분광 방사선계

분광방사선계는 광원에서 방출되는 빛의 파장과 진폭을 모두 측정할 수 있는 광 측정 도구입니다.분광계는 검출기 어레이에 빛이 닿는 위치에 근거해 파장을 판별해, 1회의 수집으로 풀 스펙트럼을 얻을 수 있다.대부분의 분광계에는 카운트의 기본 측정값이 있으며, 이는 교정되지 않은 판독값이며, 따라서 각 파장에 대한 검출기의 감도에 의해 영향을 받는다.교정을 적용함으로써 분광계는 스펙트럼 조사 강도, 스펙트럼 방사 강도 및/또는 스펙트럼 플럭스의 측정을 제공할 수 있다.그런 다음 이 데이터를 내장 또는 PC 소프트웨어 및 수많은 알고리즘과 함께 사용하여 판독치 또는 방사조도(W/cm2), 조도(lux 또는 fc), 방사조도(W/sr), 휘도(cd), 플럭스(Lumens 또는 Watts), 색도, 색온도, 피크 및 지배 파장을 제공합니다.일부 더 복잡한 분광계 소프트웨어 패키지에서는 거리에 따라 PAR μmol/m²/s, 메타미즘 및 칸델라 계산을 수행할 수 있으며, 2도 및 20도 관찰자, 기준선 오버레이 비교, 투과율 및 반사율 등의 기능이 포함되어 있습니다.

분광계는 다양한 파장 범위를 포함하는 다양한 패키지와 크기로 제공됩니다.분광계의 유효 파장(스펙트럼) 범위는 격자 분산 능력뿐만 아니라 검출기의 민감도 범위에 따라 결정된다.반도체 대역 간격에 의해 제한되는 실리콘 기반 검출기는 200-1100nm에 반응하는 반면 InGaAs 기반 검출기는 900-1700nm(또는 냉각 시 2500nm까지)에 민감합니다.

실험실/연구용 분광계는 UV에서 NIR까지 광범위한 스펙트럼 범위를 커버하며 PC가 필요합니다.냉각 시스템을 작동시키기 위해 더 높은 전력을 필요로 하는 적외선 분광계도 있습니다.많은 분광계는 특정 범위에 맞게 최적화될 수 있습니다.UV(VIS) 또는 VIS를 두 번째 시스템과 조합하여 보다 정확한 측정, 보다 나은 분해능을 실현하고 유광이나 감도 결여 등 광대역 시스템에서 발견되는 보다 일반적인 오류를 제거할 수 있습니다.

또한 휴대용 장치는 UV에서 NIR까지 다양한 스펙트럼 범위에서 사용할 수 있으며 다양한 패키지 스타일과 크기를 제공합니다.내장 디스플레이가 있는 핸드헬드 시스템은 일반적으로 옵티컬(광학식)과 소프트웨어가 미리 프로그래밍된 온보드 컴퓨터가 내장되어 있습니다.미니 분광계는 PC에 의해 전원이 공급되고 제어되며 USB 케이블이 필요하기 때문에 핸드헬드 또는 랩에서 사용할 수도 있습니다.입력광학에는 광섬유 광가이드가 내장되어 있거나 광섬유 광가이드에 의해 일반적으로 부착되어 있습니다.시스템에 통합하거나 단독으로 사용할 수 있는 1/4보다 작은 마이크로 분광계도 있습니다.

배경

분광방사선측정 분야는 좁은 파장 ^[1]간격에서 절대방사선량 측정과 관련이 있다.많은 선원이 라인 구조를 가지고 있기 때문에 좁은 대역폭과 파장 증분으로 스펙트럼을 샘플링하는 것이 유용하다. 분광 방사선 측정에서는 스펙트럼 조사 강도가 바람직한 측정이다.실제로 평균 스펙트럼 조사 강도는 수학적으로 근사값으로 측정된다.

${\displaystyle E(\lambda)=svlac {\Delta A\Delta \phi}{\delta \delta }}$

$여기$서 E$(\displaystyle$ E$)$는 스펙트럼 방사 조도이고,$$$\delta {\displaystyle \mathrm{}}$(\$displaystyle \Phi)$는 파장 간격 δ$(\displaystyle \Delta \lambda$}($$$$SI 단위: 미터, m),$$표면적 $입사{\displaystyle }$(\$displaystyle$: square$)$ 내의 소스(SI 단위: 와트, W)의 방사 플럭스입니다.스펙트럼 조사 강도의 SI 단위는 W/m이다³.그러나 종종 센티미터와 파장의 관점에서 면적을 측정하는 것이 더 유용하기 때문에 예를 들어 μW/cm²*nm의^[3] SI 단위 스펙트럼 조사 강도를 사용한다.

스펙트럼 조사 강도는 일반적으로 표면의 지점마다 달라진다.실제로 복사 플럭스가 방향, 표면의 각 지점에서 선원에 의해 기울어진 고체 각도의 크기 및 표면의 방향에 따라 어떻게 변화하는지가 중요하다.이러한 고려사항을 고려할 때, 이러한^[3] 의존성을 설명하기 위해 보다 엄격한 형태의 방정식을 사용하는 것이 종종 더 신중하다.

접두사 "spectral"은 "spectral concention of (스펙트럼 농도)"의 약자로 이해해야 하며, CIE는 "특정 파장의 어느 한쪽에서 범위에 걸쳐 측정된 방사선량의 지수"^[4]로 정의해야 한다.

스펙트럼 전력 분포

선원의 스펙트럼 전력 분포(SPD)는 특정 파장 및 면적에 걸쳐 센서에 도달하는 플럭스의 양을 나타냅니다.이는 측정하는 방사선량에 대한 파장당 기여도를 효과적으로 나타낸다.소스의 SPD는 일반적으로 SPD 곡선으로 표시됩니다.사회당 곡선, emitted 다양한 파장으로 보이는 spectrum[5]을 가로질러 소스에 의해가 어떤 특정한 색 자극 제대로 운트 렌더링 할 수 있고 하는데, 그것은 가벼운 소스의 능력 색깔을 렌더링 하는 데 평가할 수도 있는 기준 방사 속 모습을 보여 주는 광원의 색 특성의 가시적 표현을 제공한다.음.정말특정 광원

에러의 원인

특정 분광방사계 시스템의 품질은 전자, 광학 컴포넌트, 소프트웨어, 전원 공급 장치 및 교정 기능에 따라 달라집니다.이상적인 실험실 환경에서 고도로 훈련된 전문가와 함께 측정 시 작은 오차(10분의 1에서 몇 퍼센트)를 달성할 수 있습니다.그러나 많은 실제 상황에서는 10% 정도의 오차가 발생할 가능성이 있습니다. 물리적 측정을 할 때 여러 유형의 오차가 작용합니다.측정 정확도의 제한 요인으로 지적된 세 가지 기본적인 오류 유형은 무작위, 체계적, 주기적 오류이다.

• 랜덤 오차는 해당 평균에 대한 변동입니다.분광방사능 측정의 경우 이는 검출기, 내부 전자기기 또는 광원 자체의 소음으로 간주될 수 있다.이 유형의 오류는 더 긴 통합 시간 또는 여러 번의 검색을 통해 해결할 수 있습니다.
• 시스템 오류는 예측된 "올바른" 값에 대한 오프셋입니다.시스템 오류는 일반적으로 이러한 측정의 인체 구성요소, 장치 자체 또는 실험 설정으로 인해 발생합니다.교정 오류, 유광, 잘못된 설정 등 모든 문제가 발생할 수 있습니다.
• 주기적 오류는 반복적인 주기적 또는 유사 주기적 이벤트에서 발생합니다.온도, 습도, 공기 운동 또는 AC 간섭의 변화는 모두 주기적인 ^[6]오류로 분류될 수 있습니다.

이러한 일반적인 오차 발생원과 더불어 분광방사선측정 오류의 몇 가지 구체적인 원인에는 다음이 포함된다.

• 측정의 다차원성입니다.출력 신호는 측정된 플럭스의 크기, 방향, 편파, 파장 분포 등 여러 요소에 따라 달라집니다.
• 계측기의 부정확성 및 해당 계측기의 교정에 사용되는 표준이 계단식적으로 적용되어 전체 측정 과정에서 더 큰 오차가 발생하였습니다.
• 다차원성 및 디바이스 불안정성 ^[3]오류를 줄이기 위한 자체 기술입니다.

캘리포니아에 본사를 둔 광 측정 장치 제조업체인 감마-사이언티픽은 시스템 보정, 소프트웨어 및 전원 공급 장치, 광학 또는 측정 엔진 ^[7]자체 때문에 분광 방사계의 정확도와 성능에 영향을 미치는 7가지 요인을 나열합니다.

정의들

스트레이 라이트

유광은 잘못된 검출기 소자에 도달하는 원치 않는 파장 복사입니다.검출기 배열의 픽셀 또는 요소에 대해 설계된 스펙트럼 신호와 관련이 없는 잘못된 전자 계수를 생성합니다.빛 산란과 불완전한 광학 소자의 반사 및 고차 회절 효과에서 발생할 수 있습니다.검출기 앞에 순서 정렬 필터를 설치하여 2차 효과를 제거하거나 최소한 극적으로 줄일 수 있습니다.

가시성 및 NIR에 대한 Si 검출기의 감도는 UV 범위에서의 감도보다 거의 크기가 크다.즉, UV 스펙트럼 위치에 있는 픽셀은 자체 설계된 스펙트럼 신호에 비해 가시광선 및 NIR의 부유광에 훨씬 더 강하게 반응합니다.따라서 가시 및 NIR 픽셀에 비해 UV 영역의 유광 영향이 훨씬 더 큽니다.이 상황은 파장이 짧을수록 악화됩니다.

검출기 픽셀이 이미 선원으로부터 충분한 UV 신호를 얻는데 어려움을 겪고 있기 때문에 UV 신호 중 작은 비율로 광대역 광선을 측정할 때 때때로 유광 영향이 UV 범위에서 우세할 수 있다.이러한 이유로 QTH 표준 램프를 사용한 교정은 350 nm 이하에서 큰 오차(100% 이상)가 발생할 수 있으며, 이 영역에서 보다 정확한 교정을 위해서는 중수소 표준 램프가 필요합니다.실제로 UV 영역의 절대광 측정은 이러한 픽셀의 전자 계수의 대부분이 부유광(실제 UV가 아닌 더 긴 파장 타격)의 결과일 때 정확한 보정을 하더라도 큰 오차를 가질 수 있습니다.

교정 오류

분광계 교정을 제공하는 회사는 많지만, 모든 회사가 동일한 것은 아닙니다.교정을 수행하기 위해 추적 가능한 인증된 실험실을 찾는 것이 중요합니다.교정 인증서는 사용된 광원(예: 할로겐, 중수소, 제논, LED)과 각 대역(UVC, UVB, VIS 등)에 대한 교정 불확실성을 nm 단위로 또는 측정된 전체 스펙트럼에 대해 명시해야 합니다.또한 교정 불확실성에 대한 신뢰 수준도 나열해야 한다.

잘못된 설정

카메라와 마찬가지로 대부분의 분광계는 사용자가 채취할 샘플의 노출 시간과 양을 선택할 수 있도록 합니다.통합 시간과 스캔 수를 설정하는 것은 중요한 단계입니다.통합 시간이 너무 길면 포화가 발생할 수 있습니다.(카메라 사진에서는 이것이 큰 흰색 점으로 나타날 수 있으며, 분광계에서는 침하 또는 컷오프 피크로 나타날 수 있습니다.)통합 시간이 너무 짧으면 노이즈가 발생할 수 있습니다(카메라 사진에서는 어둡거나 흐릿한 영역일 수 있으며, 분광계에서와 같이 뾰족하거나 불안정한 판독값이 나타날 수 있습니다).

노출 시간은 측정 중에 빛이 센서에 떨어지는 시간입니다.이 파라미터를 조정하면 카메라에 노출 시간을 변경하는 것과 마찬가지로 기기의 전반적인 감도가 변경됩니다.최소 통합 시간은 기기에 따라 다르며, 검색당 최소 0.5밀리초에서 최대 약 10분입니다.실제 설정은 광도에 따라 3~999ms 범위입니다.

통합 시간은 최대 카운트를 넘지 않는 신호(16비트 CCD는 65,536,14비트 CCD는 16,384)에 대해 조정해야 합니다.적분 시간을 너무 높게 설정하면 포화 상태가 발생합니다.일반적으로 최대값의 약 85%의 피크 신호가 좋은 타겟이며 양호한 S/N 비율을 산출합니다.(예: 각각 60,000 카운트 또는 16,000 카운트)

스캔 횟수는 평균화할 측정 횟수를 나타냅니다.다른 조건이 동일할 경우 수집된 스펙트럼의 신호 대 잡음 비(SNR)는 평균 스캔 수 N의 제곱근만큼 개선된다.예를 들어 16개의 스펙트럼 스캔을 평균화할 경우 SNR은 단일 스캔의 4배 향상됩니다.

S/N 비는 분광계의 풀스케일에 도달하는 입력광 레벨에서 측정됩니다.이 광레벨에서 RMS(루트 평균 제곱) 노이즈에 대한 신호 카운트 Cs(일반적으로 풀 스케일)의 비율입니다.이 노이즈는 입력광에 의해 발생하는 카운트와 관련된 암노이즈 Nd, 숏노이즈 Ns를 포함한다.이는 분광계를 통해 빛을 측정할 때 얻을 수 있는 최고의 신호 대 잡음 비율입니다.

구조

분광방사계 시스템의 필수 구성요소는 다음과 같습니다.

• 광원으로부터의 전자파를 수집하는 입력광학(디퓨저, 렌즈, 광섬유 도광)
• 입구 슬릿은 분광계에 들어오는 빛의 양을 결정합니다.슬릿이 작을수록 해상도는 높아지지만 전체적인 감도는 낮아집니다.
• 2차 효과 감소를 위한 정렬 필터 주문
• 콜리메이터는 빛을 그레이팅 또는 프리즘으로 유도합니다.
• 빛의 분산을 위한 격자 또는 프리즘
• 빛을 디텍터에 정렬하기 위한 광학 초점 맞추기
• 검출기, CMOS 센서 또는 CCD 어레이
• 데이터를 정의하고 ^[8]저장하는 제어 및 로깅 시스템입니다.

입력광학

분광 방사계의 프론트 엔드 광학에는, 최초로 시스템에 입사했을 때에 빛을 수정하는 렌즈, 디퓨저, 및 필터가 포함됩니다.방사선의 경우 시야가 좁은 안경이 필요합니다.전체 플럭스의 경우 적분구가 필요합니다.방사선 조도의 경우 코사인 보정 광학이 필요합니다.이러한 요소에 사용되는 재료는 측정 가능한 빛의 유형을 결정합니다.예를 들어 UV 측정에는 정확한 UV ^[8]측정을 위해 유리 렌즈 대신 석영, 광섬유, 테프론 디퓨저 및 황산바륨 코팅 집적구를 사용하는 경우가 많습니다.

단색기

광원의 스펙트럼 분석을 수행하려면 모든 파장의 단색 빛이 광원의 스펙트럼 응답을 생성하기 위해 필요하다.단색기는 소스로부터의 파장을 샘플링하기 위해 사용되며 기본적으로 단색 신호를 생성한다.이는 본질적으로 가변 필터로, 측정된 빛의 전체 스펙트럼에서 특정 파장 또는 파장 대역을 선택적으로 분리 및 전송하고 해당 ^[9]영역 밖에 있는 모든 빛을 제외합니다.

전형적인 단색기는 입구 및 출구 슬릿, 콜리메이션 및 포커스 광학 및 회절 격자 또는 ^[6]프리즘 등의 파장 분산 소자를 사용하여 이를 실현한다.현대의 단색기는 회절 격자로 제조되며, 회절 격자는 분광방사계 응용 분야에서 거의 독점적으로 사용됩니다.회절 격자는 범용성, 낮은 감쇠, 광범위한 파장 범위, 낮은 비용 및 보다 일정한 ^[9]분산으로 인해 선호됩니다.단일 또는 이중 흑백기는 용도에 따라 사용할 수 있습니다.^[8] 이중 흑백기는 일반적으로 격자 사이의 분산과 방해로 인해 보다 정밀도를 제공합니다.

검출기

분광방사선계에 사용되는 검출기는 빛이 측정되는 파장과 측정에 필요한 동적 범위 및 감도에 의해 결정된다.기본적인 분광방사선계 검출기 기술은 일반적으로 광방출 검출기(예: 광전자 증배관), 반도체 장치(예: 실리콘) 또는 열 검출기(예: 열전자)^[10]의 세 가지 그룹 중 하나로 분류된다.

특정 검출기의 스펙트럼 응답은 핵심 물질에 의해 결정된다.예를 들어 광전자 증배관에서 발견되는 광전극은 자외선에 민감하고 가시광선 또는 ^[11]IR의 빛에 반응하지 않는 특정 요소로부터 제조할 수 있다.

CCD(Charge Coupled Device) 어레이는 일반적으로 수천 또는 수백만 개의 개별 검출기 요소(픽셀이라고도 함) 및 CMOS 센서로 구성된 1차원(선형) 또는 2차원(영역) 어레이입니다.여기에는 UV, 가시광선 및 근적외선 측정이 가능한 실리콘 또는 InGaAs 기반 멀티채널 어레이 검출기가 포함됩니다.

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서는 각 포토다이오드에 증폭기를 추가한다는 점에서 CCD와 다르다.증폭기가 픽셀의 일부이기 때문에 이를 활성 픽셀 센서라고 합니다.트랜지스터 스위치는 판독 시 각 포토다이오드를 화소 내 증폭기에 접속한다.

제어 및 로깅 시스템

로깅 시스템은 종종 단순한 개인용 컴퓨터입니다.초기 신호 처리에서는 제어 시스템에서 사용하기 위해 신호를 증폭 및 변환해야 하는 경우가 많습니다.단색기, 검출기 출력 및 컴퓨터 간의 통신선은 원하는 메트릭과 기능이 ^[8]사용되도록 최적화해야 한다.시판되는 분광방사계 시스템에 포함된 소프트웨어에는 CIE 색상 매칭 함수 및 ${\$ \$displaystyle$ \$lambda$ $}$ ^[12]곡선과 같은 측정을 추가로 계산하기 위한 유용한 기준 기능이 포함되어 있는 경우가 많습니다.

적용들

분광방사선계는 많은 용도로 사용되며 다양한 사양에 맞게 제작될 수 있습니다.응용 프로그램의 예는 다음과 같습니다.

• 태양 UV 및 UVB 복사
• LED 측정
• 디스플레이 측정 및 교정
• CFL 테스트
• 오일 슬립^[13] 원격 감지

플랜트 연구 개발

DIY 빌드

광디스크 그레이팅과 기본 웹캠을 사용하여 파장 보정을 위한 CFL 램프를 사용하여 기본 광학 분광계를 ^[15]제작할 수 있습니다.알려진 스펙트럼의 소스를 이용한 교정은 광픽셀의 ^[16]밝기를 해석함으로써 분광계를 분광방사선계로 바꿀 수 있다.DIY 빌드는 포토-값 변환 시 몇 가지 추가 오류 소스(사진 노이즈(암컷 프레임 감산 필요) 및 CCD-사진 변환 시 비선형성(원시 이미지 ^[17]포맷으로 해결 가능)의 영향을 받습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 방사선계
• 분광계
• 분광방사선측정법
• 분광 광도 측정

레퍼런스

외부 링크

• 광량 측정 기본 원리 국제 조명 기술 기사의 기본 원리에 관한 기사
• 분광방사선계 유형