Espectrorradiómetros UV y espectrómetros ópticos

Los espectrorradiómetros UV y los espectrómetros ópticos registran la radiación con resolución en longitud de onda. Esto permite evaluar la distribución espectral, la posición del pico, el ancho de banda y las variaciones espectrales de una fuente UV. La irradiancia absoluta requiere además una calibración radiométrica de toda la cadena de medida. La selección se rige sobre todo por el rango de longitudes de onda, la resolución espectral, el rango dinámico, el comportamiento frente a la luz parásita y la geometría de medición.

La gama incluye los espectrorradiómetros UV portátiles UVpad y UVpad E, así como el espectrómetro de array SR900 para investigación, desarrollo y aseguramiento de la calidad. También son habituales las denominaciones espectrorradiómetro y el término genérico instrumento de medición espectral: se refieren al mismo equipo.

Los tres están calibrados de forma absoluta; la calibración se realiza en nuestro laboratorio acreditado según ISO 17025 y es trazable al PTB. Las magnitudes y unidades correspondientes se describen en magnitudes radiométricas, y los límites de los rangos en rangos espectrales y normas.

Ambos términos describen el mismo diseño óptico, pero dos tareas de medición diferentes. La diferencia no reside en la óptica, sino en la calibración y en la geometría de entrada: un espectrómetro dispersa la luz y proporciona una curva relativa. Un espectrorradiómetro es un espectrómetro calibrado de forma absoluta: proporciona la irradiancia espectral en W/(m²·nm) y, a partir de ella, mW/cm², lux o PPFD.

Quien necesite una irradiancia o una dosis necesita un espectrorradiómetro; todo lo demás mide de forma relativa. Todos los equipos de esta categoría son espectrorradiómetros. Para la medición de la transmisión y de la UVT en el proceso —una tarea fotométrica y no radiométrica— Opsytec ofrece el fotómetro de proceso ZPM.

Un espectrómetro entrega cuentas: valores numéricos que dependen del detector, del tiempo de integración, de la rendija de entrada y de la fibra óptica. Indican dónde emite la fuente, no cuánto. Solo la calibración absoluta frente a un patrón asigna un valor físico a cada longitud de onda y convierte la curva en una medición.

Para ello se necesitan tres cosas, y un espectrómetro simple no tiene ninguna de ellas:

• Una calibración trazable frente a un patrón que a su vez se remonta a un instituto nacional; en Opsytec, al PTB. Sin ella, el valor no es comparable, ni siquiera con el de su propio equipo del año pasado.
• Una óptica de entrada definida. La irradiancia es potencia por superficie, por lo que el instrumento debe captar un área conocida con una ponderación coseno correcta. Una fibra óptica sin difusor no lo consigue.
• Corrección de luz parásita. En el UV-C, la señal es a menudo varios órdenes de magnitud más débil que en el visible. Sin corrección, lo que se mide allí es en su mayor parte luz parásita procedente del interior del instrumento.

Un radiómetro de banda ancha mide más rápido, cuesta menos y es más robusto en el uso diario; no obstante, pondera la radiación con su propia respuesta espectral y solo es correcto cuando la fuente se asemeja a la fuente de calibración. Para la monitorización continua de una instalación conocida sigue siendo la elección adecuada: para eso están los radiómetros de banda ancha para controles de proceso y de dosis.

En cuanto la fuente cambia, deben evaluarse por separado varias longitudes de onda o debe aplicarse un espectro de acción, no hay alternativa al espectro. La comparación completa de ambos diseños, incluidas sus fuentes de error, se muestra en cuándo es necesario un espectrorradiómetro.

Primera pregunta: ¿necesita un valor absoluto? Si solo se trata de la posición del pico, del FWHM o de comparar dos lotes, basta con una medición relativa: un espectrómetro es suficiente. En cuanto hay que obtener una cifra en mW/cm², lux o J/cm², no hay forma de evitar la calibración absoluta.

Segunda pregunta: ¿qué rango de longitudes de onda? UV puro hasta 440 nm, UV más el inicio del visible hasta 480 nm, o el espectro óptico completo hasta 1100 nm: eso decide el instrumento.

Tercera pregunta: ¿dónde se realiza la medición? Ningún cable sale de una cámara cerrada; allí el instrumento tiene que medir y almacenar de forma autónoma. En el puesto de trabajo o en una línea en marcha, lo adecuado es un cabezal sensor con cable. En el banco óptico lo que cuenta es el rango y la resolución, no el tamaño.

La última fila no es una contradicción, sino la respuesta más habitual en la práctica: medir una vez espectralmente y después monitorizar en banda ancha. La medición espectral determina en qué medida se desvía el sensor de banda ancha en esta fuente; a partir de ese momento, el instrumento rápido basta para las comprobaciones periódicas, siempre que la fuente permanezca invariable. Si se cambia la lámpara, la cadena comienza de nuevo.

Un espectrómetro descompone la luz en sus longitudes de onda y mide la intensidad de cada una de ellas. Primero se irradia la óptica de entrada. Un elemento dispersivo —un prisma o una red de difracción— separa espacialmente las longitudes de onda; a continuación, fotodiodos o matrices CCD las detectan. El espectro obtenido permite extraer conclusiones sobre una lámpara, un LED o una muestra.

El diseño más habitual es el espectrómetro Czerny-Turner: dos espejos y una red de difracción, dispuestos de modo que las aberraciones ópticas se mantengan reducidas y la resolución espectral, elevada. El diseño es lo bastante compacto para instrumentos portátiles y bancos de laboratorio pequeños.

Hay que distinguir tres diseños.

Los espectrómetros de array utilizan una fila de detectores, normalmente CCD o CMOS, que captan todo el espectro de una sola vez. Esto hace que la medición sea rápida y no requiere piezas móviles. Todos los espectrorradiómetros de Opsytec funcionan de este modo.

Los monocromadores disponen de una rendija y de una red de difracción giratoria y dejan pasar una longitud de onda cada vez. Miden con gran precisión y una elevada pureza espectral, pero necesitan tiempo: una longitud de onda tras otra. Son típicos de la investigación y del control de calidad, donde lo decisivo es la selección de la longitud de onda.

Los dobles monocromadores disponen dos monocromadores en serie. Esto reduce aún más la luz parásita y resulta necesario allí donde señales muy débiles coinciden con otras intensas: en el rango UV y en la metrología de laboratorio de alta exactitud.

Un único espectro proporciona varias magnitudes:

• Iluminancia: la intensidad luminosa ponderada fotométricamente
• Temperatura de color correlacionada (CCT): describe si la luz se percibe cálida o fría
• Índices de reproducción cromática: con qué fidelidad una fuente reproduce los colores
• Coordenadas de color CIE: el punto de color en el espacio cromático normalizado
• Distribución espectral de potencia: cómo se reparte la energía a lo largo del espectro
• Longitud de onda de pico y longitud de onda dominante: dónde se sitúan la energía máxima y la dominante visualmente

Un radiómetro de banda ancha, en cambio, devuelve un único valor.

El significado de cada magnitud se explica en magnitudes colorimétricas; el símbolo, la unidad y la definición de cada magnitud óptica se encuentran en el glosario de magnitudes ópticas.

La palabra espectrómetro va mucho más allá de la medición de la luz. Tres tipos de instrumentos aparecen habitualmente en la misma búsqueda y miden cosas totalmente distintas:

Los espectrómetros de masas separan los iones según su relación masa-carga. Identifican las cantidades más pequeñas de una sustancia y se emplean en el análisis químico, la bioquímica, las ciencias ambientales y la industria farmacéutica.

Los espectrómetros de absorción atómica miden cómo absorben la luz los átomos metálicos vaporizados y determinan a partir de ello las concentraciones de metales en disolución: análisis ambiental, toxicología y ciencia de materiales, sobre todo para metales pesados.

Los espectrofotómetros, a menudo denominados espectrómetros UV-Vis, miden la absorción o la transmisión de una muestra y de ahí deducen concentraciones. Están muy extendidos en el diagnóstico clínico, el análisis de aguas y el control alimentario. Para la transmisión y el UVT en proceso, Opsytec ofrece el fotómetro de proceso ZPM.

Un espectrorradiómetro, en cambio, mide la irradiancia espectral con una calibración absoluta. Su óptica de entrada es un difusor, conectado normalmente mediante una guía de luz, como en el espectrorradiómetro SR900.

¿Qué diferencia hay entre un espectrómetro y un espectrorradiómetro?
Un espectrómetro proporciona valores relativos; un espectrorradiómetro está calibrado de forma absoluta y proporciona la irradiancia espectral. Todos los equipos de esta categoría son espectrorradiómetros.

¿Qué rango de longitudes de onda y qué resolución necesito?
El rango debe cubrir por completo la emisión y las posibles bandas secundarias: solo UV hasta 440 nm, UV más el inicio del visible hasta 480 nm, o todo el espectro óptico hasta 1100 nm. La resolución determina si los picos próximos entre sí o las líneas estrechas siguen quedando separados.

¿Qué errores de medición se producen con los espectrómetros de matriz?
Sobre todo la luz parásita: partes de longitudes de onda intensas aparecen donde no corresponden. En el UV-C la señal suele ser órdenes de magnitud más débil que en el rango visible; sin corrección de luz parásita, lo que allí se mide es principalmente la luz parásita propia del instrumento. A ello se añaden la corriente de oscuridad, la no linealidad y la deriva térmica.

¿Qué magnitudes se pueden calcular a partir de un espectro?
La irradiancia espectral permite obtener casi cualquier parámetro mediante integración y ponderación: irradiancia por rango espectral, dosis UV, iluminancia mediante V(λ), PPFD y valores ponderados por acción como los de la IEC 62471. Precisamente en eso reside la ventaja frente a los radiómetros de banda ancha para el control de procesos y de la dosis.

Encuentre el sensor adecuado: el Buscador de sensores UV propone los tres sensores y medidores UV que mejor se ajustan según la aplicación, la longitud de onda y el formato, con los valores clave, el componente del sistema asociado y los motivos.