UV spektroradiometry a optické spektrometry

UV spektroradiometry a optické spektrometry zaznamenávají záření s rozlišením podle vlnové délky. To umožňuje vyhodnotit spektrální rozdělení, polohu maxima, šířku pásma a spektrální změny UV zdroje. Absolutní ozářenost navíc vyžaduje radiometrickou kalibraci celého měřicího řetězce. Výběr se řídí především rozsahem vlnových délek, spektrálním rozlišením, dynamickým rozsahem, chováním rozptýleného světla a měřicí geometrií.

Portfolio zahrnuje přenosné UV spektroradiometry UVpad a UVpad E a dále řádkový spektrometr SR900 pro výzkum, vývoj a zajišťování kvality. Běžně se používá také označení spektroradiometr a obecný pojem spektrální měřicí přístroj – jde o tentýž přístroj.

Všechny tři přístroje jsou absolutně kalibrované; kalibrace probíhá v naší laboratoři akreditované podle ISO 17025 a je metrologicky navázána na PTB. Příslušné veličiny a jednotky jsou uvedeny v části radiometrické veličiny, hranice rozsahů v části spektrální rozsahy a normy.

Oba pojmy popisují stejné optické řešení, ale dvě různé měřicí úlohy. Rozdíl nespočívá v optice, nýbrž v kalibraci a vstupní geometrii: spektrometr rozkládá světlo a poskytuje relativní křivku. Spektroradiometr je absolutně kalibrovaný spektrometr – udává spektrální ozářenost ve W/(m²·nm) a z ní mW/cm², lux nebo PPFD.

Kdo potřebuje ozářenost nebo dávku, potřebuje spektroradiometr; vše ostatní měří relativně. Každý přístroj v této kategorii je spektroradiometr. Pro měření transmise a UVT v procesu – což je úloha spíše fotometrická než radiometrická – nabízí Opsytec procesní fotometr ZPM.

Spektrometr poskytuje counts – čísla, která závisejí na detektoru, integrační době, vstupní štěrbině a světlovodu. Vypovídají o tom, kde zdroj vyzařuje, nikoli kolik. Teprve absolutní kalibrace proti etalonu přiřadí každé vlnové délce fyzikální hodnotu a změní křivku ve měření.

K tomu jsou potřeba tři věci, a samotný spektrometr nemá ani jednu z nich:

• Návaznou kalibraci proti etalonu, který sám vede k národnímu institutu – u Opsytec k PTB. Bez ní není hodnota srovnatelná, a to ani s vaším vlastním přístrojem z loňského roku.
• Definovanou vstupní optiku. Ozářenost je výkon na jednotku plochy, přístroj tedy musí snímat známou plochu s kosinově správným vážením. Světlovod bez difuzoru to nedokáže.
• Korekci rozptýleného světla. V oblasti UV-C je signál často o několik řádů slabší než ve viditelné oblasti. Bez korekce tam měříte převážně rozptýlené světlo z vnitřku přístroje.

Širokopásmový radiometr měří rychleji, stojí méně a je odolnější v každodenním provozu; záření však váží vlastní spektrální citlivostí a je správný pouze tehdy, když se zdroj podobá kalibračnímu zdroji. Pro průběžné sledování známé instalace zůstává správnou volbou – právě k tomu slouží širokopásmové radiometry pro kontrolu procesu a dávky.

Jakmile se zdroj změní, je nutné posuzovat několik vlnových délek odděleně nebo použít akční spektrum, není cesta okolo spektra. Úplné vzájemné srovnání obou konstrukcí včetně jejich zdrojů chyb je uvedeno v části kdy je spektroradiometr nezbytný.

První otázka: potřebujete absolutní hodnotu? Pokud jde jen o polohu maxima, o FWHM nebo o porovnání dvou šarží, postačí relativní měření – vystačí spektrometr. Jakmile má vyjít hodnota v mW/cm², luxech nebo J/cm², není cesta kolem absolutní kalibrace.

Druhá otázka: jaký rozsah vlnových délek? Čistě UV do 440 nm, UV plus začátek viditelné oblasti do 480 nm, nebo celé optické spektrum do 1 100 nm – to rozhoduje o přístroji.

Třetí otázka: kde se měří? Z uzavřené komory nevede žádný kabel; tam musí přístroj měřit a ukládat autonomně. Na pracovišti nebo na běžící lince je správná senzorová hlavice na kabelu. Na optické lavici se počítá rozsah a rozlišení, nikoli velikost.

Poslední řádek není rozporem, nýbrž v praxi nejčastější odpovědí: změřte jednou spektrálně, poté monitorujte širokopásmově. Spektrální měření určí, jak se širokopásmový senzor u tohoto zdroje odchyluje; poté pro opakované kontroly postačí rychlý přístroj – pokud zdroj zůstane stejný. Jakmile lampu vyměníte, celý řetězec začíná znovu.

Spektrometr rozkládá světlo na jednotlivé vlnové délky a měří intenzitu každé z nich. Nejprve je ozářena vstupní optika. Disperzní prvek – hranol nebo mřížka – prostorově odděluje vlnové délky; ty jsou následně detekovány fotodiodami nebo CCD poli. Získané spektrum umožňuje vyvodit závěry o lampě, LED nebo vzorku.

Nejběžnějším uspořádáním je spektrometr typu Czerny-Turner: dvě zrcadla a mřížka uspořádané tak, aby optické vady zůstaly malé a spektrální rozlišení vysoké. Toto uspořádání je dostatečně kompaktní pro mobilní přístroje a malé laboratorní stoly.

Je třeba rozlišovat tři konstrukce.

Spektrometry s polem detektorů využívají řadu detektorů, obvykle CCD nebo CMOS, které zachytí celé spektrum najednou. Měření je tak rychlé a nevyžaduje žádné pohyblivé části. Všechny spektroradiometry Opsytec pracují tímto způsobem.

Monochromátory mají štěrbinu a otočnou mřížku a propouštějí vždy jen jednu vlnovou délku. Měří velmi přesně a s vysokou spektrální čistotou, potřebují však čas – jedna vlnová délka po druhé. Typické pro výzkum a kontrolu kvality, kde je rozhodující výběr vlnové délky.

Dvojité monochromátory řadí dva monochromátory za sebou. To dále snižuje rozptýlené světlo a je to nezbytné všude tam, kde velmi slabé signály leží vedle silných – v UV oblasti a ve vysoce přesné laboratorní metrologii.

Jediné spektrum poskytuje několik veličin:

• Osvětlenost – fotometricky vážená intenzita světla
• Náhradní teplota chromatičnosti (CCT) – popisuje, jak teple nebo chladně světlo působí
• Indexy podání barev – jak věrně zdroj podává barvy
• Barevné souřadnice CIE – poloha barvy ve standardním barevném prostoru
• Spektrální rozložení výkonu – jak je energie rozložena ve spektru
• Špičková a dominantní vlnová délka – kde leží nejvyšší a vizuálně převažující energie

Širokopásmový radiometr oproti tomu vrací jedinou hodnotu.

Význam jednotlivých veličin je vysvětlen v části kolorimetrické veličiny; značka, jednotka a definice každé optické veličiny jsou uvedeny ve slovníku optických veličin.

Pojem spektrometr sahá daleko za měření světla. Tři typy přístrojů se pravidelně objevují ve stejném vyhledávání a měří přitom něco zcela odlišného:

Hmotnostní spektrometry oddělují ionty podle poměru jejich hmotnosti k náboji. Identifikují nejmenší množství látky a používají se v chemické analýze, biochemii, environmentálních vědách a farmaceutickém průmyslu.

Atomové absorpční spektrometry měří, jak odpařené atomy kovů pohlcují světlo, a z toho stanovují koncentrace kovů v roztoku – environmentální analýza, toxikologie a materiálové vědy, především u těžkých kovů.

Spektrofotometry, často nazývané UV-Vis spektrometry, měří absorpci nebo transmisi vzorku a odvozují z ní koncentrace. Jsou rozšířené v klinické diagnostice, analýze vody a kontrole potravin. Pro transmisi a UVT v procesu nabízí Opsytec procesní fotometr ZPM.

Spektroradiometr naproti tomu měří spektrální ozářenost na základě absolutní kalibrace. Jeho vstupní optikou je difuzor, obvykle připojený světlovodem – jako u spektroradiometru SR900.

Čím se liší spektrometr od spektroradiometru?
Spektrometr poskytuje relativní hodnoty; spektroradiometr je absolutně kalibrovaný a poskytuje spektrální ozářenost. Každý přístroj v této kategorii je spektroradiometr.

Jaký rozsah vlnových délek a jaké rozlišení potřebuji?
Rozsah musí plně pokrýt emisi i případná vedlejší pásma – pouze UV do 440 nm, UV plus začátek viditelné oblasti do 480 nm, nebo celé optické spektrum do 1 100 nm. Rozlišení rozhoduje o tom, zda budou blízko sebe ležící píky či úzké čáry ještě rozlišeny.

Jaké chyby měření se vyskytují u polem osazených (array) spektrometrů?
Především rozptýlené světlo: části silných vlnových délek se objevují tam, kam nepatří. V oblasti UV-C bývá signál o řády slabší než ve viditelné oblasti – bez korekce rozptýleného světla se tam měří převážně vlastní rozptýlené světlo přístroje. K tomu přistupuje temný proud, nelinearita a teplotní drift.

Jaké veličiny lze ze spektra vypočítat?
Ze spektrální ozářenosti získáte integrací a vážením téměř libovolnou charakteristickou hodnotu: ozářenost pro jednotlivé spektrální rozsahy, UV dávku, osvětlenost přes V(λ), PPFD a akčně vážené hodnoty, například podle IEC 62471. Právě v tom spočívá výhoda oproti širokopásmovým radiometrům pro kontrolu procesu a dávky.

Najděte správný senzor: Vyhledávač UV senzorů navrhne tři nejvhodnější UV senzory a měřicí přístroje podle aplikace, vlnové délky a konstrukčního provedení – včetně klíčových hodnot, systémového partnera a zdůvodnění.