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光谱辐射计中的杂散光抑制校正

文章出处:技术知识 责任编辑:深圳市广陵达科技有限公司 发表时间:2019-01-16 10:17:36

      杂散光影响的概述以及在阵列光谱仪/阵列光谱辐射计中减少杂散光的方法


      1. 简要说明

      本文重点概述杂散光的成因、其对光谱辐射计测量精度的影响以及杂散光抑制的不同方法。它详细描述了不同应用的不同杂散光抑制要求。


      注意:本文中经常使用术语“光谱辐射计”。光谱辐射计是一种经过辐射校准的光谱仪,其功能基于相对测量。


      2. 简介

      这里讨论的杂散光也称为“假”光,是在光谱仪测量期间除了专用于所选波长范围的测量信号之外检测到的信号。这些信号无法分离,因此杂散光会严重扭曲测量结果。测量中的杂散光量很大程度上取决于光源和光谱仪本身。在光谱仪装置内部,杂散光可能源自:

      • 光学衍射光栅(凹槽光栅)处的散射;

      • 光学衍射光栅的0级干涉;

      • 高阶光学衍射光栅的外观;

      • 镜子、探测器、光栅、入口狭缝、外壳之间的相互反射;

      • 光学不完美表面的漫反射;

      • ETC。


      下图显示了使用分光辐射度计在使用和不使用 Schott GG475 边缘滤光片的情况下进行的卤素灯测量。

图 1:使用/不使用 GG475 过滤的卤素灯测量结果(线性视图)

图 1:使用/不使用 GG475 过滤的卤素灯测量结果(线性视图)


      由于GG475滤掉了475 nm以下的短波光谱范围内的信号,因此可以得出结论,在边缘以下检测到的信号是由杂散光+噪声引起的。由于使用线性标度很难识别,因此建议使用对数视图。理想的过滤功能以绿色显示。

图 2:使用 GG475 过滤的卤素灯测量结果(对数视图)

图 2:使用 GG475 过滤的卤素灯测量结果(对数视图)


      这意味着在本次测量中,来自卤素灯的强宽带信号(波长高于 475 nm)几乎不会产生低于 475 nm 的杂散光。因此,在此波长下检测到的信号由杂散光和噪声组成。


      相比之下,图 3 显示了类似场景(使用 OG515 滤光片代替 GG475)的测量数据,但使用的测量设备在杂散光抑制方面优化较差。可以看出,杂散光的量明显更高,尽管在这种情况下杂散光的可能性实际上较小,因为 OG515 滤光片比 GG475 更有效。这种较差的杂散光抑制对此类测量的测量精度(包括例如色度值)具有负面影响。

图 3:使用 OG515 过滤的卤素灯测量结果(对数视图),分光辐射度计对于杂散光抑制并不理想

图 3:使用 OG515 过滤的卤素灯测量结果(对数视图),分光辐射度计对于杂散光抑制并不理想


      然而,如果将这些数据与红色 LED(同一光谱仪)的测量进行比较,您会发现在红色 LED 的测量中,杂散光水平低于 475 nm(红色 LED 没有该波长的信号) ) 明显较低(LED 为 2E-5,而卤素灯为 6E-4):

图 4:红色 LED 的测量

图 4:红色 LED 的测量


      这意味着杂散光的水平还取决于被测测量光源的光谱分布。


      在 LED 测量中,除了 LED 峰值之外还显示额外的信号电平,这不仅是因为杂散光,还因为光谱仪的噪声。这里,16 位 ADC 的噪声计数为 1 意味着 1:65536 动态范围,对应于 6E-4。对于光谱辐射计,可实现的基本测量动态范围受到 ADC 分辨率和信噪比的限制。理想情况下,杂散光水平应小于 ADC 分辨率。


      这就引出了一个问题:什么时候杂散光在测量中很重要?不幸的是,这个问题没有通用的答案。这取决于应用和相应的测量要求。以下是可以遵守的两条准则:

      • 所需的动态范围越大,确保足够的杂散光抑制就越重要。如果部分相关频谱的信号相对较弱,这一点尤其重要。这是因为杂散光对弱信号的影响比对强信号的影响大得多。紫外区域的测量精度通常受到杂散光而非仪器灵敏度或噪声的限制。

      • 光源的光谱分布越复杂,确保足够的杂散光抑制就越重要。与太阳、卤素灯和白光 LED 等宽带光源相比,激光和单色 LED 等光源的窄光谱分布产生的杂散光非常少。


      杂散光会导致测量不确定度,根据 CIE S025 或 CIE 198 的规定,在计算测量不确定度时必须考虑杂散光。由于杂散光的量取决于被测光谱分布和光谱仪的设计,因此必须进行计算适用于每个特定的光谱辐射计和测量应用。


      注意:这些计算需要光谱辐射计的多个规格和特征。此外,计算光谱辐射测量中测量不确定度的模型非常复杂。 Gigahertz-Optik GmbH 是值得信赖的合作伙伴,可为您提供符合您要求的理想、快速的解决方案。


      3、杂散光抑制方法

      本章详细介绍了减少光谱辐射计杂散光的一些不同方法。


      3.1 光学设计

      先决条件是正确设计的光谱仪单元。由于必须仔细考虑光束路径的复杂性,光学模拟通常用于优化现代光谱辐射计。通过此类模拟,可以优化光谱辐射计以满足最高要求。例如,必须优化图像清晰度,阻挡 0 阶,并努力从通往探测器的光束路径中去除更高阶。


      除了设计之外,光学元件的选择也至关重要。镜面涂层的质量决定了漫反射辐射的比例以及由此产生的杂散光量。同样,光栅的质量对于最大限度地减少杂散光也至关重要。


      注:Gigahertz-Optik 在光谱仪开发方面拥有多年经验,并使用 ZEMAX 优化其光谱仪单元。此外,每个单元都必须经过漫长而彻底的开发和鉴定过程,其中所有光学元件和性能都经过测试和优化。


      3.2 数学校正(杂散光矩阵)

      借助可调谐激光器(OPO 光学参量振荡器),光谱仪可以在任何波长下进行分析和表征。因此,可以在每个波长处确定LSF(线扩展函数),它们一起形成光谱仪的SDF(信号分布函数)特征矩阵。这意味着从测量中收集的数据可用于表征设备及其基于波长的杂散光特性。

图 5:使用 OPO 测量的光谱辐射计的 LSF

图 5:使用 OPO 测量的光谱辐射计的 LSF

图 6:LSF 矩阵表示

图 6:LSF 矩阵表示


      通过 SDF 数据和来自被测光源的测量数据,根据(Zong 等人,2006)或(Nevas 等人,2012)的数学校正方法可用于不同的应用。在这里,必须对每次测量进行数学校正,因此良好的软件实现至关重要。此外,制造商必须拥有 OPO,以便精确执行测量,而无需过多的外推和模型假设。光谱辐射计还必须保持稳定(随着时间的推移),杂散光矩阵才能在有用的时间段内有效。如果是这种情况,则数学杂散光校正的质量可以描述如下。杂散光水平可减少约 1 或 2 个数量级,如下例所示:

图 7:应用于白光 LED 测量的数学杂散光校正(绿色已校正,蓝色未校正)

图 7:应用于白光 LED 测量的数学杂散光校正(绿色已校正,蓝色未校正)

      注意:(Nevas 等人,2012)方法还执行光学带宽校正。或者,也可以使用(Zong 等人,2006)方法并与 CIE 214 光学带宽校正相结合。 Gigahertz-Optik 提供这两种方法。


      然而,这种方法有一个局限性——必须在探测器的整个光谱范围内测量LSF,以实现最佳的杂散光抑制(即光谱辐射计也应覆盖该范围)。对于硅基探测器,该范围为 200 nm 至 1100 nm。如果不测量所有功能,则只能校正部分杂散光!


      注:Gigahertz-Optik 为其BTS2048 系列高端光谱仪提供杂散光矩阵作为标准选项。数学应用程序完全集成在 S-BTS2048 软件以及 S-SDK-BTS2048 中。杂散光校正的表征和校准数据保存在设备上,以便用户轻松访问。用户无需采取额外措施。


      3.3 光学滤波

      众所周知的紫外线范围杂散光校正方法是基于长通滤光片,例如肖特 GG435。 GG435 用于在校准期间执行附加测量,直接确定 OoR 杂散光量。然后可以从原始数据中减去该信号,从而应用于所得的校准数据。该方法可以减少杂散光影响的校准,但其他光源的后续测量仍可能具有不同的杂散光影响。


      优化杂散光抑制(尤其是在临界紫外线范围内)的创新方法是将分光辐射度计与设备内的多个光学长通滤光片和带通滤光片结合起来。带通滤光片基本上允许单阵列光谱辐射计近似为双单色仪,因为带通滤光片显着减少进入光谱辐射计的辐射,从而减少杂散光产生的可能性。通过使用长通滤波器,可以在校准期间和每次测量时应用上述方法。


      理想情况下,如果要覆盖大光谱范围,则必须使用不同的滤光片,以确保最佳的杂散光抑制。实现这一目标需要集成的快速滤光轮、有关滤光技术的丰富专业知识和功能强大的软件,因为必须智能地组合多个单独的测量步骤以产生最终测量。一个用户友好的系统要求所有这些都由软件自动实现。


      注:利用这项技术,Gigahertz-Optik GmbH 开发了一种用于杂散光抑制的最佳优化的紫外分光辐射度计,并且几乎可以作为完美的双单色仪 – BTS2048 -UV-S。

图 8:BTS2048-UV-S与双单色仪的比较。

图 8:BTS2048-UV-S与双单色仪的比较。在 3 s 的测量时间内,太阳边缘的分辨率可达 10E-5(与双单色仪的 90 s 相比)。


      4. 杂散光抑制要求取决于应用

      不同的应用对杂散光抑制的要求有所不同。正如前一章所解释的,良好的杂散光抑制可能会带来一些复杂性和成本。因此,这些应该很好地匹配特定的应用要求。本章提供了几个典型应用领域的指导。


      4.1 LED 的测量(例如分档)

      对于大多数需要在可见光 (VIS) 范围内测量单色 LED 的应用,使用具有良好光学性能的高质量光谱辐射计进行标准杂散光抑制就足够了。如果例如 CIE1931 色度坐标 (x,y) 的精度达到 ±0.0020 就足够了,那么这对于白色 LED 的测量也足够了。对带有和不带有数学杂散光校正的白光 LED 进行的测量表明,通过校正,颜色位置的精度可以提高约 0.0005。这意味着在需要精度的情况下,数学杂散光校正可能是一个不错的选择。


      4.2 UV LED 的测量

      对于 LED 测量,通常使用针对可见光谱范围进行优化的光谱辐射计。因此,它们在紫外范围内的杂散光抑制通常不够充分,从而导致较大的测量不确定性。然而,此类测量的结果和所需的杂散光抑制取决于预期应用和可用的边界条件。在只有 UV LED 的暗室或积分球中,杂散光的影响可能不太明显。然而,如果存在环境光,则必须充分抑制杂散光。在测量具有不可忽略的紫外线含量的白光 LED 时,尤其应考虑这一点。因此,建议至少使用一种可用于紫外/可见分光辐射度计的杂散光校正方法。如果适用,应使用专为紫外线范围开发的分光辐射计。


      注意:在大多数情况下,纯 VIS 设备的响应度对于 UV 范围并不理想,这会增加测量的不确定性。凭借BTS2048-VL-TEC或BTS2048-UVVISNIR和数学杂散光校正,Gigahertz-Optik 提供了一款良好的通用设备,其特点是高响应度和高杂散光抑制,即使在紫外线范围内也是如此。BTS2048-UV、BTS2048-UV-2和BTS2048-UV-S完美补充了这一点,可实现高质量的 UV 测量。


      4.3 一般照明

      第 4.1 节中提到的相同论点适用于实验室和生产测量。然而,手持式测量设备需要不同的测量方法。保持这些设备紧凑的需要对杂散光抑制方面的光学设计提出了额外的挑战。 “微型光谱仪”的尺寸非常小,不太适合抑制杂散光,因此可能导致仪器不适合精确的颜色测量。但是,它们非常适合快速、现场测试测量,其中要求是很不一样。高品质手持设备拥有成熟的光谱仪单元,可与实验室仪器完美匹配,并提供准确的现场测量结果。这些高质量的手持设备还应该进行温度校正,并提供可重复且稳定的测量结果!


      注:Gigahertz-Optik 提供经过校正的 MSC15 微型光谱仪,它完全满足低预算设备的所有要求。此外,BTS256-EF高品质设备完美完善了我们的手持设备产品组合。这些保证了足够的杂散光抑制并支持许多额外功能,例如 Wi-Fi 和闪烁测量。


      4.4 太阳能测量

      对于太阳和日光的测量,确定要测量太阳光谱的哪些部分非常重要。如果您只需要来自 VIS 和 NIR 的信息,则必须考虑第 4.1 节中的论点。然而,如果对紫外线范围特别感兴趣,则需要针对紫外线范围进行优化的高质量光谱辐射计来进行紫外线指数、红斑和臭氧测量等。在此类应用中,VIS 通用设备很快就会暴露出其在杂散光抑制方面的局限性。 (Egli et al., 2016) 等人的出版物证实了这一点。此外,由于通常需要较长的测量序列,因此设备必须具有温度稳定性和防风雨性能。


      注: Gigahertz-Optik 的BTS2048-UV-S-WP、  BTS2048-VL-TEC-WP和BTS2048-IR-WP设备可保证从深紫外到近红外的宽光谱范围内进行高质量测量。


      4.5 辐射防护/职业安全/高功率紫外线测量

      与第 4.4 节中描述的论点相同的论点也适用于此类测量。需要充分的杂散光抑制来防止任何杂散结果,特别是对于红斑和 ICNIPR 测量或有关人工光辐射指令 2006/25/EC 或 DIN EN 62471 光生物安全性的评估。


      5. 结论

      总之,杂散光对测量不确定度的影响不容忽视。应根据各自的应用及其要求来选择用于杂散光抑制的方法。例如,紫外范围内的测量通常需要比可见光范围内更广泛的抑制方法。杂散光效应的程度是设备规格,必须由制造商表征。此外,杂散光的量还取决于被测光源的光谱分布。


      对于用户而言,拥有全面专业知识、有效建议以及具有适当测量技术(例如可调谐激光器(OPO))和经过认可的校准实验室的连贯产品组合的合作伙伴至关重要。


      请参阅我们的BTS2048 系列,该系列在全球范围内使用,并受到工业、科学和许多 NMI 等的认可。


 

      6. 参考文献

      • Egli L、Gröbner J、Hülsen G、Bachmann L、Blumthaler M、Dubard J、Khazova M、Kift R、Hoogendijk K、Serrano A、Smedley A 和 Vilaplana JM 2016 使用阵列光谱辐射计 Atmos 测量的太阳紫外线辐照度的质量评估。测量。技术。 9 1553-67

      • Nevas S、Wübbeler G、Sperling A、Elster C 和 Teuber A 2012 同时校正阵列光谱辐射计数据中的带通和杂散光效应 Metrologia 49 S43

      • Zong Y, Brown SW, Johnson BC, Lykke KR 和 Ohno Y 2006 阵列光谱辐射计的简单光谱杂散光校正方法选择。 45 1111-9

      • CIE 127,LED 测量

      • CIE 198,光度测定中测量不确定度的确定

      • CIE 214,仪器带通功能的影响

      • CIE S025,LED 灯、LED 灯具和 LED 模块的测试方法。


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