Spektroradiometer - Spectroradiometer

Et spektroradiometer er et lysmålingsværktøj , der er i stand til at måle både bølgelængde og amplitude af det lys, der udsendes fra en lyskilde. Spektrometre diskriminerer bølgelængden baseret på den position, lyset rammer ved detektorarrayet, så hele spektret kan opnås med en enkelt optagelse. De fleste spektrometre har en basismåling af tællinger, som er den ikke-kalibrerede aflæsning og dermed påvirkes af detektorens følsomhed over for hver bølgelængde. Ved at anvende en kalibrering er spektrometeret derefter i stand til at tilvejebringe målinger af spektral bestråling , spektral stråling og/eller spektral flux. Disse data bruges også derefter med indbygget eller pc -software og talrige algoritmer til at levere aflæsninger eller Irradiance (W/cm2), Illuminance (lux eller fc), Radiance (W/sr), Luminance (cd), Flux (Lumens eller Watts) ), Kromatik, farvetemperatur, højdepunkt og dominerende bølgelængde. Nogle mere komplekse spektrometer-softwarepakker tillader også beregning af PAR μmol /m ² /s, metamerisme og candela-beregninger baseret på afstand og inkluderer funktioner som 2- og 20-graders observatør, baseline-overlay-sammenligninger, transmission og reflektans.

Spektrometre fås i mange pakker og størrelser, der dækker mange bølgelængdeområder. Et spektrometers effektive bølgelængde (spektral) område bestemmes ikke kun af gitterdispersionsevnen, men afhænger også af detektorernes følsomhedsområde. Begrænset af halvlederens båndgab reagerer den siliciumbaserede detektor på 200-1100 nm, mens den InGaAs-baserede detektor er følsom over for 900-1700 nm (eller ud til 2500 nm ved afkøling).

Lab/Research -spektrometre dækker ofte et bredt spektralområde fra UV til NIR og kræver en pc. Der er også IR -spektrometre, der kræver højere effekt for at køre et kølesystem. Mange spektrometre kan optimeres til et specifikt område, dvs. UV eller VIS og kombineres med et andet system for at muliggøre mere præcise målinger, bedre opløsning og eliminere nogle af de mere almindelige fejl, der findes i bredbåndssystem, såsom omstrejfende lys og mangel på følsomhed.

Bærbare enheder er også tilgængelige til talrige spektralområder, der dækker UV til NIR og tilbyder mange forskellige pakkestiler og størrelser. Håndholdte systemer med integrerede displays har typisk indbygget optik og en indbygget computer med forprogrammeret software. Minispektrometre kan også bruges håndholdt eller i laboratoriet, da de drives og styres af en pc og kræver et USB -kabel. Inputoptik kan inkorporeres eller er almindeligt fastgjort med en fiberoptisk lysstyring. Der er også mikrospektrometre mindre end en fjerdedel, der kan integreres i et system eller bruges alene.

Baggrund

Feltet af spektroradiometri beskæftiger sig med målingen af absolutte radiometriske mængder i snævre bølgelængdeintervaller. Det er nyttigt at prøve spektret med smal båndbredde og bølgelængdeforøgelser, fordi mange kilder har linjestrukturer. Oftest i spektroradiometri er spektral bestråling den ønskede måling. I praksis måles den gennemsnitlige spektrale bestråling, vist matematisk som tilnærmelsen:

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

Hvor er spektralbestrålingen, er kildens strålingsstrøm ( SI -enhed: watt , W) inden for et bølgelængdeinterval (SI -enhed: meter , m), der rammer overfladearealet (SI -enhed: kvadratmeter, m ² ) . SI -enheden for spektral bestråling er W/m ³ . Imidlertid er det ofte mere nyttigt at måle areal i form af centimeter og bølgelængde i nanometer , så submultipler af SI -enhederne for spektral bestråling vil blive brugt, f.eks. ΜW/cm ² *nm ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle \ Delta \ lambda}$${\ displaystyle A}$

Spektral bestråling vil generelt variere fra punkt til punkt på overfladen. I praksis er det vigtigt at bemærke, hvordan strålingsstrømmen varierer med retningen, størrelsen på den faste vinkel, som kilden bøjer på hvert punkt på overfladen, og orienteringen af ​​overfladen. I betragtning af disse overvejelser er det ofte mere forsigtigt at bruge en mere streng form for ligningen til at redegøre for disse afhængigheder

Bemærk, at præfikset "spektral" skal forstås som en forkortelse af udtrykket "spektralkoncentration af", som forstås og defineres af CIE som "kvotienten for den radiometriske mængde overtaget af et uendeligt lille område på hver side af en given bølgelængde , efter intervallet ".

Spektral strømfordeling

Spektral effektfordelingen (SPD) for en kilde beskriver, hvor meget flux der når sensoren over en bestemt bølgelængde og et område. Dette udtrykker effektivt bidraget pr. Bølgelængde til den radiometriske mængde, der måles. SPD'en for en kilde vises normalt som en SPD -kurve. SPD -kurver giver en visuel repræsentation af lyskildens farvekarakteristika, der viser den strålingsstrøm, der udsendes af kilden ved forskellige bølgelængder over det synlige spektrum. , om en bestemt farvestimulering kan gengives korrekt under en given belysning .

Karakteristiske spektrale effektfordelinger (SPD'er) for en glødelampe (til venstre) og en lysstofrør (til højre). De vandrette akser er i nanometer, og de lodrette akser viser relativ intensitet i vilkårlige enheder.

Fejlkilder

Kvaliteten af ​​et givet spektroradiometrisk system er en funktion af dets elektronik, optiske komponenter, software, strømforsyning og kalibrering. Under ideelle laboratorieforhold og med højtuddannede eksperter er det muligt at opnå små (et par tiendedele til et par procent) fejl i målinger. I mange praktiske situationer er der dog sandsynlighed for fejl i størrelsesordenen 10 procent Flere typer fejl er i spil, når der foretages fysiske målinger. De tre grundlæggende fejltyper, der er angivet som de begrænsende faktorer for målingens nøjagtighed, er tilfældige, systematiske og periodiske fejl

• Tilfældige fejl er variationer omkring det middel. I tilfælde af spektroradiometriske målinger kan dette betragtes som støj fra detektoren, intern elektronik eller lyskilden selv. Fejl af denne type kan bekæmpes ved længere integrationstider eller flere scanninger.
• Systematiske fejl modsvarer den forudsagte "korrekte" værdi. Systematiske fejl opstår generelt på grund af den menneskelige komponent i disse målinger, selve enheden eller opsætningen af ​​eksperimentet. Ting som kalibreringsfejl, omstrejfende lys og forkerte indstillinger er alle potentielle problemer.
• Periodiske fejl opstår ved tilbagevendende periodiske eller pseudo-periodiske hændelser. Variationer i temperatur, fugtighed, luftbevægelse eller AC-interferens kan alle kategoriseres som periodiske fejl.

Ud over disse generiske fejlkilder inkluderer et par af de mere specifikke årsager til fejl i spektroradiometri:

• Målingens multidimensionalitet. Udgangssignalet er afhængigt af flere faktorer, herunder størrelsen af ​​den målte flux, dens retning, dens polarisering og dens bølgelængdefordeling.
• Måleinstrumentets unøjagtighed samt standarderne, der bruges til at kalibrere instrumenterne, kaskaderede for at skabe en større fejl i hele måleprocessen og
• De proprietære teknikker til at reducere multidimensionalitet og fejl ved enhedsinstabilitet.

Gamma-Scientific, en Californien-baseret producent af lysmåleenheder, lister syv faktorer, der påvirker nøjagtigheden og ydeevnen af ​​deres spektroradiometre, på grund af enten systemkalibrering, software og strømforsyning, optikken eller selve målemotoren.

Definitioner

Stray lys

Stray light er uønsket bølgelængdestråling, der når det forkerte detektorelement. Det genererer fejlagtige elektroniske tællinger, der ikke er relateret til designet spektralsignal for pixel eller element i detektorarrayet. Det kan komme fra lysspredning og refleksion af uperfekte optiske elementer samt diffraktionseffekter af højere orden. Den anden ordens effekt kan fjernes eller i det mindste dramatisk reduceres ved at installere ordresorteringsfiltre før detektoren. 

En Si -detektors følsomhed over for synligt og NIR er næsten en størrelsesorden større end i UV -området. Det betyder, at pixels ved UV -spektralpositionen reagerer på vildfarende lys i synligt og NIR meget stærkere end på deres eget designet spektralsignal. Derfor er påvirkningen af ​​de vildfarne lys i UV -området meget mere signifikant sammenlignet med synlige og NIR -pixels. Denne situation bliver værre, jo kortere bølgelængden er. 

Når man måler bredbåndslys med en lille brøkdel af UV -signaler, kan lyset fra undertiden være dominerende i UV -området, da detektorpixelerne allerede kæmper for at få nok UV -signaler fra kilden. Af denne grund kan kalibrering ved hjælp af QTH -standardlampe have enorme fejl (mere end 100%) under 350 nm, og Deuterium -standardlampe er påkrævet for mere præcis kalibrering i dette område. Faktisk kan absolut lysmåling i UV -området have store fejl, selv med den korrekte kalibrering, når størstedelen af ​​de elektroniske tællinger i disse pixels er resultatet af det omstrejfende lys (længere bølgelængdeslag i stedet for det faktiske UV -lys).

Kalibreringsfejl

Der er mange virksomheder, der tilbyder kalibrering til spektrometre, men ikke alle er ens. Det er vigtigt at finde et sporbart, certificeret laboratorium til kalibrering. Kalibreringscertifikatet skal angive den anvendte lyskilde (f.eks .: Halogen, Deuterium, Xenon, LED) og usikkerheden ved kalibreringen for hvert bånd (UVC, UVB, VIS ..), hver bølgelængde i nm eller for hele spektret målt. Det bør også angive konfidensniveauet for kalibreringsusikkerheden.

Forkerte indstillinger

Ligesom et kamera giver de fleste spektrometre brugeren mulighed for at vælge eksponeringstid og mængde prøver, der skal indsamles. Indstilling af integrationstiden og antallet af scanninger er et vigtigt skridt. For lang integrationstid kan forårsage mætning. (I et kamerafoto kan dette fremstå som en stor hvid plet, hvor det som i et spektrometer kan se ud som en dukkert eller afskåret spids) For kort integrationstid kan generere støjende resultater (I et kamerafoto ville det være mørkt eller sløret område, hvor dette som i et spektrometer kan forekomme, er piggete eller ustabile aflæsninger).

Eksponeringstiden er den tid, lyset falder på sensoren under en måling. Justering af denne parameter ændrer instrumentets overordnede følsomhed, ligesom ændring af eksponeringstiden gør for et kamera. Den minimale integrationstid varierer efter instrument med et minimum på .5 msek og maksimalt omkring 10 minutter pr. Scanning. En praktisk indstilling ligger i området 3 til 999 ms afhængigt af lysintensiteten.

Integrationstiden bør justeres for et signal, der ikke overskrider de maksimale tællinger (16-bit CCD har 65.536, 14-bit CCD har 16.384). Mætning opstår, når integrationstiden er indstillet for højt. Typisk er et spidsignal på ca. 85% af maksimum et godt mål og giver et godt S/N -forhold. (eks: henholdsvis 60K tællinger eller 16K tællinger)

Antallet af scanninger angiver, hvor mange målinger der vil blive gennemsnittet. Alt andet lige forbedres signal-til-støj-forholdet (SNR) for de indsamlede spektre med kvadratroden af ​​det gennemsnitlige antal scanninger N. For eksempel, hvis 16 spektrale scanninger er i gennemsnit, forbedres SNR med en faktor 4 i forhold til en enkelt scanning.

S/N -forhold måles ved input -lysniveauet, der når spektrometerets fulde skala. Det er forholdet mellem signaltællinger Cs (normalt i fuld skala) og RMS (root mean square) støj ved dette lysniveau. Denne støj inkluderer den mørke støj Nd, skudstøjen Ns relateret til de tællinger, der genereres af inputlyset og udlæst støj. Dette er det bedste S/N -forhold, man kan få fra spektrometeret til lysmålinger.

Hvordan det virker

De vigtigste komponenter i et spektroradiometrisk system er som følger:

• Inputoptik, der samler den elektromagnetiske stråling fra kilden (diffusorer, linser, fiberoptiske lysførere)
• En indgangsspalte bestemmer, hvor meget lys der kommer ind i spektrometeret. En mindre slids med større opløsning, men mindre generel følsomhed
• Ordresorteringsfiltre til reduktion af andenordens effekter
• Collimator retter lyset mod risten eller prismen
• Et gitter eller prisme til spredning af lyset
• Fokuserende optik til at justere lyset på detektoren
• En detektor, CMOS -sensor eller CCD -array
• Et kontrol- og logningssystem til at definere data og gemme dem.

Input optik

Front spektret af et spektroradiometer inkluderer linser, diffusorer og filtre, der ændrer lyset, når det først kommer ind i systemet. For Radiance kræves en optik med et smalt synsfelt. For total flux kræves en integrerende kugle. For Irradiance kræves cosinuskorrigerende optik. Materialet, der bruges til disse elementer, bestemmer, hvilken type lys der kan måles. For eksempel for at tage UV -målinger bruges kvarts frem for glaslinser, optiske fibre, teflondiffusorer og bariumsulfatbelagte integrerende kugler ofte til at sikre nøjagtig UV -måling.

Monokromator

Diagram over en Czerny-Turner monokromator.

For at udføre spektralanalyse af en kilde ville det være nødvendigt med monokromatisk lys ved hver bølgelængde for at skabe et spektrumrespons af belysningen. En monokromator bruges til at prøve bølgelængder fra kilden og i det væsentlige producere et monokromatisk signal. Det er i det væsentlige et variabelt filter, der selektivt adskiller og transmitterer en bestemt bølgelængde eller bånd af bølgelængder fra hele spektret af målt lys og ekskluderer alt lys, der falder uden for dette område.

En typisk monokromator opnår dette ved brug af indgangs- og udgangsspalter, kollimering og fokusoptik og et bølgelængdespredende element, såsom et diffraktionsgitter eller prisme. Moderne monokromatorer fremstilles med diffraktionsgitre, og diffraktionsriste bruges næsten udelukkende i spektroradiometriske applikationer. Diffraktionsgitter foretrækkes på grund af deres alsidighed, lave dæmpning, omfattende bølgelængdeområde, lavere omkostninger og mere konstant spredning. Enkelt- eller dobbeltmonokromatorer kan bruges afhængigt af applikation, hvor dobbeltmonokromatorer generelt giver mere præcision på grund af den ekstra spredning og forvirring mellem gitter.

Detektorer

Fotomultiplikator

Detektoren, der bruges i et spektroradiometer, bestemmes af bølgelængden, som lyset måles over, samt målingernes nødvendige dynamiske område og følsomhed. Grundlæggende spektroradiometerdetektorteknologier falder generelt i en af ​​tre grupper: fotoemissive detektorer (f.eks. Fotomultiplikatorrør ), halvlederanordninger (f.eks. Silicium) eller termiske detektorer (f.eks. Termopile).

En given detektors spektrale reaktion bestemmes af dens kernematerialer. For eksempel kan fotokatoder, der findes i fotomultiplikatorrør, fremstilles af visse elementer til at være solblinde-følsomme over for UV og ikke reagerer på lys i det synlige eller IR.

CCD (Charge Coupled Device) arrays typisk en -dimensionelle (lineære) eller todimensionale (areal) arrays med tusinder eller millioner af individuelle detektorelementer (også kendt som pixels) og CMOS -sensorer. De inkluderer en silicium- eller InGaAs-baseret multikanal-array-detektor, der er i stand til at måle UV, synligt og nær-infrarødt lys.

CMOS -sensorer (komplementær metaloxid -halvleder) adskiller sig fra en CCD, idet de tilføjer en forstærker til hver fotodiode. Dette kaldes en aktiv pixelsensor, fordi forstærkeren er en del af pixlen. Transistorafbrydere forbinder hver fotodiode til intrapixelforstærkeren på tidspunktet for aflæsning.

Kontrol- og logningssystem

Logningssystemet er ofte blot en personlig computer. Ved indledende signalbehandling skal signalet ofte forstærkes og konverteres til brug sammen med kontrolsystemet. Kommunikationslinjerne mellem monokromator, detektoroutput og computer bør optimeres for at sikre, at de ønskede metrics og funktioner bruges. Den kommercielt tilgængelige software, der følger med spektroradiometriske systemer, er ofte gemt med nyttige referencefunktioner til yderligere beregning af målinger, såsom CIE -farvematchingsfunktioner og V -kurven. ${\ displaystyle \ lambda}$

Ansøgninger

Spektroradiometre bruges i mange applikationer og kan laves til at opfylde en lang række specifikationer. Eksempelapplikationer omfatter:

• Solens UV- og UVB -stråling
• LED måling
• Vis måling og kalibrering
• CFL test
• Fjernregistrering af olieudslip

Planteforskning og udvikling

DIY bygger

Det er muligt at bygge et grundlæggende optisk spektrometer ved hjælp af et optisk diskrist og et grundlæggende webcam ved hjælp af en CFL -lampe til kalibrering af bølgelængderne. En kalibrering ved hjælp af en kilde til kendt spektrum kan derefter gøre spektrometeret til et spektroradiometer ved at fortolke lysstyrken af ​​fotopixel. En DIY-konstruktion påvirkes af nogle ekstra fejlkilder i foto-til-værdi-konvertering: fotografisk støj (kræver subtraktion af mørk ramme ) og ikke-linearitet i CCD-til-fotokonvertering (muligvis løst ved hjælp af et råbilledformat ).

Se også

• Radiometer
• Spektrometer
• Spektroradiometri
• Spektrofotometri

Referencer

eksterne links

• Grundlæggende lysmåleprincipper En artikel fra International Light Technologies om grundlæggende principper
• Spektroradiometer typer