Войти
A спектрорадиометр - это прибор для измерения света, который может измерять как длину волны, так и амплитуду света испускается 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 счетчиков, которое является неоткалиброванным показанием и, таким образом, зависит от чувствительности детектора к каждой длине волны. Применяя калибровку, спектрометр затем может обеспечивать измерения спектральной освещенности, спектральной яркости и / или спектрального потока. 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).), Цветности, цветовой температуры, пика и доминирующей длины 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 диапазон длины волны (спектральный) спектрометра определяется не только дисперсионной способностью решетки, но также 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 БИК 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 ВИД, 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 множества спектральных диапазонов, от УФ до ближнего инфракрасного 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.
Область спектрорадиометрии занимается измерением абсолютных радиометрических величин в узких интервалах длин волн. Полезно выполнять выборку спектра с узкой полосой пропускания и приращениями длины волны, потому что многие источники имеют линейчатую структуру. Чаще всего в спектрорадиометрии желательным измерением является спектральная освещенность. На практике измеряется средняя спектральная освещенность, которая математически отображается в виде приближения:
Где 
Спектральная энергетическая освещенность будет варьироваться от точки к точке на поверхности в целом. 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
Обратите внимание, что префикс «спектральный» следует понимать как сокращение от фразы «спектральная концентрация », Который понимается и определяется CIE как« отношение радиометрической величины, взятой в бесконечно малом диапазоне по обе стороны от заданной длины волны, на диапазон ».
Спектральное распределение мощности (SPD) источника описывает, сколько потока достигает сенсора 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. Это также показатель, с помощью которого мы можем оценить способность источника света передавать цвета, то есть, можно ли правильно передать определенный цветовой стимул при заданном.
Характерные спектральные распределения мощности (SPD) для лампы накаливания (слева) и люминесцентной лампы (справа). Горизонтальные оси указаны в нанометрах, а вертикальные оси показывают относительную интенсивность в произвольных единицах. Качество данной спектрорадиометрической системы является функцией ее электроники, оптики компоненты, программное обеспечение, источник питания и калибровка. 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. При физических измерениях используются несколько типов ошибок. Три основных типа ошибок, указанных в качестве ограничивающих факторов точности измерения, - это случайные, систематические и периодические ошибки.
Случайные ошибки представляют собой вариации этого среднего значения. 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 - это смещения 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, рассеянный свет и неправильные настройки, являются потенциальными проблемами.
Периодические ошибки возникают из-за повторяющихся периодических или псевдопериодических событий. Изменения температуры, влажности, движения воздуха или помех от переменного тока можно отнести к категории периодических ошибок.
В дополнение к этим общим источникам ошибок, некоторые из более конкретных причин ошибки в спектрорадиометрии включают:
Gamma-Scientific, производитель устройств для измерения освещенности из Калифорнии, перечисляет семь факторов, влияющих на точность и производительность их спектрорадиометров из-за калибровки системы, программного обеспечения и источника питания, оптики или самого механизма измерения.
Рассеянный свет: Рассеянный свет нежелателен излучение с длиной волны достигает 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 перед детектором фильтры сортировки по порядку.
Чувствительность Si-детекторов к видимому и ближнему ИК-диапазону почти на порядок больше, чем в УФ-диапазоне. Это означает, что пиксели в ультрафиолетовой спектральной позиции реагируют на рассеянный свет в видимом и ближнем ИК диапазонах гораздо сильнее, чем на собственный спроектированный спектральный сигнал. Следовательно, влияние паразитного света в УФ-области намного более значимо по сравнению с пикселями видимого и ближнего ИК-диапазона. Эта ситуация усугубляется, чем короче длина волны.
При измерении широкополосного света с небольшой долей УФ-сигналов влияние рассеянного 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 для спектрометров, но не все они одинаковы. 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 камера, большинство спектрометров позволяют пользователю выбирать время экспозиции и количество образцов, которые необходимо собрать. 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 зависит 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 должно быть отрегулировано для сигнала, который не превышает максимального количества 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: 60 000 отсчетов или 16 000 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 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 счетами, генерируемыми входным светом, и шум считывания. Это наилучшее соотношение сигнал / шум, которое можно получить от спектрометра для измерений освещенности.
Важнейшими компонентами спектрорадиометрической системы являются:
Внешняя оптика спектрорадиометра включает линзы, рассеиватели 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.
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, получения монохроматического сигнала. По сути, это переменный фильтр, избирательно отделяющий и пропускающий определенную длину волны или полосу длин волн из полного спектра измеряемого света и исключающий любой свет, выходящий за пределы этой области.
Типичный монохроматор достигает этого за счет использования входные и выходные щели, коллимирующая и фокусирующая оптика, а также элемент, рассеивающий длину волны, такой как дифракционная решетка или призма. 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. В зависимости от применения могут использоваться одиночные или двойные монохроматоры, причем двойные монохроматоры обычно обеспечивают большую точность из-за дополнительной дисперсии и перегородки между решетками.
Фотоумножитель Детектор, используемый в спектрорадиометре, определяется длиной волны на котором измеряется свет, а также требуемый динамический диапазон и чувствительность измерений. Базовые технологии детекторов спектрорадиометров обычно делятся на одну из трех групп: фотоэмиссионные детекторы (например, фотоэлектронные умножители трубки), полупроводниковые устройства (например, кремний) или тепловые детекторы (например, термобатареи).
Спектральный отклик детектора определяется материалами его сердечника. Например, фотокатоды в фотоэлектронных умножителях могут быть изготовлены из определенных элементов, которые не пропускают солнечные лучи - чувствительны к УФ и не чувствительны к свету в видимом или ИК-диапазоне.
ПЗС (устройство с зарядовой связью) обычно одна размерные (линейные) или двухмерные (площади) массивы из тысяч или миллионов отдельных элементов детектора (также известных как пиксели) и КМОП-сенсоров. Они включают в себя многоканальный матричный детектор на основе кремния или InGaAs, способный измерять УФ, видимый и ближний инфракрасный свет.
CMOS (комплементарный 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 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. 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 кривая V 
Спектрорадиометры используются во многих приложениях и могут быть изготовлены в соответствии с широким спектром технических требований. Примеры приложений:
Исследования и разработки на предприятиях
