UV-spectroradiometers en optische spectrometers

UV-spectroradiometers en optische spectrometers registreren straling met golflengteresolutie. Daardoor kunnen de spectrale verdeling, de piekpositie, de bandbreedte en spectrale veranderingen van een UV-bron worden beoordeeld. Voor absolute bestralingssterkte is bovendien een radiometrische kalibratie van de volledige meetketen vereist. De keuze wordt vooral bepaald door golflengtebereik, spectrale resolutie, dynamisch bereik, strooilichtgedrag en meetgeometrie.

Het portfolio omvat de draagbare UV-spectroradiometers UVpad en UVpad E evenals de arrayspectrometer SR900 voor onderzoek, ontwikkeling en kwaliteitsborging. Ook de schrijfwijze spectroradiometer en de verzamelterm spectraal meetinstrument zijn gangbaar – bedoeld wordt hetzelfde instrument.

Alle drie zijn absoluut gekalibreerd; de kalibratie vindt plaats in ons volgens ISO 17025 geaccrediteerde laboratorium en is herleidbaar tot de PTB. De bijbehorende grootheden en eenheden zijn te vinden onder radiometrische grootheden, de bereikgrenzen onder spectrale bereiken en normen.

Beide termen beschrijven hetzelfde optische ontwerp, maar twee verschillende meettaken. Het verschil zit niet in de optiek, maar in de kalibratie en de ingangsgeometrie: een spectrometer spreidt het licht uit en geeft een relatieve curve. Een spectroradiometer is een absoluut gekalibreerde spectrometer – hij levert de spectrale bestralingssterkte in W/(m²·nm) en daaruit mW/cm², lux of PPFD.

Wie een bestralingssterkte of een dosis nodig heeft, heeft een spectroradiometer nodig; al het andere meet relatief. Elk instrument in deze categorie is een spectroradiometer. Voor het meten van transmissie en UVT in het proces – een fotometrische en geen radiometrische taak – biedt Opsytec de procesfotometer ZPM.

Een spectrometer levert counts – getallen die afhankelijk zijn van de detector, de integratietijd, de ingangsspleet en de lichtgeleider. Ze zeggen waar de bron emitteert, niet hoeveel. Alleen een absolute kalibratie tegen een standaard kent aan elke golflengte een fysische waarde toe en maakt van de curve een meting.

Daarvoor zijn drie zaken nodig, en een gewone spectrometer heeft er geen enkele van:

• Een herleidbare kalibratie tegen een standaard die zelf teruggaat op een nationaal instituut – bij Opsytec op de PTB. Zonder die kalibratie is de waarde niet vergelijkbaar, zelfs niet met uw eigen instrument van vorig jaar.
• Een gedefinieerde ingangsoptiek. Bestralingssterkte is vermogen per oppervlak, dus moet het instrument een bekend oppervlak opvangen met een cosinusgetrouwe weging. Een lichtgeleider zonder diffusor doet dat niet.
• Strooilichtcorrectie. In het UV-C is het signaal vaak ordes van grootte zwakker dan in het zichtbare gebied. Zonder correctie meet u daar voornamelijk strooilicht uit het instrument zelf.

Een breedbandradiometer meet sneller, kost minder en is robuuster in het dagelijks gebruik; hij weegt de straling echter met zijn eigen spectrale gevoeligheid en is alleen correct wanneer de bron op de kalibratiebron lijkt. Voor de continue bewaking van een bekende installatie blijft hij de juiste keuze – daarvoor zijn breedbandradiometers voor proces- en dosiscontroles bedoeld.

Zodra de bron verandert, meerdere golflengten afzonderlijk moeten worden beoordeeld of een actiespectrum moet worden toegepast, is er geen weg om het spectrum heen. De volledige vergelijking van beide uitvoeringen naast elkaar, inclusief hun foutenbronnen, vindt u onder wanneer een spectroradiometer noodzakelijk is.

Eerste vraag: heeft u een absolute waarde nodig? Gaat het alleen om de positie van de piek, de FWHM of het vergelijken van twee batches, dan is een relatieve meting voldoende – een spectrometer is dan afdoende. Zodra er een waarde in mW/cm², lux of J/cm² uit moet komen, is absolute kalibratie onvermijdelijk.

Tweede vraag: welk golflengtebereik? Zuiver UV tot 440 nm, UV plus het begin van het zichtbare gebied tot 480 nm, of het volledige optische spectrum tot 1.100 nm – dat bepaalt het instrument.

Derde vraag: waar wordt gemeten? Geen kabel verlaat een gesloten kamer; daar moet het instrument autonoom meten en opslaan. Op de werkplek of aan een lopende lijn is een sensorkop aan een kabel de juiste keuze. Op de optische bank tellen bereik en resolutie, niet de afmetingen.

De laatste regel is geen tegenspraak, maar in de praktijk het meest voorkomende antwoord: meet eenmalig spectraal en bewaak daarna breedbandig. De spectrale meting bepaalt hoe de breedbandsensor bij deze bron afwijkt; daarna volstaat het snelle instrument voor terugkerende controles – zolang de bron dezelfde blijft. Wisselt u de lamp, dan begint de keten opnieuw.

Een spectrometer splitst licht op in zijn golflengten en meet de intensiteit van elke golflengte. Eerst wordt de ingangsoptiek bestraald. Een dispersief element – een prisma of een tralie – scheidt de golflengten ruimtelijk; fotodiodes of CCD-arrays detecteren ze vervolgens. Het resulterende spectrum maakt conclusies mogelijk over een lamp, een led of een monster.

De meest gebruikte uitvoering is de Czerny-Turner-spectrometer: twee spiegels en een tralie, zo opgesteld dat optische aberraties klein blijven en het spectrale oplossend vermogen hoog blijft. De opbouw is compact genoeg voor mobiele instrumenten en kleine laboratoriumtafels.

Er moeten drie uitvoeringen worden onderscheiden.

Arrayspectrometers gebruiken een reeks detectoren, meestal CCD of CMOS, die het volledige spectrum in één keer opnemen. Daardoor is de meting snel en zijn er geen bewegende delen nodig. Alle spectroradiometers van Opsytec werken op deze manier.

Monochromatoren hebben een spleet en een roterend tralie en laten telkens één golflengte door. Zij meten zeer nauwkeurig en met een hoge spectrale zuiverheid, maar hebben tijd nodig – de ene golflengte na de andere. Typisch voor onderzoek en kwaliteitscontrole waar het om de golflengteselectie gaat.

Dubbele monochromatoren plaatsen twee monochromatoren in serie. Dat vermindert het strooilicht nog verder en is noodzakelijk overal waar zeer zwakke signalen naast sterke signalen liggen – in het UV-bereik en in laboratoriummeettechniek met hoge nauwkeurigheid.

Eén spectrum levert meerdere grootheden op:

• Verlichtingssterkte – de fotometrisch gewogen lichtintensiteit
• Gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) – beschrijft hoe warm of koud het licht overkomt
• Kleurweergave-indices – hoe nauwkeurig een bron kleuren weergeeft
• CIE-kleurcoördinaten – het kleurpunt in de standaardkleurruimte
• Spectrale vermogensverdeling – hoe de energie over het spectrum is verdeeld
• Piekgolflengte en dominante golflengte – waar de hoogste en de visueel dominante energie liggen

Een breedbandradiometer levert daarentegen slechts één enkele waarde.

Wat de afzonderlijke grootheden betekenen, wordt uitgelegd onder colorimetrische grootheden; symbool, eenheid en definitie van elke optische grootheid vindt u in de woordenlijst van optische grootheden.

Het woord spectrometer reikt veel verder dan lichtmeting. Drie instrumenttypen komen regelmatig in dezelfde zoekopdracht voor en meten iets volstrekt anders:

Massaspectrometers scheiden ionen op basis van hun massa-ladingsverhouding. Ze identificeren de kleinste hoeveelheden van een stof en worden gebruikt in de chemische analyse, de biochemie, de milieuwetenschap en de farmaceutische industrie.

Atoomabsorptiespectrometers meten hoe verdampte metaalatomen licht absorberen en bepalen daaruit metaalconcentraties in oplossing – milieuanalyse, toxicologie en materiaalkunde, vooral voor zware metalen.

Spectrofotometers, vaak UV-Vis-spectrometers genoemd, meten de absorptie of transmissie van een monster en leiden daaruit concentraties af. Wijdverbreid in de klinische diagnostiek, wateranalyse en voedselcontrole. Voor transmissie en UVT in het proces biedt Opsytec de ZPM-procesfotometer.

Een spectroradiometer meet daarentegen de spectrale bestralingssterkte ten opzichte van een absolute kalibratie. De ingangsoptiek is een diffusor, meestal aangesloten via een lichtgeleider – zoals bij de SR900-spectroradiometer.

Wat onderscheidt een spectrometer van een spectroradiometer?
Een spectrometer levert relatieve waarden; een spectroradiometer is absoluut gekalibreerd en levert de spectrale bestralingssterkte. Elk instrument in deze categorie is een spectroradiometer.

Welk golflengtebereik en welke resolutie heb ik nodig?
Het bereik moet de emissie en eventuele secundaire banden volledig bestrijken – alleen UV tot 440 nm, UV plus het begin van het zichtbare gebied tot 480 nm, of het volledige optische spectrum tot 1.100 nm. De resolutie bepaalt of dicht bij elkaar liggende pieken of smalle lijnen nog worden gescheiden.

Welke meetfouten treden op bij arrayspectrometers?
Vooral strooilicht: delen van sterke golflengten verschijnen daar waar ze niet thuishoren. In het UV-C-gebied is het signaal vaak ordes van grootte zwakker dan in het zichtbare gebied – zonder strooilichtcorrectie wordt daar hoofdzakelijk het eigen strooilicht van het instrument gemeten. Daar komen nog donkerstroom, niet-lineariteit en temperatuurdrift bij.

Welke grootheden kunnen uit een spectrum worden berekend?
De spectrale bestralingssterkte levert door integratie en weging bijna elk kengetal: bestralingssterkte per spectraal bereik, UV-dosis, verlichtingssterkte via V(λ), PPFD en actiegewogen waarden zoals die volgens IEC 62471. Dat is precies het voordeel ten opzichte van breedbandradiometers voor proces- en dosiscontroles.

Vind de juiste sensor: De UV Sensor Finder stelt de drie best passende UV-sensoren en meetapparaten voor op basis van toepassing, golflengte en vormfactor – met kernwaarden, systeempartner en motivering.