UV-spektroradiometre og optiske spektrometre

UV-spektroradiometre og optiske spektrometre registrerer stråling opløst efter bølgelængde. Det gør det muligt at vurdere en UV-kildes spektrale fordeling, topposition, båndbredde og spektrale ændringer. Absolut irradians kræver desuden en radiometrisk kalibrering af hele målekæden. Valget bestemmes først og fremmest af bølgelængdeområde, spektral opløsning, dynamikområde, streflysegenskaber og målegeometri.

Sortimentet omfatter de bærbare UV-spektroradiometre UVpad og UVpad E samt array-spektrometeret SR900 til forskning, udvikling og kvalitetssikring. Skrivemåderne spektroradiometer og den generiske betegnelse spektralt måleinstrument er også almindelige – der menes det samme instrument.

Alle tre er absolut kalibrerede; kalibreringen foregår i vores laboratorium akkrediteret efter ISO 17025 og er sporbar til PTB. De tilhørende størrelser og enheder er beskrevet under radiometriske størrelser, områdegrænserne under spektralområder og standarder.

Begge betegnelser beskriver samme optiske opbygning, men to forskellige måleopgaver. Forskellen ligger ikke i optikken, men i kalibreringen og indgangsgeometrien: et spektrometer spreder lyset og giver en relativ kurve. Et spektroradiometer er et absolut kalibreret spektrometer – det leverer spektral irradians i W/(m²·nm) og deraf mW/cm², lux eller PPFD.

Har du brug for en irradians eller en dosis, har du brug for et spektroradiometer; alt andet måler relativt. Alle instrumenter i denne kategori er spektroradiometre. Til måling af transmission og UVT i processen – en fotometrisk og ikke en radiometrisk opgave – tilbyder Opsytec procesfotometeret ZPM.

Et spektrometer leverer counts – tal, der afhænger af detektoren, integrationstiden, indgangsspalten og lyslederen. De fortæller, hvor kilden emitterer, ikke hvor meget. Kun en absolut kalibrering mod en standard tildeler hver bølgelængde en fysisk værdi og gør kurven til en måling.

Der skal tre ting til, og et almindeligt spektrometer har ingen af dem:

• En sporbar kalibrering mod en standard, der selv kan føres tilbage til et nationalt institut – hos Opsytec til PTB. Uden den er værdien ikke sammenlignelig, ikke engang med dit eget instrument fra sidste år.
• En defineret indgangsoptik. Irradians er effekt pr. areal, så instrumentet skal opsamle et kendt areal med cosinuskorrekt vægtning. En lysleder uden diffusor gør ikke det.
• Korrektion for strølys. I UV-C er signalet ofte flere størrelsesordener svagere end i det synlige område. Uden korrektion er det, du måler dér, hovedsageligt strølys inde fra instrumentet.

Et bredbåndsradiometer måler hurtigere, koster mindre og er mere robust i daglig brug; det vægter dog strålingen med sin egen spektrale følsomhed og er kun korrekt, når kilden ligner kalibreringskilden. Til løbende overvågning af et kendt anlæg er det fortsat det rigtige valg – det er netop, hvad bredbåndsradiometre til proces- og dosiskontrol er til for.

Så snart kilden ændrer sig, flere bølgelængder skal vurderes hver for sig, eller der skal anvendes et virkningsspektrum, kommer du ikke uden om spektret. Den fulde sammenligning af de to konstruktioner side om side, inklusive deres fejlkilder, finder du under hvornår et spektroradiometer er nødvendigt.

Første spørgsmål: har du brug for en absolut værdi? Hvis det kun handler om toppens placering, FWHM eller om at sammenligne to batches, er en relativ måling nok – et spektrometer er tilstrækkeligt. Så snart der skal komme et tal i mW/cm², lux eller J/cm² ud af det, er der ingen vej uden om absolut kalibrering.

Andet spørgsmål: hvilket bølgelængdeområde? Ren UV til 440 nm, UV plus begyndelsen af det synlige område til 480 nm eller hele det optiske spektrum til 1.100 nm – det afgør instrumentet.

Tredje spørgsmål: hvor foretages målingen? Intet kabel forlader et lukket kammer; der skal instrumentet måle og gemme autonomt. På arbejdspladsen eller på en kørende linje er et sensorhoved på et kabel det rigtige. På den optiske bænk er det område og opløsning, der tæller, ikke størrelsen.

Den sidste række er ikke en modsigelse, men det mest almindelige svar i praksis: mål spektralt én gang, og overvåg derefter bredbåndet. Den spektrale måling fastlægger, hvordan bredbåndssensoren afviger ved denne kilde; derefter er det hurtige instrument tilstrækkeligt til tilbagevendende kontroller – så længe kilden forbliver den samme. Skifter du lampen, begynder kæden forfra.

Et spektrometer opdeler lys i dets bølgelængder og måler intensiteten af hver enkelt. Indgangsoptikken bestråles først. Et dispersivt element – et prisme eller et gitter – adskiller bølgelængderne rumligt; fotodioder eller CCD-arrays registrerer dem derefter. Det resulterende spektrum giver mulighed for at drage konklusioner om en lampe, en LED eller en prøve.

Den mest udbredte konstruktion er Czerny-Turner-spektrometeret: to spejle og et gitter, anbragt sådan at de optiske aberrationer forbliver små og den spektrale opløsning forbliver høj. Konstruktionen er kompakt nok til mobile instrumenter og små laboratoriebænke.

Der skal skelnes mellem tre konstruktioner.

Array-spektrometre bruger en række detektorer, typisk CCD eller CMOS, som optager hele spektret på én gang. Det gør målingen hurtig og kræver ingen bevægelige dele. Alle Opsytec-spektroradiometre fungerer på denne måde.

Monokromatorer har en spalte og et roterende gitter og lader én bølgelængde passere ad gangen. De måler meget præcist og med høj spektral renhed, men de kræver tid – én bølgelængde efter den anden. Typisk for forskning og kvalitetskontrol, hvor det er valget af bølgelængde, der er afgørende.

Dobbeltmonokromatorer placerer to monokromatorer i serie. Det reducerer strølyset yderligere og er nødvendigt overalt, hvor meget svage signaler ligger side om side med stærke – i UV-området og i laboratoriemetrologi med høj nøjagtighed.

Et enkelt spektrum giver flere størrelser:

• Belysningsstyrke – den fotometrisk vægtede lysintensitet
• Korreleret farvetemperatur (CCT) – beskriver, hvor varmt eller koldt lyset virker
• Farvegengivelsesindeks – hvor nøjagtigt en kilde gengiver farver
• CIE-farvekoordinater – farvestedet i standardfarverummet
• Spektral effektfordeling – hvordan energien er fordelt over spektret
• Top- og dominerende bølgelængde – hvor den højeste og den visuelt dominerende energi ligger

Et bredbåndsradiometer giver derimod kun ét enkelt tal.

Hvad de enkelte størrelser betyder, forklares under kolorimetriske størrelser; symbol, enhed og definition for alle optiske størrelser findes i ordlisten over optiske størrelser.

Ordet spektrometer rækker langt ud over lysmåling. Tre instrumenttyper dukker jævnligt op i den samme søgning og måler noget helt forskelligt:

Massespektrometre adskiller ioner efter deres masse-ladningsforhold. De identificerer de mindste mængder af et stof og anvendes inden for kemisk analyse, biokemi, miljøvidenskab og medicinalindustrien.

Atomabsorptionsspektrometre måler, hvordan fordampede metalatomer absorberer lys, og bestemmer ud fra det metalkoncentrationer i opløsning – miljøanalyse, toksikologi og materialevidenskab, frem for alt for tungmetaller.

Spektrofotometre, ofte kaldet UV-Vis-spektrometre, måler en prøves absorption eller transmission og udleder koncentrationer heraf. Udbredt inden for klinisk diagnostik, vandanalyse og fødevarekontrol. Til transmission og UVT i processen tilbyder Opsytec ZPM-procesfotometret.

Et spektroradiometer måler derimod spektral irradians mod en absolut kalibrering. Dets indgangsoptik er en diffusor, som regel tilsluttet via en lysleder – som i SR900-spektroradiometret.

Hvad adskiller et spektrometer fra et spektroradiometer?
Et spektrometer leverer relative værdier; et spektroradiometer er absolut kalibreret og leverer spektral irradians. Alle instrumenter i denne kategori er spektroradiometre.

Hvilket bølgelængdeområde og hvilken opløsning har jeg brug for?
Området skal dække emissionen og eventuelle sekundære bånd fuldt ud – kun UV op til 440 nm, UV plus begyndelsen af det synlige område op til 480 nm eller hele det optiske spektrum op til 1.100 nm. Opløsningen afgør, om tætliggende toppe eller smalle linjer stadig kan adskilles.

Hvilke målefejl optræder ved array-spektrometre?
Først og fremmest spredt lys: dele af kraftige bølgelængder optræder, hvor de ikke hører til. I UV-C er signalet ofte flere størrelsesordener svagere end i det synlige område – uden korrektion for spredt lys måler man der hovedsageligt instrumentets eget spredte lys. Hertil kommer dummestrøm, ikke-linearitet og temperaturdrift.

Hvilke størrelser kan beregnes ud fra et spektrum?
Spektral irradians giver næsten alle relevante nøgletal ved integration og vægtning: irradians pr. spektralområde, UV-dosis, belysningsstyrke via V(λ), PPFD og virkningsvægtede værdier som f.eks. dem efter IEC 62471. Netop det er fordelen i forhold til bredbåndsradiometre til proces- og dosiskontrol.

Find den rette sensor: UV-sensorfinderen foreslår de tre bedst matchende UV-sensorer og målere efter anvendelse, bølgelængde og formfaktor – med nøgleværdier, systempartner og begrundelser.