雜散光影響的概述以及在陣列光譜儀/陣列光譜輻射計中減少雜散光的方法
本文重點概述雜散光的成因、其對光譜輻射計測量精度的影響以及雜散光抑制的不同方法。它詳細(xì)描述了不同應(yīng)用的不同雜散光抑制要求。
注意：本文中經(jīng)常使用術(shù)語“光譜輻射計”。光譜輻射計是一種經(jīng)過輻射校準(zhǔn)的光譜儀，其功能基于相對測量。
這里討論的雜散光也稱為“假”光，是在光譜儀測量期間除了專用于所選波長范圍的測量信號之外檢測到的信號。這些信號無法分離，因此雜散光會嚴(yán)重扭曲測量結(jié)果。測量中的雜散光量很大程度上取決于光源和光譜儀本身。在光譜儀裝置內(nèi)部，雜散光可能源自：
? 光學(xué)衍射光柵（凹槽光柵）處的散射；
? 光學(xué)衍射光柵的0級干涉；
? 高階光學(xué)衍射光柵的外觀；
? 鏡子、探測器、光柵、入口狹縫、外殼之間的相互反射；
? 光學(xué)不完美表面的漫反射；
? ETC。
下圖顯示了使用分光輻射度計在使用和不使用 Schott GG475 邊緣濾光片的情況下進(jìn)行的鹵素?zé)魷y量。
圖 1：使用/不使用 GG475 過濾的鹵素?zé)魷y量結(jié)果（線性視圖）
由于GG475濾掉了475 nm以下的短波光譜范圍內(nèi)的信號，因此可以得出結(jié)論，在邊緣以下檢測到的信號是由雜散光+噪聲引起的。由于使用線性標(biāo)度很難識別，因此建議使用對數(shù)視圖。理想的過濾功能以綠色顯示。
圖 2：使用 GG475 過濾的鹵素?zé)魷y量結(jié)果（對數(shù)視圖）
這意味著在本次測量中，來自鹵素?zé)舻膹妼拵盘枺úㄩL高于 475 nm）幾乎不會產(chǎn)生低于 475 nm 的雜散光。因此，在此波長下檢測到的信號由雜散光和噪聲組成。
相比之下，圖 3 顯示了類似場景（使用 OG515 濾光片代替 GG475）的測量數(shù)據(jù)，但使用的測量設(shè)備在雜散光抑制方面優(yōu)化較差。可以看出，雜散光的量明顯更高，盡管在這種情況下雜散光的可能性實際上較小，因為 OG515 濾光片比 GG475 更有效。這種較差的雜散光抑制對此類測量的測量精度（包括例如色度值）具有負(fù)面影響。
圖 3：使用 OG515 過濾的鹵素?zé)魷y量結(jié)果（對數(shù)視圖），分光輻射度計對于雜散光抑制并不理想
然而，如果將這些數(shù)據(jù)與紅色 LED（同一光譜儀）的測量進(jìn)行比較，您會發(fā)現(xiàn)在紅色 LED 的測量中，雜散光水平低于 475 nm（紅色 LED 沒有該波長的信號） ) 明顯較低（LED 為 2E-5，而鹵素?zé)魹?6E-4）：
圖 4：紅色 LED 的測量
這意味著雜散光的水平還取決于被測測量光源的光譜分布。
在 LED 測量中，除了 LED 峰值之外還顯示額外的信號電平，這不僅是因為雜散光，還因為光譜儀的噪聲。這里，16 位 ADC 的噪聲計數(shù)為 1 意味著 1:65536 動態(tài)范圍，對應(yīng)于 6E-4。對于光譜輻射計，可實現(xiàn)的基本測量動態(tài)范圍受到 ADC 分辨率和信噪比的限制。理想情況下，雜散光水平應(yīng)小于 ADC 分辨率。
這就引出了一個問題：什么時候雜散光在測量中很重要？不幸的是，這個問題沒有通用的答案。這取決于應(yīng)用和相應(yīng)的測量要求。以下是可以遵守的兩條準(zhǔn)則：
? 所需的動態(tài)范圍越大，確保足夠的雜散光抑制就越重要。如果部分相關(guān)頻譜的信號相對較弱，這一點尤其重要。這是因為雜散光對弱信號的影響比對強信號的影響大得多。紫外區(qū)域的測量精度通常受到雜散光而非儀器靈敏度或噪聲的限制。
? 光源的光譜分布越復(fù)雜，確保足夠的雜散光抑制就越重要。與太陽、鹵素?zé)艉桶坠?LED 等寬帶光源相比，激光和單色 LED 等光源的窄光譜分布產(chǎn)生的雜散光非常少。
雜散光會導(dǎo)致測量不確定度，根據(jù) CIE S025 或 CIE 198 的規(guī)定，在計算測量不確定度時必須考慮雜散光。由于雜散光的量取決于被測光譜分布和光譜儀的設(shè)計，因此必須進(jìn)行計算適用于每個特定的光譜輻射計和測量應(yīng)用。
注意：這些計算需要光譜輻射計的多個規(guī)格和特征。此外，計算光譜輻射測量中測量不確定度的模型非常復(fù)雜。 Gigahertz-Optik GmbH 是值得信賴的合作伙伴，可為您提供符合您要求的理想、快速的解決方案。
本章詳細(xì)介紹了減少光譜輻射計雜散光的一些不同方法。
先決條件是正確設(shè)計的光譜儀單元。由于必須仔細(xì)考慮光束路徑的復(fù)雜性，光學(xué)模擬通常用于優(yōu)化現(xiàn)代光譜輻射計。通過此類模擬，可以優(yōu)化光譜輻射計以滿足最高要求。例如，必須優(yōu)化圖像清晰度，阻擋 0 階，并努力從通往探測器的光束路徑中去除更高階。
除了設(shè)計之外，光學(xué)元件的選擇也至關(guān)重要。鏡面涂層的質(zhì)量決定了漫反射輻射的比例以及由此產(chǎn)生的雜散光量。同樣，光柵的質(zhì)量對于最大限度地減少雜散光也至關(guān)重要。
注：Gigahertz-Optik 在光譜儀開發(fā)方面擁有多年經(jīng)驗，并使用 ZEMAX 優(yōu)化其光譜儀單元。此外，每個單元都必須經(jīng)過漫長而徹底的開發(fā)和鑒定過程，其中所有光學(xué)元件和性能都經(jīng)過測試和優(yōu)化。
借助可調(diào)諧激光器（OPO 光學(xué)參量振蕩器），光譜儀可以在任何波長下進(jìn)行分析和表征。因此，可以在每個波長處確定LSF（線擴展函數(shù)），它們一起形成光譜儀的SDF（信號分布函數(shù)）特征矩陣。這意味著從測量中收集的數(shù)據(jù)可用于表征設(shè)備及其基于波長的雜散光特性。
圖 5：使用 OPO 測量的光譜輻射計的 LSF
圖 6：LSF 矩陣表示
通過 SDF 數(shù)據(jù)和來自被測光源的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)（Zong 等人，2006）或（Nevas 等人，2012）的數(shù)學(xué)校正方法可用于不同的應(yīng)用。在這里，必須對每次測量進(jìn)行數(shù)學(xué)校正，因此良好的軟件實現(xiàn)至關(guān)重要。此外，制造商必須擁有 OPO，以便精確執(zhí)行測量，而無需過多的外推和模型假設(shè)。光譜輻射計還必須保持穩(wěn)定（隨著時間的推移），雜散光矩陣才能在有用的時間段內(nèi)有效。如果是這種情況，則數(shù)學(xué)雜散光校正的質(zhì)量可以描述如下。雜散光水平可減少約 1 或 2 個數(shù)量級，如下例所示：
圖 7：應(yīng)用于白光 LED 測量的數(shù)學(xué)雜散光校正（綠色已校正，藍(lán)色未校正）
注意：（Nevas 等人，2012）方法還執(zhí)行光學(xué)帶寬校正?；蛘撸部梢允褂茫╖ong 等人，2006）方法并與 CIE 214 光學(xué)帶寬校正相結(jié)合。 Gigahertz-Optik 提供這兩種方法。
然而，這種方法有一個局限性——必須在探測器的整個光譜范圍內(nèi)測量LSF，以實現(xiàn)最佳的雜散光抑制（即光譜輻射計也應(yīng)覆蓋該范圍）。對于硅基探測器，該范圍為 200 nm 至 1100 nm。如果不測量所有功能，則只能校正部分雜散光！
注：Gigahertz-Optik 為其BTS2048 系列高端光譜儀提供雜散光矩陣作為標(biāo)準(zhǔn)選項。數(shù)學(xué)應(yīng)用程序完全集成在 S-BTS2048 軟件以及 S-SDK-BTS2048 中。雜散光校正的表征和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存在設(shè)備上，以便用戶輕松訪問。用戶無需采取額外措施。
眾所周知的紫外線范圍雜散光校正方法是基于長通濾光片，例如肖特 GG435。 GG435 用于在校準(zhǔn)期間執(zhí)行附加測量，直接確定 OoR 雜散光量。然后可以從原始數(shù)據(jù)中減去該信號，從而應(yīng)用于所得的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。該方法可以減少雜散光影響的校準(zhǔn)，但其他光源的后續(xù)測量仍可能具有不同的雜散光影響。
優(yōu)化雜散光抑制（尤其是在臨界紫外線范圍內(nèi)）的創(chuàng)新方法是將分光輻射度計與設(shè)備內(nèi)的多個光學(xué)長通濾光片和帶通濾光片結(jié)合起來。帶通濾光片基本上允許單陣列光譜輻射計近似為雙單色儀，因為帶通濾光片顯著減少進(jìn)入光譜輻射計的輻射，從而減少雜散光產(chǎn)生的可能性。通過使用長通濾波器，可以在校準(zhǔn)期間和每次測量時應(yīng)用上述方法。
理想情況下，如果要覆蓋大光譜范圍，則必須使用不同的濾光片，以確保最佳的雜散光抑制。實現(xiàn)這一目標(biāo)需要集成的快速濾光輪、有關(guān)濾光技術(shù)的豐富專業(yè)知識和功能強大的軟件，因為必須智能地組合多個單獨的測量步驟以產(chǎn)生最終測量。一個用戶友好的系統(tǒng)要求所有這些都由軟件自動實現(xiàn)。
注：利用這項技術(shù)，Gigahertz-Optik GmbH 開發(fā)了一種用于雜散光抑制的最佳優(yōu)化的紫外分光輻射度計，并且?guī)缀蹩梢宰鳛橥昝赖碾p單色儀 – BTS2048 -UV-S。
圖 8：BTS2048-UV-S與雙單色儀的比較。在 3 s 的測量時間內(nèi)，太陽邊緣的分辨率可達(dá) 10E-5（與雙單色儀的 90 s 相比）。
不同的應(yīng)用對雜散光抑制的要求有所不同。正如前一章所解釋的，良好的雜散光抑制可能會帶來一些復(fù)雜性和成本。因此，這些應(yīng)該很好地匹配特定的應(yīng)用要求。本章提供了幾個典型應(yīng)用領(lǐng)域的指導(dǎo)。
對于大多數(shù)需要在可見光 (VIS) 范圍內(nèi)測量單色 LED 的應(yīng)用，使用具有良好光學(xué)性能的高質(zhì)量光譜輻射計進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)雜散光抑制就足夠了。如果例如 CIE1931 色度坐標(biāo) (x,y) 的精度達(dá)到 ±0.0020 就足夠了，那么這對于白色 LED 的測量也足夠了。對帶有和不帶有數(shù)學(xué)雜散光校正的白光 LED 進(jìn)行的測量表明，通過校正，顏色位置的精度可以提高約 0.0005。這意味著在需要精度的情況下，數(shù)學(xué)雜散光校正可能是一個不錯的選擇。
對于 LED 測量，通常使用針對可見光譜范圍進(jìn)行優(yōu)化的光譜輻射計。因此，它們在紫外范圍內(nèi)的雜散光抑制通常不夠充分，從而導(dǎo)致較大的測量不確定性。然而，此類測量的結(jié)果和所需的雜散光抑制取決于預(yù)期應(yīng)用和可用的邊界條件。在只有 UV LED 的暗室或積分球中，雜散光的影響可能不太明顯。然而，如果存在環(huán)境光，則必須充分抑制雜散光。在測量具有不可忽略的紫外線含量的白光 LED 時，尤其應(yīng)考慮這一點。因此，建議至少使用一種可用于紫外/可見分光輻射度計的雜散光校正方法。如果適用，應(yīng)使用專為紫外線范圍開發(fā)的分光輻射計。
注意：在大多數(shù)情況下，純 VIS 設(shè)備的響應(yīng)度對于 UV 范圍并不理想，這會增加測量的不確定性。憑借BTS2048-VL-TEC或BTS2048-UVVISNIR和數(shù)學(xué)雜散光校正，Gigahertz-Optik 提供了一款良好的通用設(shè)備，其特點是高響應(yīng)度和高雜散光抑制，即使在紫外線范圍內(nèi)也是如此。BTS2048-UV、BTS2048-UV-2和BTS2048-UV-S完美補充了這一點，可實現(xiàn)高質(zhì)量的 UV 測量。
第 4.1 節(jié)中提到的相同論點適用于實驗室和生產(chǎn)測量。然而，手持式測量設(shè)備需要不同的測量方法。保持這些設(shè)備緊湊的需要對雜散光抑制方面的光學(xué)設(shè)計提出了額外的挑戰(zhàn)。 “微型光譜儀”的尺寸非常小，不太適合抑制雜散光，因此可能導(dǎo)致儀器不適合精確的顏色測量。但是，它們非常適合快速、現(xiàn)場測試測量，其中要求是很不一樣。高品質(zhì)手持設(shè)備擁有成熟的光譜儀單元，可與實驗室儀器完美匹配，并提供準(zhǔn)確的現(xiàn)場測量結(jié)果。這些高質(zhì)量的手持設(shè)備還應(yīng)該進(jìn)行溫度校正，并提供可重復(fù)且穩(wěn)定的測量結(jié)果！
注：Gigahertz-Optik 提供經(jīng)過校正的 MSC15 微型光譜儀，它完全滿足低預(yù)算設(shè)備的所有要求。此外，BTS256-EF高品質(zhì)設(shè)備完美完善了我們的手持設(shè)備產(chǎn)品組合。這些保證了足夠的雜散光抑制并支持許多額外功能，例如 Wi-Fi 和閃爍測量。
對于太陽和日光的測量，確定要測量太陽光譜的哪些部分非常重要。如果您只需要來自 VIS 和 NIR 的信息，則必須考慮第 4.1 節(jié)中的論點。然而，如果對紫外線范圍特別感興趣，則需要針對紫外線范圍進(jìn)行優(yōu)化的高質(zhì)量光譜輻射計來進(jìn)行紫外線指數(shù)、紅斑和臭氧測量等。在此類應(yīng)用中，VIS 通用設(shè)備很快就會暴露出其在雜散光抑制方面的局限性。 (Egli et al., 2016) 等人的出版物證實了這一點。此外，由于通常需要較長的測量序列，因此設(shè)備必須具有溫度穩(wěn)定性和防風(fēng)雨性能。
注： Gigahertz-Optik 的BTS2048-UV-S-WP、 BTS2048-VL-TEC-WP和BTS2048-IR-WP設(shè)備可保證從深紫外到近紅外的寬光譜范圍內(nèi)進(jìn)行高質(zhì)量測量。
與第 4.4 節(jié)中描述的論點相同的論點也適用于此類測量。需要充分的雜散光抑制來防止任何雜散結(jié)果，特別是對于紅斑和 ICNIPR 測量或有關(guān)人工光輻射指令 2006/25/EC 或 DIN EN 62471 光生物安全性的評估。
總之，雜散光對測量不確定度的影響不容忽視。應(yīng)根據(jù)各自的應(yīng)用及其要求來選擇用于雜散光抑制的方法。例如，紫外范圍內(nèi)的測量通常需要比可見光范圍內(nèi)更廣泛的抑制方法。雜散光效應(yīng)的程度是設(shè)備規(guī)格，必須由制造商表征。此外，雜散光的量還取決于被測光源的光譜分布。
對于用戶而言，擁有全面專業(yè)知識、有效建議以及具有適當(dāng)測量技術(shù)（例如可調(diào)諧激光器（OPO））和經(jīng)過認(rèn)可的校準(zhǔn)實驗室的連貫產(chǎn)品組合的合作伙伴至關(guān)重要。
請參閱我們的BTS2048 系列，該系列在全球范圍內(nèi)使用，并受到工業(yè)、科學(xué)和許多 NMI 等的認(rèn)可。
? Egli L、Gr?bner J、Hülsen G、Bachmann L、Blumthaler M、Dubard J、Khazova M、Kift R、Hoogendijk K、Serrano A、Smedley A 和 Vilaplana JM 2016 使用陣列光譜輻射計 Atmos 測量的太陽紫外線輻照度的質(zhì)量評估。測量。技術(shù)。 9 1553-67
? Nevas S、Wübbeler G、Sperling A、Elster C 和 Teuber A 2012 同時校正陣列光譜輻射計數(shù)據(jù)中的帶通和雜散光效應(yīng) Metrologia 49 S43
? Zong Y, Brown SW, Johnson BC, Lykke KR 和 Ohno Y 2006 陣列光譜輻射計的簡單光譜雜散光校正方法選擇。 45 1111-9
? CIE 127，LED 測量
? CIE 198，光度測定中測量不確定度的確定
? CIE 214，儀器帶通功能的影響
? CIE S025，LED 燈、LED 燈具和 LED 模塊的測試方法。
