UV-spektroradiometrar och optiska spektrometrar

UV-spektroradiometrar och optiska spektrometrar mäter strålning upplöst efter våglängd. Det gör det möjligt att bedöma en UV-källas spektrala fördelning, toppläge, bandbredd och spektrala förändringar. Absolut irradians kräver dessutom en radiometrisk kalibrering av hela mätkedjan. Valet styrs framför allt av våglängdsområde, spektral upplösning, dynamiskt område, ströljusegenskaper och mätgeometri.

Sortimentet omfattar de portabla UV-spektroradiometrarna UVpad och UVpad E samt arrayspektrometern SR900 för forskning, utveckling och kvalitetssäkring. Skrivsättet spektroradiometer och den generella benämningen spektralt mätinstrument är också vanliga – samma instrument avses.

Alla tre är absolutkalibrerade; kalibreringen sker i vårt laboratorium som är ackrediterat enligt ISO 17025 och är spårbar till PTB. Motsvarande storheter och enheter beskrivs under radiometriska storheter, områdesgränserna under spektralområden och standarder.

Båda begreppen beskriver samma optiska konstruktion men två olika mätuppgifter. Skillnaden ligger inte i optiken utan i kalibreringen och ingångsgeometrin: en spektrometer sprider ljuset och ger en relativ kurva. En spektroradiometer är en absolutkalibrerad spektrometer – den levererar spektral irradians i W/(m²·nm) och därav mW/cm², lux eller PPFD.

Den som behöver en irradians eller en dos behöver en spektroradiometer; allt annat mäter relativt. Varje instrument i denna kategori är en spektroradiometer. För mätning av transmission och UVT i processen – en fotometrisk snarare än en radiometrisk uppgift – erbjuder Opsytec processfotometern ZPM.

En spektrometer levererar counts – tal som beror på detektorn, integrationstiden, inträdesspalten och ljusledaren. De visar var källan emitterar, inte hur mycket. Först en absolut kalibrering mot en standard tilldelar varje våglängd ett fysikaliskt värde och gör kurvan till en mätning.

Till det behövs tre saker, och en enkel spektrometer har ingen av dem:

• En spårbar kalibrering mot en standard som i sin tur går tillbaka till ett nationellt institut – hos Opsytec till PTB. Utan den är värdet inte jämförbart, inte ens med ditt eget instrument från förra året.
• En definierad ingångsoptik. Irradians är effekt per yta, så instrumentet måste samla in en känd yta med cosinuskorrekt viktning. En ljusledare utan diffusor gör inte det.
• Ströljuskorrektion. I UV-C är signalen ofta flera storleksordningar svagare än i det synliga området. Utan korrektion är det du mäter där mestadels ströljus inifrån instrumentet.

En bredbandsradiometer mäter snabbare, kostar mindre och är robustare i daglig användning; den viktar dock strålningen med sin egen spektrala känslighet och är korrekt endast när källan liknar kalibreringskällan. För kontinuerlig övervakning av en känd installation är den fortfarande rätt val – det är vad bredbandsradiometrar för process- och doskontroller är till för.

Så snart källan ändras, flera våglängder måste bedömas separat eller ett aktionsspektrum måste tillämpas, går det inte att komma runt spektrumet. Den fullständiga jämförelsen mellan båda konstruktionerna, inklusive deras felkällor, visas under när en spektroradiometer är nödvändig.

Första frågan: behöver du ett absolutvärde? Om det bara handlar om toppens läge, FWHM eller att jämföra två satser räcker en relativ mätning – en spektrometer duger. Så snart ett värde i mW/cm², lux eller J/cm² ska komma ut finns ingen väg förbi absolut kalibrering.

Andra frågan: vilket våglängdsområde? Ren UV till 440 nm, UV plus början av det synliga till 480 nm, eller hela det optiska spektrumet till 1100 nm – det avgör instrumentet.

Tredje frågan: var sker mätningen? Ingen kabel lämnar en sluten kammare; där måste instrumentet mäta och lagra autonomt. På arbetsplatsen eller i en löpande linje är ett sensorhuvud på kabel rätt. På den optiska bänken är det område och upplösning som räknas, inte storleken.

Den sista raden är ingen motsägelse utan det vanligaste svaret i praktiken: mät spektralt en gång och övervaka sedan bredbandigt. Den spektrala mätningen fastställer hur bredbandssensorn avviker vid denna källa; därefter räcker det snabba instrumentet för återkommande kontroller – så länge källan förblir densamma. Byt lampa och kedjan börjar om.

En spektrometer delar upp ljuset i dess våglängder och mäter intensiteten hos var och en av dem. Först bestrålas ingångsoptiken. Ett dispersivt element – ett prisma eller ett gitter – separerar våglängderna rumsligt; fotodioder eller CCD-matriser detekterar dem sedan. Det resulterande spektrumet gör det möjligt att dra slutsatser om en lampa, en LED eller ett prov.

Den vanligaste konstruktionen är Czerny-Turner-spektrometern: två speglar och ett gitter, placerade så att de optiska avbildningsfelen förblir små och den spektrala upplösningen hög. Konstruktionen är tillräckligt kompakt för mobila instrument och små laboratoriebänkar.

Tre konstruktioner måste skiljas åt.

Arrayspektrometrar använder en rad detektorer, vanligtvis CCD eller CMOS, som fångar hela spektrumet på en gång. Det gör mätningen snabb och kräver inga rörliga delar. Alla Opsytecs spektroradiometrar fungerar på detta sätt.

Monokromatorer har en spalt och ett roterande gitter och släpper igenom en våglängd i taget. De mäter mycket exakt och med hög spektral renhet, men de behöver tid – en våglängd efter den andra. Typiskt för forskning och kvalitetskontroll där det är våglängdsvalet som är avgörande.

Dubbelmonokromatorer placerar två monokromatorer i serie. Det sänker ströljuset ytterligare och behövs överallt där mycket svaga signaler ligger intill starka – i UV-området och i laboratoriemetrologi med höga krav på noggrannhet.

Ett enda spektrum ger flera storheter:

• Belysningsstyrka – den fotometriskt viktade ljusstyrkan
• Korrelerad färgtemperatur (CCT) – beskriver hur varmt eller kallt ljuset uppfattas
• Färgåtergivningsindex – hur exakt en ljuskälla återger färger
• CIE-färgkoordinater – färgpunkten i standardfärgrymden
• Spektral effektfördelning – hur energin fördelar sig över spektrumet
• Topp- och dominerande våglängd – var den högsta och den visuellt dominerande energin ligger

En bredbandig radiometer ger i stället ett enda mätvärde.

Vad de enskilda storheterna betyder förklaras under kolorimetriska storheter; beteckning, enhet och definition för varje optisk storhet finns i ordlistan över optiska storheter.

Ordet spektrometer sträcker sig långt utöver ljusmätning. Tre instrumenttyper förekommer regelbundet i samma sökning och mäter helt olika saker:

Masspektrometrar separerar joner efter deras massa-till-laddning-förhållande. De identifierar de minsta mängderna av ett ämne och används inom kemisk analys, biokemi, miljövetenskap och läkemedelsindustrin.

Atomabsorptionsspektrometrar mäter hur förgasade metallatomer absorberar ljus och bestämmer utifrån detta metallkoncentrationer i lösning – miljöanalys, toxikologi och materialvetenskap, framför allt för tungmetaller.

Spektrofotometrar, ofta kallade UV-Vis-spektrometrar, mäter ett provs absorption eller transmission och beräknar koncentrationer utifrån detta. Vanliga inom klinisk diagnostik, vattenanalys och livsmedelskontroll. För transmission och UVT i processen erbjuder Opsytec processfotometern ZPM.

En spektroradiometer mäter däremot spektral irradians mot en absolut kalibrering. Dess ingångsoptik är en diffusor, vanligtvis ansluten via en ljusledare – som i spektroradiometern SR900.

Vad skiljer en spektrometer från en spektroradiometer?
En spektrometer ger relativa värden; en spektroradiometer är absolutkalibrerad och ger spektral irradians. Varje instrument i den här kategorin är en spektroradiometer.

Vilket våglängdsområde och vilken upplösning behöver jag?
Området måste täcka emissionen och eventuella sekundära band fullständigt – enbart UV upp till 440 nm, UV plus början av det synliga upp till 480 nm, eller hela det optiska spektrumet upp till 1100 nm. Upplösningen avgör om tätt liggande toppar eller smala linjer fortfarande separeras.

Vilka mätfel uppstår med array-spektrometrar?
Framför allt ströljus: delar av starka våglängder dyker upp där de inte hör hemma. I UV-C är signalen ofta flera storleksordningar svagare än i det synliga området – utan ströljuskorrigering är det som mäts där huvudsakligen instrumentets eget ströljus. Till detta kommer mörkerström, olinjäritet och temperaturdrift.

Vilka storheter kan beräknas ur ett spektrum?
Spektral irradians ger nästan vilket nyckeltal som helst genom integration och viktning: irradians per spektralområde, UV-dos, belysningsstyrka via V(λ), PPFD och verkningsviktade värden såsom de enligt IEC 62471. Det är just fördelen jämfört med bredbandsradiometrar för process- och doskontroll.

Hitta rätt sensor: UV Sensor Finder föreslår de tre bäst matchande UV-sensorerna och mätinstrumenten utifrån tillämpning, våglängd och formfaktor – med nyckelvärden, systempartner och motivering.