단색기

Monochromator
이것은 빛의 분산이나 빛의 분해에 대한 개념적인 애니메이션입니다.
Argonne 국립 연구소의 Advanced Photon Source의 X선 빔 라인의 흑백 장치.

단색기는 기계적으로 선택 가능한 좁은 파장의 빛 또는 기타 방사선을 투과하는 광학 장치입니다.이름은 그리스 어근 모노(mono), 싱글(single), 채도(color), 그리고 에이전트를 나타내는 라틴어 접미사 -ator에서 유래했습니다.

사용하다

호주 OPAL의 ECHIDNA 분말 회절계용 중성자 단색계.이것은 [113] 방향 게르마늄 결정의 슬래브에 의해 제조되며, 이 슬래브는 서로 비스듬히 기울어져 브래그 반사 빔에 초점을 맞춥니다.

단색광을 낼 수 있는 장치는 물질의 많은 광학 특성이 파장에 의존하기 때문에 과학과 광학 분야에서 많은 용도를 가지고 있다.좁은 파장 대역(가시 범위에서는 순수한 색상으로 인식됨)을 선택할 수 있는 유용한 방법은 많지만, 넓은 범위에서 파장 대역을 쉽게 선택할 수 있는 방법은 많지 않습니다.흑백의 사용법에 대해서는, 이하를 참조해 주세요.

하드 X선 및 중성자 광학에서 결정 단색기를 사용하여 계측기의 파형 조건을 정의합니다.

기술

단색기는 프리즘에서의 광학적 분산현상 또는 회절격자를 이용한 회절현상 중 하나를 사용하여 빛의 색을 공간적으로 분리할 수 있다.보통 선택한 색상을 출구 슬릿으로 유도하는 메커니즘이 있습니다.일반적으로 격자 또는 프리즘은 반사 모드로 사용됩니다.반사 프리즘은 직각 삼각 프리즘(일반적으로 등변 프리즘의 절반)을 만들어 한쪽 면이 대칭되도록 한다.빛은 빗변면을 통해 들어가 다시 반사되어 같은 표면에서 두 번 굴절된다.총 굴절과 총 분산은 등변 프리즘을 전송 모드로 사용할 때와 동일합니다.

콜리메이션

분산 또는 회절은 빛이 시준된 경우, 즉 모든 광선이 평행한 경우에만 제어할 수 있습니다.태양과 같이 매우 멀리 있는 광원은 시준된 빛을 제공한다.뉴턴은 그의 유명한 실험에 햇빛을 사용했다.그러나 실용적인 단색기에서는 광원이 가까운 곳에 있어 단색기 내의 광학계가 소스의 발산광을 시준광으로 변환한다.일부 흑백 설계에서는 별도의 콜리메이터가 필요하지 않은 포커싱 격자를 사용하지만 대부분은 콜리메이션 미러를 사용합니다.반사광학계는 자체적인 분산효과를 도입하지 않기 때문에 선호된다.

프리즘 또는 그레이팅 단색기의 기하학적 디자인

단순성과 스펙트럼 정확도 간에 서로 다른 트레이드오프를 제공하는 격자/프리즘 구성이 있습니다.

Czerny 도표 -터너 단색계
복합 반사 초점 회절 격자
Fastie-Ebert 단색기이것은 Czerny와 유사합니다.터너이지만 공통 콜리메이터/초점거울을 사용합니다.


일반적인 Czerny에서는-광대역 조명원(A)인 터너 디자인은 입구 슬릿([1]B)을 지향한다.사용할 수 있는 빛 에너지의 양은 슬릿(폭 × 높이)에 의해 정의된 공간의 선원 강도와 광학 시스템의 수용 각도에 따라 달라진다.슬릿은 커브 미러(콜리메이터, C)의 유효 초점에 배치되어 거울에서 반사된 슬릿의 빛이 (무한에 집중) 시준됩니다.시준된 빛은 그레이팅(D)에서 회절된 다음 다른 미러(E)에 의해 수집되며, 이 미러(E)는 현재 분산된 빛을 출구 슬릿(F)에 다시 초점을 맞춥니다.프리즘 단색기에서 반사성 리트로 프리즘이 회절격자를 대신하고, 이 경우 빛이 프리즘에 의해 굴절된다.

출구 슬릿에는 빛의 색이 펼쳐져 있습니다(보이는 것은 무지개의 색을 나타냅니다).출구 슬릿 평면의 다른 지점에 각 색상이 도착하기 때문에 평면에 초점을 맞춘 입구 슬릿의 이미지가 연속적으로 나타난다.입구 슬릿은 폭이 한정되어 있기 때문에, 주변 화상의 일부가 겹칩니다.출구 슬릿(G)에서 나오는 빛에는 선택한 색상의 입구 슬릿 전체 이미지와 인근 색상의 입구 슬릿 이미지 일부가 포함되어 있습니다.분산요소의 회전에 의해 색대가 출구슬릿에 대해 상대적으로 이동하기 때문에 원하는 입구슬릿 화상이 출구슬릿에 집중된다.출구 슬릿에서 나오는 색 범위는 슬릿 폭의 함수입니다.입구 및 출구 슬릿 폭은 함께 조정됩니다.

스트레이 라이트

이러한 단색기의 이상적인 전달 함수는 삼각형 모양이다.삼각형의 피크는 선택한 공칭 파장에 있습니다.그런 다음 근처 색상의 강도는 일부 컷오프 값에 도달할 때까지 이 피크의 양쪽에서 선형적으로 감소하며, 여기서 강도는 감소하지 않습니다.이것은 유광 레벨이라고 불립니다.컷오프 레벨은 보통 피크값의 1000분의 1(0.1%)입니다.

스펙트럼 대역폭

스펙트럼 대역폭은 빛이 최대값의 절반에 도달한 지점의 삼각형의 폭(최대 절반의 전폭, 약칭 FWHM)으로 정의된다.일반 스펙트럼 대역폭은 1나노미터일 수 있지만 분석의 필요성을 충족하기 위해 다른 값을 선택할 수 있다.대역폭이 좁아지면 분해능이 향상되지만 신호 대 잡음비도 [2]감소합니다.

분산

단색기의 분산은 예를 들어 슬릿 폭 단위당 색대폭, 예를 들어 슬릿 폭 mm당 스펙트럼 1nm로 특징지어진다.이 계수는 격자의 경우 일정하지만 프리즘의 경우 파장에 따라 달라집니다.주사 프리즘 단색기를 일정한 대역폭 모드로 사용하는 경우 슬릿 폭은 파장의 변화에 따라 변화해야 합니다.분산은 초점 거리, 격자 순서 및 격자 분해력에 따라 달라집니다.

파장 범위

단색기는 매우 다양한 광학 범위와 매우 많은 설계에 대해 구축되었지만, 단색기의 조정 범위는 가시 스펙트럼과 인근 자외선(UV) 및 적외선(IR) 스펙트럼의 일부 또는 둘 중 하나를 포함할 수 있다.

이중 단색기

두 개의 단색기가 직렬로 연결되어 있고 기계 시스템이 동시에 작동하여 같은 색상을 선택하는 것이 일반적입니다.이 배치는 스펙트럼의 협소성을 개선하기 위한 것이 아니라 컷오프 수준을 낮추기 위한 것이다.이중 단색기는 개별 단면의 두 컷오프 곱인 피크값의 약 100만분의 1 컷오프를 가질 수 있다.출구 빔의 다른 색상의 빛의 세기는 부유광 레벨이라고 불리며, 많은 용도로 사용되는 단색기의 가장 중요한 사양입니다.낮은 유광을 얻는 것은 실용적인 단색기를 만드는 기술의 큰 부분을 차지한다.

회절 격자 및 광택 격자

그레이팅 단색기는 일반적으로 마스터 그레이팅에서 제조된 복제 그레이팅을 사용하여 자외선, 가시 및 적외선을 분산시킵니다.마스터 그레이팅은 광학적으로 평평한 단단한 표면으로 구성되며 다수의 평행하고 촘촘한 홈이 있습니다.마스터 그레이팅의 시공은 길고 비용이 많이 드는 공정입니다. 홈은 크기가 동일해야 하며, 정확히 평행해야 하며, 그레이팅 길이(3~10cm)에 걸쳐 균등하게 간격을 두어야 하기 때문입니다.자외선 및 가시 영역의 격자에는 일반적으로 300~2000개의 홈/mm가 있지만, 1200~1400개의 홈/mm가 가장 일반적입니다.적외선 영역의 경우 격자에는 보통 10 ~[3]200개의 홈/mm가 있습니다.회절 격자를 사용하는 경우, 회절 패턴은 순서가 겹치기 때문에 광대역 단색기 설계에 주의해야 한다.광대역 프리셀렉터필터가 광경로에 삽입되어 회절순서의 폭을 제한하여 겹치지 않도록 하는 경우가 있습니다.이것은 듀얼 흑백 디자인의 흑백기 중 하나로 프리즘을 사용함으로써 이루어질 수 있습니다.

원래의 고해상도 회절 격자가 결정되었다.고품질의 지배 엔진을 구축하는 것은 큰 사업이었고(과거 수십 년간 매우 어려웠을 뿐만 아니라) 좋은 만족감은 매우 비쌌다.규칙 격자에서 삼각형 홈의 기울기는 일반적으로 특정 회절 순서의 밝기를 높이기 위해 조정됩니다.이것은 그레이팅 그레이팅이라고 불립니다.괘선에는 단색기의 유광 레벨을 높일 수 있는 희미한 "유령" 회절 순서를 생성하는 결함이 있습니다.이후의 포토 리소그래피 기술은 홀로그래픽 간섭 패턴으로부터 격자를 작성할 수 있도록 한다.홀로그래픽 격자는 정현파 홈을 가지고 있기 때문에 밝지는 않지만 블래이징 격자에 비해 산란 광도가 낮습니다.단색기에 실제로 사용되는 거의 모든 그레이팅은 규칙이나 홀로그래픽 마스터 그레이팅의 복제품이다.

프리즘

단일 프리즘을 사용하는 반사 단색기의 내부 구조입니다.노란색 선은 빛의 경로를 나타냅니다.

프리즘은 UV 영역에서의 분산이 더 높습니다.프리즘 단색기는 주로 UV 영역에서 작동하도록 설계된 일부 기기에서 선호됩니다.그러나 대부분의 흑백화기는 격자를 사용한다.일부 단색기에는 다른 스펙트럼 영역에서 사용하기 위해 선택할 수 있는 몇 가지 격자가 있습니다.프리즘과 그레이팅 단색기를 직렬로 배치하여 만든 이중 단색기는 일반적으로 단일 그레이팅 순서를 분리하기 위해 추가 대역 통과 필터가 필요하지 않습니다.

초점 거리

단색기가 생성할 수 있는 색 대역의 협소함은 단색기 콜리메이터의 초점 거리와 관련이 있습니다.더 긴 초점거리 광학 시스템을 사용하면 불행히도 광원으로부터 받아들여질 수 있는 빛의 양을 줄일 수 있습니다.초고해상도 흑백기는 초점 거리가 2미터일 수 있습니다.이러한 단색기를 구축하려면 기계적 및 열적 안정성에 각별한 주의가 필요합니다.많은 애플리케이션에서 초점 거리가 약 0.4m인 흑백기는 뛰어난 해상도를 가진 것으로 간주됩니다.많은 단색기는 초점 거리가 0.1미터 미만이다.

슬릿 높이

가장 일반적인 광학 시스템은 구형 콜리메이터를 사용하기 때문에 슬릿 이미지가 초점을 맞추는 필드를 곡선화하는 광학 수차를 포함하고 있으며, 따라서 슬릿은 이미지의 곡률을 근사하기 위해 단순한 직선 대신 곡선 처리되기도 합니다.이를 통해 높은 스펙트럼 분해능을 유지하면서 더 많은 빛을 모으면서 더 높은 슬릿을 사용할 수 있다.일부 설계에서는 다른 접근법을 사용하여 트로이덜 콜리메이션 미러를 사용하여 곡률을 보정하여 분해능을 희생하지 않고 더 높은 직선 슬릿을 허용합니다.

파장 대 에너지

단색기는 파장 단위로 보정되는 경우가 많습니다.격자의 균일한 회전은 파장의 사인파 변화를 일으키며, 이는 작은 격자의 각도에 대해 거의 선형이기 때문에 이러한 기기를 쉽게 구축할 수 있다.연구되고 있는 많은 기초적인 물리적 현상들은 에너지에서 선형이며, 파장과 에너지는 상호 관계를 가지고 있기 때문에, 에너지의 함수로 플롯될 때 단순하고 예측 가능한 스펙트럼 패턴은 파장의 함수로 플롯될 때 왜곡된다.일부 단색기는 상호 센티미터 또는 기타 에너지 단위로 보정되지만, 눈금은 선형적이지 않을 수 있습니다.

다이내믹 레인지

고품질의 이중 단색기로 제작된 분광 광도계는 기기가 약 100만 배의 좁은 광학 감쇠 대역(6AU, 흡광도 단위)을 측정할 수 있을 만큼 충분한 순도와 강도를 가진 빛을 생성할 수 있습니다.

적용들

단색기는 많은 광학 측정 기기 및 조정 가능한 단색 빛이 필요한 다른 용도로 사용됩니다.단색의 빛이 샘플을 향해서 반사되거나 투과된 빛을 측정하는 경우도 있습니다.때때로 흰색 빛이 샘플을 향해서 반사되거나 투과된 빛을 분석하기 위해 흑백기를 사용합니다.형광계에는 두 개의 단색기가 사용됩니다.한 개의 단색기는 들뜸 파장을 선택하기 위해 사용되고 두 번째 단색기는 방출된 빛을 분석하기 위해 사용됩니다.

자동주사분광계는 흑백기에 의해 선택된 파장을 변화시켜 그 파장의 함수로서 측정량의 변화를 기록하는 기구를 포함한다.

촬상 장치가 출구 슬릿을 대체할 경우, 그 결과는 분광기의 기본 구성이 됩니다.이 구성을 통해 광범위한 색 대역의 강도를 동시에 분석할 수 있습니다.예를 들어 사진필름 또는 광검출기 배열을 사용하여 빛을 수집할 수 있다.그러한 기기는 분해능 또는 감도 측면에서 트레이드오프가 있을 수 있지만 기계적 스캔 없이 스펙트럼 기능을 기록할 수 있다.

흡수 분광 광도계는 파장의 함수로서 시료에 의한 빛의 흡수를 측정한다.때로는 그 결과가 전송률로 표현되기도 하고, 때로는 전송의 역대수로 표현되기도 합니다.Beer-Lambert 법칙은 빛의 흡수를 광흡수 물질의 농도, 광로 길이 및 몰 흡수성이라고 하는 물질의 고유 특성과 관련짓습니다.이 관계에 따라 강도 감소는 집중력 및 경로 길이에서 기하급수적으로 나타난다.전송의 역대수를 사용하면 이러한 양에서 감소는 선형적입니다.이 값에 대한 기존 명명법은 광학 밀도(OD)였고, 현재 명명법은 흡광도 단위(AU)입니다.1AU는 빛의 강도를 10배 낮춘 것입니다.6AU는 백만배 감소입니다.

흡수 분광 광도계에는 시료에 빛을 공급하는 단색기가 포함되어 있는 경우가 많습니다.일부 흡수 분광 광도계는 자동 스펙트럼 분석 기능을 가지고 있다.

흡수 분광 광도계는 화학, 생화학, 생물학에서 일상적으로 많이 사용됩니다.예를 들어 빛을 흡수하는 많은 물질의 농도나 농도 변화를 측정하는 데 사용됩니다.많은 생물학적 물질, 예를 들어 많은 효소의 임계 특성은 연구 [4]대상 물질의 존재 또는 활성에 따라 달라지는 색 변화를 일으키는 화학 반응을 시작함으로써 측정됩니다.광학 온도계는 온도에 대한 재료의 흡광도 변화를 교정하여 만들어졌습니다.그 밖에도 많은 예가 있다.

분광광도계는 거울의 반사율과 색상의 물체의 확산 반사율을 측정하기 위해 사용된다.선글라스, 레이저 보호 안경 및 기타 광학 필터의 성능을 특징짓는 데 사용됩니다.그 밖에도 많은 예가 있다.

가시광선 및 근적외선(IR)에서 흡광도 및 반사광도계는 보통 단색광으로 샘플을 비춥니다.해당 IR 기기에서는 보통 흑백기를 사용하여 샘플에서 나오는 빛을 분석합니다.

단색기는 빛의 색이 중요한 변수인 경우 단순한 흡수나 반사 이외의 다른 현상을 측정하는 광학 기기에도 사용됩니다.예를 들어 원형 이색성 분광기는 단색기를 포함한다.

레이저는 여기서 설명하는 광학 단색계보다 훨씬 더 단색인 빛을 발생시키지만, 일부 레이저만 쉽게 조정할 수 있고, 이 레이저들은 사용이 그리 간단하지 않습니다.

단색 빛은 영상 장치(예: CCD 또는 CMOS 이미저)의 양자 효율성(QE)을 측정할 수 있습니다.출구 슬릿으로부터의 빛은, 교정된 검출기가 동시에 빛을 측정하는 동안, 확산기 또는 적분구 중 하나를 개입시켜 촬상 소자에 건네진다.이미저, 보정된 검출기 및 흑백기를 조정하면 주어진 파장 QE의 광자에 대해 생성된 반송파(전자 또는 구멍)를 계산할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

  • 원자 흡수 분광계는 철, 납 또는 칼슘과 같은 특정 원소의 원자에 의해 생성된 빛을 방출하는 중공 음극 램프의 빛을 사용합니다.사용 가능한 색상은 고정되어 있지만 매우 단색이며 샘플 내 특정 원소의 농도를 측정하는 데 탁월합니다.이러한 계측기는 매우 고품질의 흑백기를 내장한 것처럼 동작하지만, 장착된 요소를 분석하는 데만 사용됩니다.
  • 주요 IR 측정 기법인 푸리에 변환 IR 또는 FTIR은 단색기를 사용하지 않습니다.대신 필드 자기 상관 기법을 사용하여 시간 영역에서 측정이 수행됩니다.
  • 폴리크로메이터
  • 초고속 단색기– 초단파 펄스를 늘리기 쉬운 패스 길이 지연을 보완하는 단색기
  • 빈 필터 – 모든 전자가 거의 동일한 에너지를 갖는 "단색" 전자 빔을 생성하는 기술

레퍼런스

  1. ^ Czerny, M.; Turner, A. F. (1930). "Über den astigmatismus bei spiegelspektrometern". Zeitschrift für Physik. 61 (11–12): 792–797. Bibcode:1930ZPhy...61..792C. doi:10.1007/BF01340206. S2CID 126259668.
  2. ^ Keppy, N. K. and Allen M., Thermo Fisher Scientific, Madison, WI, USA, 2008
  3. ^ Skoog, Douglas (2007). Principles of Instrumental Analysis. Belmont, CA: Brooks/Cole. pp. 182–183. ISBN 978-0-495-01201-6.
  4. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL 등분자 세포 생물학.제4판뉴욕: W. H. 프리먼, 2000년섹션 3.5, 단백질의 정제, 검출 및 특성화.입수처: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21589/

외부 링크