. Для Radiance требуется оптика с узким полем зрения. Для полного потока требуется интегрирующая сфера. Для измерения освещенности необходима оптика с косинусной коррекцией. Материал, используемый для этих элементов, определяет, какой тип света можно измерить. Например, для проведения УФ-измерений часто используются кварцевые, а не стеклянные линзы, оптические волокна, тефлоновые диффузоры и интегрирующие сферы с покрытием из сульфата бария, чтобы обеспечить точные измерения УФ-излучения. [8]
Для проведения спектрального анализа источника потребуется монохроматический свет на каждой длине волны, чтобы создать спектральную характеристику источника света. Монохроматор используется для выборки длин волн от источника и, по сути, для создания монохроматического сигнала. По сути, это переменный фильтр, избирательно отделяющий и пропускающий определенную длину волны или диапазон длин волн из полного спектра измеряемого света и исключающий любой свет, выходящий за пределы этой области. [9]
Типичный монохроматор достигает этого за счет использования входной и выходной 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 одинарные или двойные монохроматоры, причем двойные монохроматоры обычно обеспечивают большую точность из-за дополнительной дисперсии и перегородок между решетками. [8]
Детектор, используемый в спектрорадиометре, определяется длиной волны, на которой измеряется свет, а также необходимым динамическим диапазоном и чувствительностью измерений. Основные технологии спектрорадиометрических детекторов обычно относятся к одной из трех групп: фотоэмиссионные детекторы (например, фотоумножители ), полупроводниковые устройства (например, кремниевые) или тепловые детекторы (например, термобатареи). [10]
Спектральный отклик конкретного детектора определяется материалами его сердцевины. Например, фотокатоды, используемые в фотоумножителях, могут быть изготовлены из определенных элементов, которые будут слепы к солнечному излучению – чувствительны к УФ-излучению и не реагируют на свет в видимом или ИК-диапазоне. [11]
Массивы ПЗС (устройств с зарядовой связью), как правило, одномерные (линейные) или двумерные (площадные) массивы, состоящие из тысяч или миллионов отдельных детекторных элементов (также известных как пиксели) и КМОП-сенсоров. Они включают в себя многоканальный матричный детектор на основе кремния или InGaAs, способный измерять ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный свет.
Датчики CMOS (дополнительный металлооксид-полупроводник) отличаются от CCD тем, что к каждому фотодиоду добавляется усилитель. Это называется датчиком активного пикселя, поскольку усилитель является частью пикселя. Транзисторные переключатели подключают каждый фотодиод к внутрипиксельному усилителю во время считывания.
Система регистрации часто представляет собой просто персональный компьютер. При первоначальной обработке сигнала его часто необходимо усилить и преобразовать для использования в системе управления. Линии связи между монохроматором, выходом детектора и компьютером должны быть оптимизированы для обеспечения использования желаемых показателей и функций. [8] Коммерческое программное обеспечение, входящее в состав спектрорадиометрических систем, часто содержит полезные эталонные функции для дальнейших расчетов измерений, такие как функции согласования цветов CIE и кривая V. [12]
Спектрорадиометры используются во многих приложениях и могут быть изготовлены в соответствии с самыми разными спецификациями. Примеры приложений включают в себя:
Можно построить базовый оптический спектрометр, используя решетку оптического диска и базовую веб-камеру, используя лампу КЛЛ для калибровки длин волн. [15] Калибровка с использованием источника известного спектра может затем превратить спектрометр в спектрорадиометр, интерпретируя яркость пикселей фотографии. [16] На самостоятельную сборку влияют некоторые дополнительные источники ошибок при преобразовании фотографии в изображение: фотографический шум (требующий вычитания темного кадра ) и нелинейность при преобразовании ПЗС-матрицы в фотографию (возможно, решаемая с помощью формата необработанного изображения). ). [17]
