Спектрорадиометр — это инструмент для измерения света , который может измерять как длину волны, так и амплитуду света, излучаемого источником света. Спектрометры различают длину волны на основе положения, в котором свет падает на матрицу детектора, что позволяет получить полный спектр за один прием. Большинство спектрометров имеют базовое измерение отсчетов, которое является некалиброванным показанием и, таким образом, зависит от чувствительности детектора к каждой длине волны. Применяя калибровку , спектрометр затем может обеспечить измерения спектральной освещенности , спектральной яркости и/или спектрального потока. Эти данные затем также используются со встроенным или программным обеспечением ПК и многочисленными алгоритмами для предоставления показаний или освещенности (Вт/см2), освещенности (люкс или фут-кандел), яркости (Вт/ср), яркости (кд), потока (люмены или ватты), цветности, цветовой температуры, пиковой и доминирующей длины волны. Некоторые более сложные программные пакеты для спектрометров также позволяют рассчитывать PAR мкмоль/м 2 /с, метамерию и канделу на основе расстояния и включают такие функции, как наблюдение под углом 2 и 20 градусов, сравнение наложений базовых линий, пропускание и отражение.
Спектрометры доступны в многочисленных 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, детектор на основе кремния реагирует на 200-1100 нм, в то время как детектор на основе InGaAs чувствителен на 900-1700 нм (или до 2500 нм при охлаждении).
Лабораторные/исследовательские спектрометры часто охватывают широкий спектральный диапазон от УФ до ближнего ИК и требуют ПК. Существуют также ИК-спектрометры, которым требуется более высокая мощность для работы системы охлаждения. Многие спектрометры можно оптимизировать для определенного диапазона, например, УФ или видимого, и объединить со второй системой, чтобы обеспечить более точные измерения, лучшее разрешение и устранить некоторые из наиболее распространенных ошибок, обнаруженных в широкополосной системе, такие как рассеянный свет и недостаточная чувствительность.
Портативные устройства также доступны для многочисленных спектральных диапазонов, охватывающих УФ- и ближний ИК-диапазон, и предлагают множество различных стилей и размеров корпусов. Ручные системы со встроенными дисплеями обычно имеют встроенную оптику и бортовой компьютер с предварительно запрограммированным программным обеспечением. Мини-спектрометры также можно использовать вручную или в лаборатории, поскольку они питаются и управляются ПК и требуют USB-кабеля. Входная оптика может быть встроенной или обычно присоединяется с помощью оптоволоконного световода. Существуют также микроспектрометры размером меньше четверти, которые можно интегрировать в систему или использовать отдельно.
Область спектрорадиометрии занимается измерением абсолютных радиометрических величин в узких интервалах длин волн. [1] Полезно делать выборку спектра с узкой полосой пропускания и приращениями длины волны, поскольку многие источники имеют линейные структуры [2] Чаще всего в спектрорадиометрии желаемым измерением является спектральная освещенность. На практике измеряется средняя спектральная освещенность, математически представленная как приближение:
Где спектральная облученность, это поток излучения источника ( единица СИ : ватт , Вт) в интервале длин волн (единица СИ: метр , м), падающий на площадь поверхности (единица СИ: квадратный метр, м2 ) . Единица СИ для спектральной облученности - Вт/м3 . Однако часто бывает полезнее измерять площадь в сантиметрах , а длину волны - в нанометрах , поэтому будут использоваться дольные единицы СИ спектральной облученности, например, мкВт/см2 * нм [3]
Спектральная освещенность будет меняться от точки к точке на поверхности в целом. На практике важно отметить, как поток излучения меняется в зависимости от направления, размера телесного угла, охватываемого источником в каждой точке на поверхности, и ориентации поверхности. Учитывая эти соображения, часто более разумно использовать более строгую форму уравнения для учета этих зависимостей [3]
Обратите внимание, что префикс «спектральный» следует понимать как сокращение от 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 диапазону». [4]
Спектральное распределение мощности (SPD) источника описывает, какой поток достигает датчика на определенной длине волны и площади. Это эффективно выражает вклад на длину волны в измеряемую радиометрическую величину. SPD источника обычно отображается в виде кривой SPD. Кривые SPD обеспечивают визуальное представление цветовых характеристик источника света, показывая поток излучения, испускаемый источником на различных длинах волн по всему видимому спектру [5]. Это также метрика, с помощью которой мы можем оценить способность источника света отображать цвета, то есть может ли определенный цветовой стимул быть правильно отображен при данном источнике света .
Качество данной спектрорадиометрической системы является функцией ее электроники, оптических компонентов, программного обеспечения, источника питания и калибровки. В идеальных лабораторных условиях и с высококвалифицированными специалистами можно достичь небольших (от нескольких десятых до нескольких процентов) ошибок в измерениях. Однако во многих практических ситуациях существует вероятность ошибок порядка 10 процентов [3] . При проведении физических измерений возникает несколько типов ошибок. Три основных типа ошибок, отмеченных как ограничивающие факторы точности измерений, — это случайные, систематические и периодические ошибки [6].
Помимо этих общих источников ошибок, есть несколько более конкретных причин ошибок в спектрорадиометрии:
Калифорнийский производитель приборов для измерения света Gamma-scientific перечисляет семь факторов, влияющих на точность и производительность их спектрорадиометров, которые могут быть связаны с калибровкой системы, программным обеспечением и источником питания, оптикой или самим измерительным механизмом. [7]
Рассеянный свет — это нежелательное излучение с длиной волны, достигающее неправильного элемента детектора. Он генерирует ошибочные электронные отсчеты, не связанные с разработанным спектральным сигналом для пикселя или элемента детекторной матрицы. Он может возникать из-за рассеивания света и отражения несовершенных оптических элементов, а также из-за эффектов дифракции более высокого порядка. Эффект второго порядка можно устранить или, по крайней мере, значительно уменьшить, установив фильтры сортировки порядка перед детектором.
Чувствительность детекторов A Si к видимому и ближнему ИК-диапазону почти на порядок выше, чем к УФ-диапазону. Это означает, что пиксели в спектральном положении УФ-диапазона реагируют на рассеянный свет в видимом и ближнем ИК-диапазоне гораздо сильнее, чем на свой собственный разработанный спектральный сигнал. Поэтому воздействие рассеянного света в УФ-диапазоне гораздо более существенно по сравнению с видимыми и ближними ИК-пикселями. Эта ситуация ухудшается с уменьшением длины волны.
При измерении широкополосного света с небольшой долей УФ-сигналов влияние рассеянного света иногда может быть доминирующим в УФ-диапазоне, поскольку пиксели детектора уже испытывают трудности с получением достаточного количества 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 стандартная лампа Deuterium. Фактически, абсолютное измерение света в УФ-диапазоне может иметь большие ошибки даже при правильной калибровке, когда большинство электронных отсчетов в этих пикселях являются результатом рассеянного света (удары более длинной волны вместо фактического УФ-света).
Существует множество компаний, предлагающих калибровку спектрометров, но не все они одинаковы. Важно найти прослеживаемую 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 измеренного спектра. В нем также должен быть указан уровень достоверности для неопределенности калибровки.
Как и камера, большинство спектрометров позволяют пользователю выбирать время экспозиции и количество собираемых образцов. Установка времени интегрирования и количества сканирований является важным шагом. Слишком большое время интегрирования может вызвать насыщение. (На фотографии с камеры это может выглядеть как большое белое пятно, тогда как на спектрометре это может выглядеть как провал или обрезанный пик). Слишком короткое время интегрирования может привести к появлению шумных результатов (На фотографии с камеры это будет темная или размытая область, тогда как на спектрометре это может выглядеть как пиковые или нестабильные показания).
Время экспозиции — это время, в течение которого свет падает на датчик во время измерения. Регулировка этого параметра изменяет общую чувствительность прибора, как изменение времени экспозиции для камеры. Минимальное время интеграции варьируется в зависимости от прибора: 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 должно быть скорректировано для сигнала, который не превышает максимальное количество отсчетов (16-битный ПЗС имеет 65 536, 14-битный ПЗС имеет 16 384). Насыщение происходит, когда время интегрирования установлено слишком большим. Обычно пиковый сигнал около 85% от максимального является хорошей целью и дает хорошее отношение сигнал/шум. (например: 60 тыс. отсчетов или 16 тыс. 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 усредняются 16 спектральных сканирований, SNR улучшается 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 при полной шкале) к среднеквадратичному (RMS) шуму при этом уровне света. Этот шум включает в себя темновой шум Nd, дробовой шум Ns, связанный с количеством, генерируемым входным светом, и шум считывания. Это наилучшее отношение сигнал/шум, которое можно получить от спектрометра для измерений света.
Основными компонентами спектрорадиометрической системы являются:
В состав оптики спектрорадиометра входят 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 Irradiance требуется косинусная корректирующая оптика. 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, покрытые сульфатом бария, для обеспечения точного УФ-измерения. [8]
Для проведения спектрального анализа источника, монохроматический свет на каждой длине волны должен был бы создать спектральный отклик источника. Монохроматор используется для выборки длин волн из источника и, по сути, производит монохроматический сигнал. По сути, это переменный фильтр, избирательно разделяющий и передающий определенную длину волны или диапазон длин волн из полного спектра измеренного света и исключающий любой свет, который выходит за пределы этой области. [9]
Типичный монохроматор достигает этого за счет использования входных и выходных щелей, коллимирующей и фокусирующей оптики и элемента, рассеивающего длину волны, такого как дифракционная решетка или призма. [6] Современные монохроматоры изготавливаются с дифракционными решетками, и дифракционные решетки используются почти исключительно в спектрорадиометрических приложениях. Дифракционные решетки предпочтительны из-за их универсальности, низкого затухания, широкого диапазона длин волн, более низкой стоимости и более постоянной дисперсии. [9] В зависимости от приложения 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 требуемым динамическим диапазоном и чувствительностью измерений. Базовые технологии детекторов спектрорадиометра обычно делятся на три группы: фотоэмиссионные детекторы (например, фотоумножительные трубки), полупроводниковые приборы (например, кремниевые) или тепловые детекторы (например, термобатареи). [10]
Спектральный отклик данного детектора определяется его основными материалами. Например, фотокатоды, используемые в фотоумножительных трубках, могут быть изготовлены из определенных элементов, которые будут слепыми к солнцу — чувствительными к УФ и невосприимчивыми к свету в видимом или ИК-диапазоне. [11]
Массивы ПЗС (приборов с зарядовой связью) обычно одномерные (линейные) или двумерные (площадные) массивы из тысяч или миллионов отдельных элементов детектора (также известных как пиксели) и датчиков КМОП. Они включают в себя многоканальный детектор матрицы на основе кремния или InGaAs, способный измерять УФ, видимый и ближний инфракрасный свет.
Датчики CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) отличаются от CCD тем, что они добавляют усилитель к каждому фотодиоду. Это называется активным пиксельным датчиком, потому что усилитель является частью пикселя. Транзисторные ключи подключают каждый фотодиод к внутрипиксельному усилителю во время считывания.
Система регистрации часто представляет собой просто персональный компьютер. При начальной обработке сигнала сигнал часто необходимо усилить и преобразовать для использования с системой управления. Линии связи между монохроматором, выходом детектора и компьютером должны быть оптимизированы для обеспечения использования желаемых метрик и характеристик. [8] Коммерчески доступное программное обеспечение, входящее в состав спектрорадиометрических систем, часто поставляется с полезными справочными функциями для дальнейшего расчета измерений, такими как функции сопоставления цветов CIE и кривая V. [12]
Спектрорадиометры используются во многих приложениях и могут быть изготовлены для удовлетворения самых разных спецификаций. Примеры приложений включают:
Можно построить базовый оптический спектрометр, используя оптическую дисковую решетку и простую 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] Сборка своими руками подвержена некоторым дополнительным источникам ошибок при преобразовании фотографии в значение: фотографический шум (требующий вычитания темного кадра ) и нелинейность при преобразовании ПЗС в фотографию (возможно, решаемая с помощью формата необработанного изображения ). [17]
