Целью данного глоссария является помощь вам в ориентации хотя бы в нескольких из многочисленных спектроскопических и технических терминов, используемых в отрасли, а также разъяснение определений часто запрашиваемых терминов.

Аберрация

Оптическая аберрация — это отклонение производительности оптической системы от предсказаний параллельной осевой оптики. В спектрометре оптическая аберрация обычно наблюдается, когда свет из одной точки не сходится обратно в точку после прохождения через систему и выглядит как «размытие» или «смазывание» в спектре. Аберрации не обязательно вызваны дефектами оптических элементов, но возникают из-за того, что простая параксиальная теория не является полностью точной моделью влияния оптической системы на свет. Различные виды аберрации, которые могут повлиять на оптическую систему, включают в себя:

• Хроматическая аберрация — различные длины волн фокусируются линзой в разных точках, что приводит к появлению полос в спектре.
• Кома – внеосевые точечные источники размазаны, поэтому они могут иметь хвост.
• Астигматизм — свет, проходящий в двух перпендикулярных плоскостях, фокусируется линзой на разных расстояниях, поэтому часть изображения может быть в фокусе, а другая — размыта.
• Сферическая аберрация — свет на краю линзы фокусируется более или менее резко, чем свет в центре, что приводит к тому, что резкий объект становится размытым по краям.

Можно уменьшить влияние некоторых из этих аберраций с помощью использования сложной оптики и тонкопленочных покрытий. Аберрация может привести к тому, что формы спектральных пиков станут негауссовыми для малых щелей и в конечном итоге ограничит оптическое разрешение системы, когда размер входной щели мал.

Калибровка абсолютной (спектральной) освещенности

Для калибровки абсолютной освещенности требуется лампа с известной спектральной выходной мощностью для калибровки отклика спектрометра на каждом пикселе. Это изменяет форму и величину всего спектра, корректируя индивидуальную функцию отклика прибора. Измененный спектр дается в терминах мощности на площадь на длину волны, обычно выражаемой в единицах мкВт  /см2 * нм . Обратите внимание, что абсолютная освещенность не является технически правильным термином для этой величины; поскольку эта величина зависит от длины волны, правильным термином должна быть абсолютная спектральная освещенность.

Поглощение

Поглощение  измеряется в безразмерной единице, AU. Чтобы понять, как это связано с передачей, мы должны рассмотреть закон Бера-Ламберта (или Бера):

А = εlc

где A — поглощение (в AU),  ε  — поглощательная способность образца (т. е. насколько он поглощает на данной длине волны, в л*моль -1 см-1),  l  — длина пути образца (обычно ширина кюветы, в см), а c — концентрация образца (в мольл -1 ). Таким образом, поглощательная способность раствора является полезной величиной, поскольку она прямо пропорциональна концентрации раствора,  c . При некоторой концентрации эта линейность начинает нарушаться, поскольку спектрометр получает меньше света на поглощающих длинах волн, и шум становится более значительным (устройство с низким уровнем шума достигнет гораздо более высокого максимального предела AU).

Закон Бера также гласит, что отношение интенсивности света, покидающего образец, I, к интенсивности падающего на образец света, I 0  (обычно называемой коэффициентом пропускания, T), определяется следующим уравнением (обратите внимание, что поглощательная способность, ε, и интенсивность, I, зависят от длины волны, поэтому обычно при расчетах поглощения используются только интенсивность длины волны пикового поглощения и поглощательная способность образца на этой длине волны):

T = l/l 0 ∝ e -A = e -εlc

Поскольку A безразмерна, ее обычно масштабируют, чтобы получить следующее соотношение:

A = log 10 1/T = log 10 I 0 /I

Таким образом, можно заметить, что если концентрацию раствора известного образца увеличить вдвое, то значение поглощения A увеличится вдвое, а коэффициент пропускания T снизится до 10% от исходного значения.

Обратите внимание, что по мере того, как измерения поглощения масштабируются к верхнему пределу достижимого диапазона для данной конфигурации спектрометра, может быть, стоит ссылаться на это вычисленное значение (log 10 (1/T)) как на  нескорректированное поглощение . По мере приближения к пределу рассеянного света скамьи вам нужно будет скорректировать это значение с помощью функции преобразования, созданной на основе эталонных измерений поглощения известного значения поглощения (например, фильтра OD5). Эта кривая покажет, что измерения AU могут быть довольно точными и линейными для определенного диапазона OD, затем их необходимо скорректировать (обычно в сторону понижения) выше порога рассеянного света.

См. также  Поглощение  в  Методах измерения .

Аналоговый ввод/вывод

Аналоговые входные/выходные контакты позволяют спектрометру взаимодействовать с внешним устройством. Например, напряжение на выходном контакте может пошагово изменяться в указанном диапазоне для управления внешним устройством, поэтому лампа, управляемая аналоговым выходным контактом, может изменять интенсивность в зависимости от напряжения, вырабатываемого спектрометром. В этой ситуации лампа может быть установлена ​​на нулевую интенсивность при 0 В и максимальную интенсивность при +5 В, при этом яркость лампы будет постепенно изменяться с шагом 0,1 В. В свою очередь, аналоговый входной контакт может принимать изменяющееся напряжение от внешнего устройства для изменения некоторых характеристик системы спектрометра (например, задержки срабатывания). В отличие от контактов GPIO (которые существуют только в состояниях Вкл. или Выкл.), аналоговые входные/выходные контакты изменяются пошагово.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Этот компонент в спектрометре отвечает за преобразование напряжения от детектора в цифровой сигнал, который отправляется и обрабатывается компьютером для графического отображения. Падающие фотоны производят электроны в пикселях детектора, которые затем преобразуются АЦП в цифровой сигнал. Скорость, с которой АЦП отправляет данные на компьютер, измеряется в МГц (миллионы циклов в секунду). Поскольку максимальная тактовая частота детектора обычно является ограничивающим фактором скорости системы спектрометра, характеристики скорости АЦП обычно не следует использовать для сравнения возможностей различных спектрометров. Кроме того, скорость другой электроники в устройстве может ограничивать общую пропускную способность спектрометра. Таким образом, скорость или разрешение аналого-цифрового преобразователя не являются показателем качества для спектрометра.

Автообнуление

Функция автообнуления, доступная на некоторых спектрометрах, предназначена для регулировки смещения базовой линии спектрометра до определенного пользователем уровня. Это полезно при попытке использовать два разных спектрометра для наблюдения за одним и тем же источником света. Используя автообнуление, можно привести базовые линии разных спектрометров в соответствие друг с другом.

Усреднение (временное и пространственное)

При просмотре или захвате спектра возможны два вида усреднения сигнала: усреднение по времени и усреднение по пространству.

Усреднение по времени увеличивает объем спектральной информации, полученной путем вычисления средних выходов отдельных пикселей по нескольким спектральным сканированиям. Этот процесс занимает больше времени, чем просмотр результатов одного сканирования, но обеспечивает более высокое отношение сигнал/шум (SNR) и стабилизирует флуктуирующие данные. SNR увеличится на квадратный корень из числа усреднений по времени. Например, если используется 100 усреднений, SNR увеличится в 10 раз, но измерение займет в 100 раз больше времени, чем одно сканирование.

Пространственное усреднение (или сглаживание boxcar в программном обеспечении Ocean Optics) визуально сгладит результаты одного сканирования, усредняя значения соседних пикселей вместе. Этот процесс улучшает SNR за счет оптического разрешения. Пространственное усреднение полезно, когда спектр относительно плоский и ожидается небольшое изменение между соседними пикселями, так как результирующая потеря разрешения может затруднить различение резких спектральных особенностей. При использовании пространственного усреднения SNR увеличится на квадратный корень из числа усредненных пикселей.

Спектр фонового излучения

Фон — это уровень сигнала, который представляет ожидаемый выход, когда образец отсутствует. Это отличается от темного или темного спектра, который представляет ожидаемый выход, когда свет полностью отсутствует. Это важное различие можно увидеть в следующем примере:

Рассмотрим измерение отражения с использованием источника света, направляемого по волокну, но выполненное при окружающем освещении помещения. В этом случае даже если измеряется абсолютно черный образец, комнатный свет будет попадать во входное волокно. Блокировка входного волокна заблокирует весь свет и не будет учитывать этот фоновый свет, в результате чего абсолютно черный образец все еще будет показывать некоторое отражение, поскольку окружающее освещение помещения будет интерпретироваться как исходящее от образца. При съемке фонового спектра следует предотвращать попадание в спектрометр только опорного света; в этом случае источник света, направляемый по волокну, следует выключать при съемке фонового спектра, чтобы учесть фоновое освещение.

Зона запрещенной зоны (также Bandgap)

В полупроводниках, таких как кремниевые детекторы, запрещенная зона относится к разнице энергий электронов между верхом валентной зоны и дном зоны проводимости. Когда фотон с энергией, соответствующей этой запрещенной зоне, попадает на детектор, электрон продвигается из валентной зоны в зону проводимости и добавляется в «пул» пикселей для обработки. Электроника хранится в яме пикселя до тех пор, пока накопленный заряд не будет удален из детектора и передан в АЦП. Выходной сигнал преобразователя обрабатывается и формирует желаемый спектр.

Однако электроны также могут быть продвинуты из-за тепла. Детектор не имеет возможности отличить эти электроны от электронов, вызванных поглощением фотонов. Эти нежелательные электроны ответственны за темный шум. Поскольку энергия фотонов уменьшается с увеличением длины волны, инфракрасные фотоны выше 1100 нм невозможно обнаружить с помощью кремниевой ПЗС-матрицы, поскольку у них нет необходимой энергии для продвижения электрона через запрещенную зону. Инфракрасные спектрометры обычно полагаются на детекторы InGaAs, поскольку они имеют меньшую запрещенную зону и более высокую отсечку по длине волны, чем кремниевые детекторы. Побочным эффектом меньшей запрещенной зоны является более высокий темный шум от «продвинутых теплом» электронов.

Дрейф базовой линии

Дрейф базовой линии спектрометра — это общее отклонение в среднем смещении базовой линии в результате изменения температуры. По мере повышения температуры вклад отсчетов из-за темнового шума будет увеличиваться. Однако в зависимости от детектора электронное смещение может увеличиваться или уменьшаться по мере повышения температуры.

Детектор Sony ILX511B является прекрасным примером того, как повышение температуры приводит к падению базовой линии, поскольку отрицательный эффект электронного смещения затмевает небольшое увеличение из-за темнового шума. Теоретически изменение температуры может вызывать идентичные и противоположные эффекты в детекторе, тем самым сводя на нет любой дрейф базовой линии.

Базовый шум

Базовый шум представляет собой сумму шума считывания, темнового шума и электронного шума. Характеристики базового шума измеряются путем установки спектрометра на самое низкое время интегрирования (чтобы уменьшить темный шум до его минимально возможного значения), затем удаления всего света из спектрометра и записи 100 спектров. Среднее значение стандартного отклонения для каждого отдельного выхода пикселя дает минимальный базовый шум устройства в сырых числах. Базовый шум не является показателем качества, но используется при расчете динамического диапазона.

Смещение базовой линии

Смещение базовой линии относится к числу отсчетов, которые устройство сообщает при отсутствии света. Это значение может немного отличаться для каждого пикселя на детекторе. Результирующая форма этой разницы смещения пикселя к пикселю вносит вклад в фиксированный шаблонный шум. Существует три основных фактора смещения базовой линии: электронное смещение, темновой ток и шум считывания. Одно среднее значение для устройства можно рассчитать путем усреднения всех смещений базовой линии по детектору.

Радиус изгиба

Минимальный радиус окружности, в которую может быть согнуто волокно без риска повреждения. Этот термин может быть немного запутанным, поскольку меньшие числа означают, что допускаются более крутые изгибы. Этот радиус является функцией диаметра волокна, причем более крупные волокна жестче и имеют больший минимальный радиус изгиба.

• LTBR (долгосрочный радиус изгиба): Соблюдайте минимальный радиус, допустимый для условий хранения.
• STBR (кратковременный радиус изгиба): Соблюдайте минимальный допустимый радиус во время использования и обращения.

Лучшая эффективность (дифракционной решетки)

Все линейчатые или голографически протравленные решетки оптимизируют спектры первого порядка в определенных диапазонах длин волн; «лучший» или «наиболее эффективный» диапазон — это диапазон, где эффективность превышает 30%. В некоторых случаях решетки имеют больший спектральный диапазон, чем эффективно дифрагируют. Например, Ocean Optics Grating #1 имеет спектральный диапазон 650 нм, но наиболее эффективна в диапазоне 375 нм от 200 нм до 575 нм. В этом случае длины волн более 575 нм будут иметь явно более низкую интенсивность, видимую на детекторе из-за сниженной эффективности решетки.

Функция распределения двунаправленного отражения (BRDF)

Функция, описывающая отношение яркости, исходящей от поверхности, к освещенности на поверхности для указанных направлений выхода и входа. Поскольку направление входа и выхода является двумерным (азимутальный угол и зенитный угол), полная функция является четырехмерной. Поскольку обычная BRDF не включает в себя члены длины волны, она не очень полезна для спектроскопии и не является хорошей моделью для большинства поверхностей. Добавление члена падающей длины волны легко исправляет это. Однако полная BRDF требует установки гониометра, и в большинстве случаев полная зависящая от длины волны BRDF не нужна — достаточно простого подмножества или приближения.

Например, поверхность часто характеризуется только ее диффузным отражением (входной угол 45°, выходной угол 0°) и зеркальным отражением (входной угол 0° и выходной угол 0°).

Длина волны излучения (дифракционной решетки)

Для линейчатых решеток длина волны блика является пиковой длиной волны в кривой эффективности. Наклон треугольной канавки в линейчатой ​​решетке обычно регулируется для повышения яркости определенного порядка дифракции на определенной длине волны. Голографические решетки имеют синусоидальные канавки и поэтому не такие яркие, но имеют более низкие уровни рассеянного света, чем линейчатые решетки, и поэтому уменьшают посторонний свет. Для голографических решеток длина волны блика отсутствует.

Опасность синего света

В настоящее время этот термин является предметом многочисленных исследований и дискуссий и описывает возможное повреждение сетчатки, вызванное длинами волн в пределах видимого спектра, в частности, из диапазона 400-500 нм, в отличие от УФ-длин волн, которые, как известно, вызывают повреждения. Считается, что особенно сильные повреждения возникают при воздействии света ниже 430 нм. Спектрометры могут предоставлять подробные данные на всех интересующих длинах волн для источника света, вместо того чтобы объединять весь спектр в простую xy-хроматичность.

Сглаживание блочных последовательностей

Сглаживание Boxcar — это тип пространственного усреднения, который может применяться к спектру. Эта обработка удаляет шум путем усреднения значений соседних пикселей и, следовательно, улучшает отношение сигнал/шум за счет оптического разрешения. Пространственное усреднение полезно, когда спектр относительно плоский и ожидается небольшое изменение между соседними пикселями, так как результирующая потеря разрешения может затруднить различение резких спектральных особенностей. При использовании пространственного усреднения SNR увеличится на квадратный корень из числа усредненных пикселей. Обратите внимание, что в программном обеспечении Ocean Optics введенное значение для ширины boxcar — это число пикселей слева и справа от отдельного пикселя, которые усредняются вместе. Значение сглаживания последовательности 4 фактически усредняет 9 пикселей вместе (4 слева + 1 центральный пиксель + 4 справа) и увеличивает SNR в 3 раза. Аналогично, сглаживание последовательности 2 (5 пикселей) увеличит SNR в 2,2 раза, а сглаживание последовательности 0 (1 пиксель) увеличит SNR в 1 раз (тем самым оставляя спектр неизменным).

Поскольку большинство спектрометров «передискретизируют» спектр (то есть оптическое разрешение превышает расстояние между двумя пикселями на детекторе), можно усреднить сигнал от нескольких соседних пикселей, чтобы уменьшить шум без потери спектрального разрешения. В OceanView этот тип шумоподавления выполняется с помощью усреднения последовательности кадров. Количество пикселей, включенных в усреднение по обе стороны от центрального пикселя, выбирается с помощью настройки «Ширина последовательности кадров», при этом ноль соответствует отсутствию усреднения.

Однако, как только общее количество пикселей, включенных в усреднение, превышает пиксельное разрешение спектрометра, начинается компромисс между сглаживанием и спектральным разрешением. Пиксельное разрешение спектрометра зависит от скамьи спектрометра и размера щели (см.  Как мой выбор размера щели спектрометра влияет на оптическое разрешение? ). Например, для спектрометра со щелью 10 мкм ширина последовательности 2 или более начнет ухудшать разрешение спектрометра. Это часто не является проблемой, но ее следует учитывать для приложений, требующих высокого разрешения или в которых есть резкие особенности, склонные к насыщению детектора, например, линия D-альфа, наблюдаемая в спектре дейтериевой лампы.

Детектор с утонченной задней частью ПЗС

Передняя сторона традиционного кремниевого ПЗС-детектора содержит несколько структур, которые отвечают за перенос электронного заряда из пикселей. Эти структуры в некоторой степени уменьшают проникновение всех длин волн фотонов. Они значительно уменьшают фотоны ниже 450 нм и полностью блокируют фотоны ниже 400 нм, что дает стандартному кремниевому детектору плохой отклик в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Детектор с утонченной задней частью преодолевает это поглощение УФ-излучения, пропуская свет через заднюю сторону чипа детектора, который был утончен путем травления. Входя через заднюю часть чипа, УФ-фотонам не нужно проходить через эти поглощающие структуры, чтобы быть обнаруженными, что делает чип значительно более чувствительным в ультрафиолетовом диапазоне. Однако процесс травления является дорогостоящим и производит чип, который значительно более хрупкий. Другой метод, используемый для повышения УФ-производительности детектора, заключается в нанесении ультрафиолетового покрытия, которое флуоресцирует под УФ-светом. Это покрытие испускает фотоны на более низких частотах, которые могут быть уловлены пикселями на УФ-конце детектора.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС)

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) — это электрический компонент, отвечающий за преобразование входящих фотонов в электрический заряд. Детектор в спектрометре — один из примеров ПЗС, который используется для измерения количества света, поступающего в систему на каждой длине волны. Когда фотоны попадают на разные пиксели ПЗС, генерируются и сохраняются электроны. После записи образца накопленный заряд переносится с чипа, оцифровывается и отправляется на компьютер для анализа. Выходной сигнал спектрометра отображается в виде спектра.

Цветность

Используя спектрометры Ocean Optics, можно измерить цветность или  цвет образца. Цветность — это фотометрический параметр (соответствующий реакции человеческого глаза) и обычно указывается в стандартных координатах CIE. Человеческий глаз содержит колбочки, которые действуют как датчики красного, зеленого и синего цвета; каждый цвет, который вы «видите», является комбинацией выходных сигналов этих клеток. Аналогично спектрометр вычисляет цвет образца, аппроксимируя фотометрические реакции этих датчиков (на основе его спектрального выхода), чтобы максимально точно соответствовать тому, что мы видим. Спектрометр может пойти на несколько шагов дальше, количественно оценивая видимые цвета образца и вычисляя следующие параметры:

• Коррелированная цветовая температура (CCT) – это температура источника излучения черного тела, который излучает свет цвета, наиболее близкого к цвету образца. Как ни странно, источник света можно описать как холодный, если он голубоватый, или теплый, если он более красный, в то время как черные тела меняют цвет с красного на желтый, на белый и на синий при повышении температуры. Синий светодиод с очень высоким CCT можно описать как выглядящий «холоднее», чем красный светодиод с гораздо более низким CCT.
• Насыщенность цвета – это мера того, насколько насыщен цвет образца. Более белые образцы, расположенные ближе к середине графика цветности ниже, менее «насыщены цветом», чем те, которые находятся ближе к краю графика. Этот термин не следует путать с насыщенностью.
• Доминирующая длина волны – это длина волны, на которой линия, спроецированная из белой «центральной точки» на цветовой диаграмме CIE через координаты образца CIE, попадает на край графика. Это не обязательно длина волны самого высокого пика в спектре.

Цветность обычно иллюстрируется диаграммой CIE, которая содержит все оттенки цвета, воспринимаемые человеческим глазом. Вокруг края графика (движение по часовой стрелке от нижнего угла) увеличивается видимая длина волны. Каждый видимый цвет может быть получен путем смешивания цветов длин волн по краю графика. Образцам обычно присваиваются координаты CIE xyz, хотя обычно используются и другие, такие как L*a*b*.

Воспринимаемый цвет образца будет меняться в зависимости от падающего света, поэтому важно указать, чем вы освещаете свой образец при выполнении измерений отражения цвета.

КМОП-детектор

Детектор CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник) выполняет ту же функцию, что и детектор CCD, преобразуя падающие фотоны в электрический заряд. Детекторы CMOS — это более новая технология, чем CCD, движущей силой которой являются камеры смартфонов.

Каждый пиксель детектора CMOS имеет подключенный усилитель, который передает накопленный заряд после измерения на АЦП (тогда как ПЗС передает заряд каждого пикселя индивидуально на один усилитель). Детекторы CMOS могут содержать больше фиксированного шаблонного шума по сравнению с ПЗС, и для каждого пикселя потребуются индивидуальные коррекции линейности. Детекторы CMOS имеют уменьшенную утечку заряда от одного пикселя к его соседям, что улучшает резкость пиков. Детекторы CMOS обычно могут работать на гораздо более высоких скоростях, чем ПЗС.

Коллимированный

Свет, попадающий в образец или спектрометр, можно охарактеризовать как коллимированный или рассеянный. Коллимированный свет содержит только параллельные световые лучи, тогда как рассеянный свет содержит световые лучи в нескольких направлениях.

Для некоторых методов, таких как измерения поглощения, коллимированный свет должен войти в образец, затем пройти через него и быть захваченным спектрометром на другой стороне. Чтобы гарантировать, что это так в случае со спектрометрами Ocean Optics, коллимирующие линзы должны быть прикреплены к волокну от источника света и волокну к спектрометру.

Коммуникационная шина

Коммуникационная шина — это порт, через который спектрометр передает данные на компьютер. Спектрометры Ocean Optics используют USB, RS-232, SPI, I²C или Ethernet для связи с компьютером.

Косинусный корректор

Косинусный корректор — это оптический рассеиватель, который улавливает световой сигнал из поля зрения 180°. Обычно они соединены с оптическим волокном или, в некоторых случаях, напрямую с апертурой спектрометра. Они идеально подходят для измерения освещенности от плоской поверхности.

Темный ток

Темновой ток является результатом случайных тепловых флуктуаций, производящих достаточно энергии для продвижения электрона через запрещенную зону, создавая пару электрон-дырка. Пара электрон-дырка разделена локальными электрическими полями, а свободный электрон хранится в яме. Спектрометр не имеет средств для дифференциации этих тепловых электронов от электронов, генерируемых падающими фотонами, и поэтому они появляются в спектре как шум. Скорость генерации пар электрон-дырка при заданной температуре называется темновым током. Флуктуация темнового тока является результатом дробового шума и приводит к возникновению темнового шума. Поскольку темновой ток представляет собой непрерывное производство пар электрон-дырка, более длительное время интегрирования приводит к большему количеству электронов, генерируемых темновым током. Термоэлектрическое охлаждение ПЗС значительно снижает темновой ток и темновой шум, и на практике высокопроизводительные спектрометры обычно охлаждаются до температуры, при которой темновой ток пренебрежимо мал в течение типичного интервала экспозиции.

Темный Шум

Темновой шум возникает из-за статистических колебаний числа термически генерируемых пар электронов и дырок, генерируемых в кремниевой структуре ПЗС. Темновой шум не зависит от сигнала, генерируемого фотонами, но сильно зависит от температуры устройства. Скорость генерации электронов при заданной температуре ПЗС называется темновым током. Темновой шум является формой дробового шума и находится в прямой зависимости от темнового тока и эквивалентен квадратному корню из числа электронов, генерируемых за время интегрирования. Термоэлектрическое охлаждение ПЗС может значительно снизить темновой ток и темновой шум. В спектрометрах, где энергия фотонов чрезвычайно мала, а темновой шум может легко заглушить полезный сигнал, термоэлектрическое охлаждение может снизить темновой ток до пренебрежимо малых уровней в течение интервала экспозиции.

Темный Спектр

Темный спектр — это набор отсчетов в зависимости от значений длины волны для спектрометра в заданное время интегрирования, когда отсутствует свет (либо от образца, либо от источников окружающего света). Этот спектр используется для коррекции смещения базовой линии и шума фиксированного шаблона. Темный спектр также называется «темным сигналом» в другой литературе по Ocean Optics. Обратите внимание, что это отличается от фонового спектра, который представляет сигнал спектрометра при отсутствии опорного света.

Скорость передачи данных

Скорость передачи данных — это количество спектров в секунду, которые устройство может получить и передать (при условии отсутствия задержки, создаваемой принимающим устройством). Это число обычно зависит от шины связи. Максимальная скорость передачи данных не может быть рассчитана просто как  1/минимальное время интеграции,  поскольку существуют и другие источники задержки, помимо периода интеграции.

Мертвый пиксель

Пиксель или группа пикселей, которые показывают значительно меньший отклик, чем средние окружающие пиксели. Иногда также называется выпавшим. Если пиксель просто слабый и не полностью мертвый, его можно рассматривать как часть функции отклика прибора и корректировать с помощью надлежащей ссылки. Однако более низкая отзывчивость пикселя приведет к более низкому SNR для этого пикселя, но это обычно не проблема. Если пиксель слишком слабый или полностью не реагирует, его можно рассматривать как дефектный пиксель и интерполировать.

Дефектный пиксель

Пиксель с неприемлемым поведением. Это может быть то, что это мертвый пиксель, выскакивающий пиксель или неприемлемо горячий пиксель. Типичное решение — не использовать пиксель и заменить его интерполированным значением. Например, спектрометр серии NIRQuest поддерживает сохранение местоположений пикселей для справки. OmniDriver и OceanView автоматически заменят пиксели средним значением соседних хороших пикселей до и после пикселя.

Детектор

Детектор в спектрометре улавливает свет и выдает электрический сигнал. Спектрометры Ocean Optics — это детекторы CCD или CMOS, обычно изготавливаемые из кремния (в случае измерений UV-VIS) или арсенида индия-галлия (в случае NIR).

Эти полупроводниковые материалы накапливают заряд из-за электронов, освобожденных фотоном, который затем считывается в конце каждого считывания. Это считываемое значение обрабатывается для каждого пикселя, и вычисляется спектр.

Дифракционная решетка (также известная как Решетка)

В оптике дифракционная решетка — оптический компонент с периодической структурой, который разделяет и дифрагирует свет на несколько лучей, идущих в разных направлениях. Направления этих лучей зависят от расстояния между решетками и (что наиболее важно для спектроскопии) от длины волны света. В спектрометре решетка действует как дисперсионный элемент.

Большинство спектрометров используют решетку для разделения входящего светового луча на составляющие его длины волн. Это использует оптический принцип дифракции: различные длины волн будут передаваться или отражаться от дисперсионного элемента через различные углы, тем самым разделяя один многоволновой луч на множество одноволновых лучей.

Ocean Optics предлагает ряд дифракционных решеток для учета различных диапазонов длин волн и разрешений. Обычно необходимо соблюдать баланс между этими двумя параметрами: при увеличении количества линий/мм на решетке увеличивается разрешение, но уменьшается диапазон длин волн, который может рассеиваться.

Диффузный

Свет, входящий в образец или спектрометр, можно охарактеризовать как диффузный или коллимированный. Рассеянный свет содержит световые лучи в нескольких направлениях, тогда как коллимированный свет содержит только световые лучи, которые параллельны.

Для проведения измерений в свободном пространстве к спектрометру можно прикрепить рассеиватель Ocean Optics. Он будет захватывать свет в поле зрения 180º. Эти рассеиватели также можно использовать для захвата спектральных излучений с самолета.

Дисперсия (концепция)

Дисперсия — это разделение света, зависящее от длины волны. В спектрометре разделение света может быть вызвано призмой или дифракционной решеткой. Именно эта дисперсия света позволяет разным длинам волн попадать на разные пиксели детектора.

Дисперсия (значение)

Отношение спектрального диапазона дифракционной решетки к числу элементов детектора называется дисперсией. Эта величина измеряется в единицах  нм/пиксель  и, наряду с разрешением пикселей, полезна для определения оптического разрешения спектрометра. Обратите внимание, что Ocean Optics использует несколько иное определение дисперсии, чем общепринятые единицы для дифракционной решетки.

Выпадение пикселя

Один или несколько мертвых или слабых пикселей.

Динамический диапазон (единичное получение/система)

Динамический диапазон — это максимальный обнаруживаемый сигнал (видимый почти при насыщении), деленный на минимальный обнаруживаемый сигнал — его можно рассматривать как число различных элементов интенсивности, которые могут быть разрешены спектрометром. Минимальный обнаруживаемый сигнал определяется как сигнал, среднее значение которого равно базовому шуму. Это представляет собой отношение сигнал/шум, равное 1.

Спецификация динамического диапазона для одного сбора данных сообщается при самом коротком времени интеграции, что дает максимально возможный динамический диапазон. Спецификация динамического диапазона системы в целом определяется как произведение отношения максимального к минимальному сигналу при самом длинном времени интеграции и отношения максимального к минимальному времени интеграции.

Однократное получение DR  = количество отсчетов при насыщении/базовый шум при наименьшем времени интегрирования

DR sys  = (количество отсчетов при насыщении/шум базовой линии при самой длинной интеграции) x (самое длинное время интеграции/самое короткое время интеграции)

Узнайте больше о динамическом диапазоне и его связи с соотношением сигнал/шум. 

Электрическая темная коррекция

Чтобы компенсировать изменения смещения базовой линии с течением времени, некоторые спектрометры Ocean Optics имеют группу пикселей, которые оптически замаскированы, чтобы предотвратить попадание на них света. Выходные значения, которые генерируют эти темные пиксели, усредняются, а затем вычитаются из значений, сообщаемых всеми пикселями детектора, когда включена электрическая темновая коррекция. Это снижает показания смещения базовой линии (отсутствие света) детектора до почти нулевых значений для всех пикселей и, что более важно, автоматически компенсирует любые изменения смещения базовой линии, которые могут возникнуть во время эксперимента. Настоятельно рекомендуется использовать электрическую темновую коррекцию.

Электронный шум

Одним из компонентов электронного шума является шум, который создается на пути сигнала к АЦП. Это может быть результатом шума, связанного с другой электроникой в ​​устройстве, шумом усилителя или результатом ошибок в АЦП. Преобразования точно такого же заряда не обязательно дадут точно такой же результат от АЦП. Ошибка квантования также будет появляться в электронном шуме.

Электронный офсет

Электронное смещение — это количество отсчетов, отображаемых, когда детектор выдает минимально возможное напряжение. Это результат того, как выходное напряжение детектора сопоставляется с диапазоном входного напряжения АЦП. Это число не зависит от темнового шума, шума считывания, электронного шума и полезных сигнальных фотонов. Электронное смещение может зависеть от температуры и в некоторых устройствах может приводить к снижению смещения базовой линии при повышении температуры вместо увеличения, как можно было бы ожидать от типичного ПЗС.

Спектрометры более ранних моделей, включая спектрометры HR2000+ и USB2000+, демонстрируют это явление. При коротких временах интегрирования большая часть значения смещения базовой линии является результатом электронного смещения. Шум базовой линии добавляется к этому значению, чтобы увеличить количество отсчетов, отображаемых на графике, когда отсутствует свет.

F-число

Число f представляет собой отношение диаметра оптического компонента к его фокусному расстоянию и связано с числовой апертурой. Например, коллимирующие зеркала во многих спектрометрах Ocean Optics имеют размер ƒ/4 (иногда обозначается как ƒ:4 или ƒ-4). Это означает, что фокусное расстояние в четыре раза больше диаметра зеркала. Оптический компонент с меньшим числом f лучше собирает свет, но более восприимчив к эффектам аберрации, чем компонент с большим числом f. В любой составной оптической системе эффективное число f определяется оптикой с наибольшим числом f.

Программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA)

Программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) — это логическая микросхема, которая содержит программный код, необходимый для работы определенных спектрометров Ocean Optics. В отличие от предварительно печатных плат, FPGA можно переписывать для внесения изменений, когда необходимо обновление прошивки.

Фигуры заслуг

«Показатели качества» — это общий термин, не относящийся к спектроскопии. Он относится к характеристикам, которые наиболее полезны для сравнения полезности устройства или системы. Важно четко определить истинные показатели качества в любой системе и игнорировать другие нерелевантные характеристики, которые напрямую не указывают на конечную производительность. При оценке спектрометра ключевыми показателями качества являются:

• Динамический диапазон
• Оптическое разрешение
• Соотношение сигнал/шум
• Чувствительность
• Рассеянный свет
• Диапазон длин волн
• Термическая стабильность

Прошивка

Прошивка — это программный код, который постоянно хранится на чипе памяти спектрометра. Прошивка инструктирует спектрометр о том, как запускать всю электронику в спектрометре, и позволяет устройству взаимодействовать с компьютером пользователя. Прошивка также сохраняет определенные рабочие параметры, которые управляют производительностью спектрометра (например, коэффициенты калибровки длины волны).

Исправленный шаблонный шум

Каждый пиксель действует как отдельный детектор и может иметь немного отличающееся смещение базовой линии и чувствительность по сравнению со своими соседями. Разница в чувствительности известна как неоднородность фотореакции (PRNU). Это создает неслучайные структуры в данных. Ее эффекты можно компенсировать в программном обеспечении путем вычитания темнового спектра и выполнения калибровки освещенности.

Флуоресценция

Флуоресценция  — это поглощение и последующее излучение света двух разных частот или длин волн. Обычно это наблюдается в экспериментальных установках, когда полоса с меньшей длиной волны падающего света поглощается с одного направления, а полоса с большей длиной волны света испускается во всех направлениях. Это наиболее заметно, когда образец поглощает ультрафиолетовый свет (невидимый человеческим глазом) и испускает видимый свет.

Молекула образца может быть возбуждена электронно и колебательно входящим фотоном, переведена в состояние с более низким колебанием за счет нагревания образца вокруг нее, а затем возвращена в основное электронное состояние, испустив фотон с более низкой энергией (с более высокой длиной волны), чем поглощенный.

Флуоресценцию можно использовать для исследования ряда образцов, поскольку флуоресцентные молекулы поглощают определенную длину волны и испускают другую. При известной длине волны падающего света образец можно идентифицировать по спектру его флуоресцентного излучения. Поскольку флуоресценция происходит на молекулярном уровне (обычно один фотон на входе, один фотон на выходе), это единственный спектроскопический метод, способный идентифицировать отдельные молекулы. См. также  Флуоресценция  в  методах измерения .

Покрытие флуорофором

Флуорофор — это покрытие, которое можно наносить на детектор для улучшения чувствительности к ультрафиолету. Это покрытие испускает фотоны на более низких частотах, которые могут улавливаться пикселями на УФ-конце детектора. См. Ультрафиолетовое покрытие.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние линзы или зеркала — это расстояние от оптики, на котором входящий параллельный свет будет сходиться в одной точке пространства.

Узость полосы цветов, которую может генерировать спектрометр, напрямую связана с фокусным расстоянием его коллимирующих зеркал. Большее фокусное расстояние в оптической системе приведет к более высокому оптическому разрешению. Но использование большего фокусного расстояния уменьшает количество света, которое может быть принято от источника, поскольку большее фокусное расстояние соответствует меньшей числовой апертуре.

Полная ширина на половине максимума (FWHM)

При анализе спектральных пиков на графике полная ширина на половине максимума (FWHM) является полезным способом характеристики формы и общего значения пика. FWHM задается как разница длин волн между двумя точками по обе стороны от максимума, при которых интенсивность составляет половину максимального значения пика. Это дает не только меру высоты пика, но и его ширины. Аналогично, полная ширина на четверти максимума (FWQM) может использоваться для характеристики распространения пика.

Универсальный ввод/вывод (GPIO)

Контакты ввода/вывода общего назначения (GPIO) позволяют спектрометру взаимодействовать с внешними устройствами. Эти контакты можно настроить как входы для получения цифрового сигнала от внешнего устройства или как выходы, которые передают цифровые сигналы от спектрометра для изменения состояния внешнего устройства. В отличие от аналоговых контактов ввода/вывода, состояние контакта GPIO либо включено (+5 В), либо выключено (0 В). Напряжение не может быть изменено пошагово в этом диапазоне.

Плотность канавок (дифракционной решетки)

Плотность канавок (мм -1 ) решетки определяет ее дисперсию, в то время как угол канавок определяет наиболее эффективную область и длину волны блеска спектрометра. Чем больше плотность канавок, тем лучше возможное оптическое разрешение, но тем более усечен спектральный диапазон. Плотность канавок в мм -1  иногда записывается как линии на миллиметр (л/мм) или канавки на миллиметр (г/мм).

Высокопроизводительная виртуальная щель (HTVS)

Свет, выходящий из оптоволоконного кабеля, выходит в круговом конусе, описываемом числовой апертурой волокна. Когда этот свет попадает в традиционный спектрометр, он должен пройти через открывающуюся  щель  в форме вертикального прямоугольника. Чтобы полностью заполнить вертикальный размер щели, большая часть света с левой и правой стороны щели не попадает в спектрометр. Для узкой щели это означает, что меньший процент света, выходящего из волокна, фактически попадет на детектор. Несмотря на меньшую пропускную способность света, узкая щель желательна, поскольку она обеспечивает более высокое оптическое разрешение, чем более широкая щель.

Для достижения наилучшей пропускной способности света и разрешения можно использовать альтернативную конструкцию, называемую High Throughput Virtual Slit (HTVS). Круглая форма светового луча разрезается, обрабатывается и собирается заново в узкую вертикальную прямоугольную форму с помощью управляющих зеркал и линз. Затем этот свет разделяется на составляющие длины волн, как и прежде, и отображается детектором. Таким образом, свет не тратится впустую, что позволяет достичь той же оптической производительности, используя значительно более короткое время интеграции.

Горячий пиксель

Пиксель, темновой ток которого значительно выше среднего. Темновой ток для горячего пикселя также может иметь другой температурный профиль, чем у остальных пикселей. Горячий пиксель, как правило, можно рассматривать как часть темного спектра и можно исправить, сохранив фон. В результате, горячий пиксель часто не является настоящей проблемой. Чрезмерно горячий пиксель может быть трудно использовать, если он легко насыщается. В этом случае лучше всего пометить его как дефектный. Горячий пиксель, как правило, будет иметь более высокий темный шум, связанный с более высоким темновым током.

Функция отклика прибора (IRF)

Каждый спектрометр Ocean Optics имеет то, что называется функцией отклика прибора, или IRF. IRF характеризует, как спектрометр реагирует на свет во всем диапазоне длин волн. Этот отклик далеко не однороден: спектрометр будет выдавать разный отклик (здесь определяемый как количество отсчетов режима быстрого просмотра, произведенных для фиксированного количества фотонов) на каждом пикселе. IRF неоднороден из-за кумулятивных эффектов оптической неэффективности на пути света. К ним относятся, помимо прочего, следующие эффекты, зависящие от длины волны: затухание света в оптоволоконном кабеле; поглощение света зеркалами; эффективность решетки; и отклик детектора. IRF для каждого спектрометра уникальна и не может быть реально измерена. Однако IRF можно компенсировать. Двумя общими поправками являются расчеты относительной освещенности и абсолютной освещенности.

Время интеграции

Время интеграции — это период времени, в течение которого детектору разрешено собирать фотоны перед передачей накопленного заряда в АЦП для обработки. Минимальное время интеграции — это наименьшее время интеграции, поддерживаемое устройством, и оно зависит от того, насколько быстро детектор может считывать всю информацию о пикселях. Время интеграции не следует путать со скоростью передачи данных.

Джиттер

При запуске внешнего устройства существует определенная задержка между отправкой сигнала и реакцией устройства. Это значение, называемое задержкой, является постоянным и может быть учтено. Джиттер, с другой стороны, является неопределенностью в задержке запуска. Характеристики запуска для спектрометра могут быть, например, 8,3 мкс ± 9 нс. В этом случае 8,3 мкс — это задержка запуска, а 9 нс — это джиттер. Чем ниже значение джиттера, тем надежнее вы можете запускать внешние устройства.

Ламбертовский рефлектор

Идеальная поверхность рассеивателя — т. е. имеющая одинаковую яркость независимо от угла выхода. Ламбертовская поверхность следует закону косинуса Ламберта, который гласит, что интенсивность излучения пропорциональна косинусу угла обзора.

Задержка

См. Джиттер.

Линейность

Линейность измеряет, насколько последовательно спектрометр реагирует на уровни света во всем диапазоне интенсивности. Например, если время интегрирования 10 мс стабильного источника дает 500 отсчетов, то время интегрирования 100 мс должно дать 5000 отсчетов. График зависимости количества отсчетов в секунду от времени интегрирования в идеально линейном устройстве будет постоянным. Отклонение от этой прямой линии является мерой нелинейности. Чтобы скорректировать нелинейность детектора, проводится эксперимент, в котором рассматривается реакция пикселей на постоянный источник света при изменении времени интегрирования. Затем данные подгоняются под полином седьмой степени и сохраняются в спектрометре для корректировки будущих измерений.

Линейность не следует путать с линейностью поглощения. Последняя является линейностью, изложенной в законе Бера: раствор, поглощающий свет на данной длине волны, даст пик поглощения на этой длине волны, интенсивность которого будет линейно меняться с изменением концентрации раствора. Поэтому, если концентрация удваивается, высота пика поглощения также удвоится. Например, спектрометр, описанный как «линейный до 2,5 AU», покажет эту зависимость до 2,5 AU, выше которой зависимость нарушится (из-за того, что меньше падающего света достигает спектрометра, что делает шум сигнала более значительным по сравнению с самим сигналом).

Шум

Шум — это общий термин для всех нежелательных сигналов в спектре. Он может выглядеть как высокочастотная, нечеткая серия линий, которая следует контурам желаемой спектральной формы, размытие спектральных пиков или низкочастотная модуляция спектра. Это комбинация ряда различных, часто не связанных между собой источников:

• Темный или тепловой шум – вызванный электронами, которые нагреваются в детекторе под действием тепла, а не падающим светом (увеличивается с температурой, уменьшается за счет TEC)
• Фотонный шум – вызван статистическим изменением числа фотонов, попадающих на детектор за определенное время (дробовой шум), который увеличивается с интенсивностью падающего света.
• Электронный шум – ошибки в АЦП и электронных схемах, которые ошибочно интерпретируются спектрометром как световой сигнал.
• Аберрация – размытие/ореолы, вызванные разной фокусирующей способностью оптических компонентов на разных длинах волн.
• Рассеянный свет – свет, рассеиваемый/отражаемый/преломляемый не на те части детектора; это пример систематического шума.
• Несовершенства/дефекты оборудования – битые пиксели или царапины на линзах могут добавить/удалить особенности в конечном спектре.
• Шум считывания – шум, возникающий при считывании накопленного заряда пикселя; этот шум вводится в детектор в результате самого процесса считывания и возникает в основном из-за предварительного усилителя детектора.

Обычно уровень шума можно снизить, используя спектральное усреднение и контролируя температуру устройства.

Эквивалентная мощность шума (NEP)

Эквивалентная шуму мощность (NEP) — ​​это способ соотнести чувствительность детектора с общей производительностью спектрометра. NEP — это мощность излучаемого сигнала, необходимая для получения отношения сигнал/шум 1 за время интегрирования 0,5 с (это время эквивалентно «выходной полосе пропускания 1 Гц»). NEP задается в единицах Вт  /√Гц и определяется с помощью следующего уравнения (где λ p  — пиковая длина волны):

NEP (в Вт/√Гц) = спектральная плотность шума (в А/√Гц) / чувствительность при λ p  (в А/Вт)

Спектральная плотность шума — это радиометрическая мощность шума на единицу полосы пропускания, а чувствительность — это выходной ток на ватт, излучаемый на детектор (это часто называют чувствительностью детектора).

NEP двух систем можно использовать как средство сравнения их «чувствительности». Например, спектрометр с NEP 0,001 Вт/√Гц может обнаружить мощность радиометрического сигнала 1 милливатт при SNR 1 за время интеграции 0,5 с, тогда как спектрометр с NEP 1 Вт/√Гц достигнет SNR 1 за то же время интеграции при облучении всего ваттом.

Числовая апертура (NA)

Числовая апертура оптического компонента (например, линзы или волокна) — это безразмерная величина, которая характеризует диапазон углов, через которые компонент может излучать или принимать свет. Например, волокно с более высоким значением NA будет иметь больший конус приема для падающего света. Все стандартные стекловолоконные оптические кабели Ocean Optics имеют числовую апертуру 0,22, что дает угол приема 12,7° в воздухе. В любой составной оптической системе эффективная числовая апертура диктуется оптикой с наименьшей числовой апертурой. Для линз и зеркал число, связанное с числовой апертурой, называемое числом f, также может использоваться для описания конуса приема света.

Оптическая плотность

Этот термин используется как для обозначения поглощения образца, так и для обозначения показателя преломления вещества (отношения скорости света, проходящего через вещество, к скорости света в вакууме).

Оптическое разрешение

Оптическое разрешение спектрометра, измеряемое как полная ширина на половине максимума (FWHM), зависит от плотности канавок решетки и диаметра входной оптики (оптоволокна или щели). Разрешение увеличивается с увеличением плотности канавок решетки, но за счет спектрального диапазона и силы сигнала. Разрешение также увеличивается с уменьшением ширины щели или диаметра волокна, но за счет силы сигнала. Разрешение определяется следующим уравнением:

ИЛИ = SR/nx PR

где,

OR = оптическое разрешение спектрометра (в нм)

SR = спектральный диапазон решетки (в нм)

n = количество элементов детектора (в пикселях)

PR = разрешение в пикселях для спектрометра и щели (в пикселях)

Отношение — это величина, которую Ocean Optics называет дисперсией и измеряется в нм/пиксель. Это относится к комбинации детектора и решетки.

Фильтры сортировки заказов

Фильтры сортировки по порядку применяются к окну детектора и предназначены для блокировки эффектов дифракции второго и третьего порядка. Это предотвращает попадание света с более короткими длинами волн на детектор в месте, предназначенном для более высоких длин волн. Например, без фильтра сортировки по порядку свет от линии 253,652 нм ртутного источника появлялся бы как в точках 253,652 нм, так и в точках 507,304 нм на детекторе.

ПАР

Фотосинтетически активная радиация (ФАР) — это мера количества падающего света, поглощаемого растением и способствующего фотосинтезу. Поэтому это очень полезный параметр для тех, кто работает в сельскохозяйственной отрасли.

Фотосинтез — это квантовый процесс: скорость химической реакции определяется не энергией, а количеством фотонов, поглощенных хлорофиллом (поглощенный фотон длиной 400 нм будет иметь такое же фотосинтетическое воздействие, как и поглощенный фотон длиной 500 нм, при этом избыточная энергия выделяется в виде тепла).

PAR определяется как общее количество фотонов, попадающих на единицу площади за единицу времени, которые имеют длины волн в диапазоне 400-700 нм. Обратите внимание, что этот метод предполагает, что все фотоны в этом диапазоне оказывают одинаковое фотосинтетическое воздействие, а те, которые находятся за его пределами, не оказывают никакого. Более того, он не дает никаких указаний относительно эффективности поглощения каждого из этих фотонов растением, а только количество потенциально «полезного» доступного света. Это «широкополосная величина»; вместо спектра показания PAR дадут число, рассчитанное путем сложения всех «полезных» фотонов в спектре, попадающих в заданную точку.

Единицы PAR обычно указываются как мкмоль.с -1 .м -2 . Количество фотонов на каждой длине волны рассчитывается путем деления  измеренной радиометрической мощности  света образца на любой длине волны на  энергию одного фотона  на этой длине волны.

Неравномерность фотоотклика (PRNU)

Неоднородность фотореакции (PRNU) является основной причиной шума фиксированного образца в спектре. Это происходит из-за нелинейных реакций на падающий свет отдельных пикселей в детекторе, которые, усугубляемые изменением температуры или длительным временем интеграции, могут проявляться в виде значительных изменений интенсивности между соседними пикселями. Шумы фиксированного образца можно устранить с помощью радиометрической калибровки спектрометра.

Фотометрия

Фотометрия — это изучение и анализ света, воспринимаемого человеческим глазом. Таким образом, это подвид радиометрии. Яркость различных частей видимого спектра изменяется в соответствии с воспринимаемой яркостью (функцией реагирования) глаза.

Фотонный шум

Фотонный шум — это тип дробового шума, который возникает из-за присущей статистической вариации скорости поступления фотонов на ПЗС. Интервал между прибытиями фотонов регулируется распределением Пуассона, и поэтому фотонный шум эквивалентен квадратному корню из числа поступающих фотонов. Когда фотонный сигнал мал, фотонный шум по сравнению с фотонным сигналом может быть весьма значительным, снижая отношение сигнал/шум системы. Однако из-за их разных скоростей увеличения шум становится менее значительным по сравнению с сигналом, поскольку число отсчетов становится очень большим. Несмотря на то, что количество фотонного шума увеличивается по мере того, как больше света попадает на детектор, фотонный сигнал растет с гораздо большей скоростью, что приводит к увеличению SNR. Важно отметить, что при низком уровне сигнала темновой шум является доминирующим источником шума, но при больших уровнях сигнала доминирует фотонный шум. Часто вместо фотонного шума используется термин «дробовой шум».

Разрешение пикселей

Разрешение пикселей — это FWHM (измеренное в пикселях), создаваемое изображением щели на ПЗС. Это число зависит от размера щели и оптической скамьи и определяется экспериментально. Это число, умноженное на дисперсию (в пикселях), дает оптическое разрешение. В идеальной системе график размера щели против разрешения пикселей будет линейным. Однако аберрация и конечный размер пикселя ограничивают разрешение пикселей, когда размер щели мал.

Глубина пиксельной ямы

Максимальное количество электронов, которое может хранить каждый пиксель детектора, называется глубиной колодца. Глубина колодца пикселя определяет максимальный сигнал, доступный для одного события считывания или получения. Динамический диапазон ПЗС также прямо пропорционален глубине колодца. Уровни падающего света и время интегрирования определяют количество электронов, собираемых на каждом пикселе. Если падающий свет генерирует больше электронов, чем может удержать колодец пикселя, пиксель насыщается. Важно не допускать насыщения спектрометра (даже в части спектра, которая не исследуется) при проведении измерения, так как это может повлиять на остальную часть спектра.

Выскакивающий пиксель

Выскакивающий пиксель — это пиксель, значение которого внезапно меняется. Пиксель в основном ведет себя как горячий пиксель, темновой ток которого внезапно меняет величину. Это может быть особенно тревожным, поскольку внезапность изменения значения означает, что даже после ссылки он может внезапно снова появиться в обработанном спектре. Если пиксель, который я идентифицировал как выскакивающий, лучше всего рассматривать его как дефектный пиксель и удалить. Выскакивающие пиксели в значительной степени уникальны для ПЗС и считаются результатом ловушек заряда, вызванных дефектами в материале.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность — это мера того, насколько хорошо детектор генерирует электроны в ответ на входящие фотоны. Более высокое значение квантовой эффективности означает более чувствительный детектор. Поскольку чувствительность детектора меняется для разных длин волн фотонов, квантовую эффективность лучше всего выражать в виде кривой, а не одного значения. Для спектрометров квантовая эффективность не является показателем качества, поскольку это всего лишь один компонент в определении общей производительности.

Режим быстрого просмотра

В программном обеспечении Ocean Optics OceanView режим быстрого просмотра представляет собой графическое представление, позволяющее пользователям видеть необработанные счетчики детекторов без каких-либо настроек, калибровки или компенсации. Хотя режим быстрого просмотра полезен для настройки времени интегрирования и регулировки уровней освещенности, он не является по-настоящему точным представлением входящего света, поскольку не учитывает функцию отклика прибора, фиксированный шаблонный шум и смещение базовой линии. Для просмотра действительно значимых данных для эмиссионных измерений спектр следует просматривать в режиме относительной освещенности или режиме абсолютной освещенности. 

Радиометрия

Радиометрия — это научное исследование электромагнитного излучения, включая видимый спектр. Она характеризует распределение мощности электромагнитного спектра, в отличие от фотометрии, которая характеризует воспринимаемую интенсивность видимого света, воспринимаемого человеческим глазом.

Раман

Рамановская спектроскопия  — это метод обнаружения образца с использованием спектрального отпечатка, как это делается с помощью  абсорбционной ,  флуоресцентной  или  трансмиссионной спектроскопии . Однако теория Рамана совершенно иная, как и экспериментальный метод получения спектра Рамана.

Рамановская спектроскопия использует неупругое рассеяние от одноволнового падающего светового пучка в видимом или ближнем инфракрасном спектре. Образец поглощает падающий световой пучок, поскольку он переходит в виртуальное энергетическое состояние, прежде чем испустить его и вернуться в свое исходное основное состояние — возбужденные состояния считаются «виртуальными», поскольку молекулы образца не остаются в этом состоянии в течение какого-либо времени. Упругорассеянный свет будет иметь ту же длину волны, что и падающий свет, тогда как свет, рассеянный неупруго, будет иметь немного большую или меньшую длину волны. Именно эти различия в длине волны можно использовать для идентификации образца.

Неупруго рассеянный свет обычно намного слабее по интенсивности как падающего светового пучка, так и упруго рассеянного света, поэтому основная трудность в рамановской спектроскопии заключается в отфильтровывании всего, кроме неупруго рассеянного света. Обычно только один из миллиона падающих фотонов рассеивается неупруго. Использование подложки Ocean Optics SERS во время эксперимента может усилить рамановский сигнал конкретного образца.

Разница в длине волны между упругим и неупругим рассеянием обусловлена ​​изменением уровней колебательной или вращательной энергии образца в результате поглощения и почти переизлучения падающего светового пучка. Это похоже, но в конечном счете отличается от изменений уровня энергии, наблюдаемых в инфракрасной абсорбционной/трансмиссионной спектроскопии, где падающий свет полностью поглощается на соответствующей длине волны.

Сбивает с толку то, что разница между падающей и неупруго рассеянной длинами волн указана в единицах см -1  , а не нм, поэтому спектр для образца будет давать интенсивность относительно см -1 . Рамановское рассеяние может использоваться для твердых и жидких образцов, не разрушает образец и может различать молекулярные изомеры. См. также  Рамановское рассеяние  в разделе  Методы измерения .

Шум считывания

Шум считывания — это шум, возникающий при считывании накопленного заряда пикселя. Это шум, который вносится в детектор в результате самого процесса считывания и возникает в основном из-за предварительного усилителя детектора.

Относительная облученность

Относительная освещенность использует лампу с известной цветовой температурой (но не обязательно известной выходной мощностью) для коррекции формы спектра, но не величины (отсюда ее «относительный» идентификатор). Относительная освещенность позволяет пользователю определить, больше ли света на одной длине волны, чем на другой (что невозможно определить, глядя на необработанное число отсчетов из-за функции отклика прибора), хотя она не дает никакой информации о том, сколько мощности в абсолютных величинах.

Насыщенность

Насыщение пикселей происходит, когда падающий свет настолько велик, что глубина пиксельной ямы в определенной точке превышена, и детектор генерирует максимально возможное напряжение для этого пикселя. Насыщение обычно происходит в результате воздействия слишком яркого источника света или в результате слишком длительного времени интегрирования. Важно не допускать насыщения спектрометра (даже в части спектра, которая не исследуется) при проведении измерения, так как это может повлиять на остальную часть спектра.

Режим области видимости

Режим «Окуляр» в программном обеспечении OceanView заменен режимом быстрого просмотра.

Эффекты второго и третьего порядка

Когда свет дифрагируется решеткой в ​​спектрометре, каждая длина волны разделяется на бесконечное количество лучей. Первый и самый интенсивный из этих дифракционных лучей для каждой длины волны фокусируется на детекторе. Второй, третий и более высокие лучи дифрагируют под большими углами. Поскольку эта дифракция является причиной рассеянного света, внутренняя часть спектрометров Ocean Optics окрашена черным покрытием, чтобы минимизировать отражение этих дифрагированных лучей более высокого порядка от внутренней части спектрометра и попадание обратно на детектор.

Для длин волн ниже половины максимальной длины волны в диапазоне длин волн спектрометра необходимо использовать фильтры, чтобы предотвратить попадание лучей 2- го  и 3- го  порядков прямо на сам детектор. Компонент 250 нм будет дифрагирован решеткой и попадет на детектор на 250 нм, а также на 500 нм и 750 нм. Аналогично, компонент 350 нм в падающем свете будет дифрагировать на части детектора 350 нм и 700 нм. Поэтому фильтр нижних частот должен покрывать детектор, чтобы остановить дифрагированные лучи 2- го  и 3-го порядков  с более низких длин волн, дающие ложные показания в два или три раза больше их фактической длины волны.

Чувствительность

Чувствительность спектрометра — это мера того, как оптический входной сигнал (свет) соотносится со спектральным выходным сигналом (отсчетами), как это видно в программном обеспечении Ocean Optics.

Чувствительность детектора, а не чувствительность спектрометра, обычно указывается одним из следующих двух способов:

1. Выходной ток (Ампер, А) на падающую радиометрическую мощность (Ватт, Вт)

Чувствительность может быть выражена в терминах тока, создаваемого детектором для источника облучения заданной радиометрической мощности. Единицами для этого обычно являются A/W (это часто называют чувствительностью детектора, см. NEP). Когда чувствительность выражается в терминах A/W, квантовая эффективность детектора и его чувствительность напрямую связаны следующим уравнением:

QE = Sx1240/λ x 100 (%), где λ — длина волны в нм.

2. Выходное напряжение (В) на падающую фотометрическую экспозицию (люкс-секунды, люкс.с)

Чувствительность также может быть задана в терминах напряжения, создаваемого детектором для определенного количества фотометрической экспозиции. Обычные единицы для этого метода — В/люкс.с.

Падающие фотоны на счет. Оба определения выше сложны для понимания пользователями спектрометра, поскольку выходной сигнал детектора (в вольтах или амперах) обрабатывается прошивкой и программным обеспечением для получения спектра. Вместо этого спецификации Ocean Optics обычно показывают отношение счетов (как видно на оси Y в OceanView) к количеству падающих фотонов на определенной длине волны (обычно указывается на 400 нм и 600 нм). Это наиболее полезное определение, поскольку оно напрямую связано с тем, что видит клиент в программном обеспечении OceanView.

Предупреждение: «Чувствительность» часто используется взаимозаменяемо с шумовой эквивалентной мощностью (NEP), что приводит к путанице. Более того, когда мы описываем спектрометр как «достаточно чувствительный, чтобы улавливать очень слабые световые сигналы», эта «чувствительность» на самом деле определяется как отношением сигнал/шум спектрометра (SNR), так и отношением падающих фотонов к счету. Аналогично, когда мы говорим о способности спектрометра улавливать очень малые изменения в спектральном пике, мы должны ясно понимать, что эта «чувствительность» определяется как его динамическим диапазоном, так и отношением падающих фотонов к счету. Термин «чувствительность» следует либо прояснить в этих обсуждениях.

Шум выстрела

Дробовой шум — это статистическая вариация, которая присутствует в любой дискретной случайной системе. Типы дробового шума, имеющие отношение к спектрометрам, — это фотонный шум и темный шум.

Затвор

Затвор используется для предотвращения попадания света в спектрометр во время темных измерений. Обычно он управляется из спектрометра как внешний стробоскоп, чтобы он открывался и закрывался во время измерений. Затворы могут быть подключены через оптоволокно перед спектрометром, но QE  Pro  содержит внутренний затвор, чтобы обеспечить этот контроль без потенциального затухания сигнала по этим волокнам.

Соотношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум (SNR) определяется как интенсивность сигнала, деленная на интенсивность шума на определенном уровне сигнала – поэтому оно может изменять измерение к измерению. Поскольку шум обычно увеличивается как функция сигнала из-за фотонного шума, функция SNR на самом деле является графиком индивидуальных значений SNR в зависимости от сигнала, при котором они были получены. Значение SNR спектрометра, сообщаемое Ocean Optics в его техническом описании, является максимально возможным значением SNR (полученным при насыщении детектора). Предполагается, что кривая отклика SNR для каждого пикселя одинакова.

Измерение выполняется следующим образом: источник света выбирается таким образом, чтобы спектральный пик просто насыщался при самом низком времени интегрирования или при времени интегрирования, значительно ниже предела теплового шума (спектр также должен иметь область низких или почти нулевых отсчетов); для расчета SNR выполните 100 сканирований без света и вычислите среднее базовое значение отсчета для каждого пикселя, затем выполните 100 сканирований со светом и вычислите среднее и стандартное отклонение выходного отсчета каждого пикселя; затем отношение сигнал/шум определяется следующим уравнением:

ОСШ ρ = (S – D)/σ ρ

где,

SNR = отношение сигнал/шум

S = средняя интенсивность образцов (с освещением)

D = среднее значение темноты (без света)

σ = стандартное отклонение образцов (с учетом света)

ρ = номер пикселя

Чтобы получить полный график соотношения сигнал/шум в зависимости от сигнала, постройте график рассчитанных значений SNR ρ  (шум) в зависимости от S ρ  – D ρ  (сигнал). Это охватит широкий диапазон пиковых значений (от темных до почти насыщенных). Поскольку все пиксели имеют одинаковую кривую отклика, данные для графика SNR в зависимости от сигнала могут поступать от всех разных пикселей. Поскольку фотонный шум вносит наибольший вклад в шум при больших значениях сигнала, идеальный график должен иметь форму, которая приближается к y = √x .

Обратите внимание, что отношение сигнал/шум можно улучшить, используя различные типы усреднения сигнала. Для усреднения по времени SNR увеличится на квадратный корень из числа использованных спектральных сканирований. Например, отношение сигнал/шум 300:1 станет 3000:1, если усреднить сто сканирований. Для пространственного усреднения (boxcar) SNR увеличится на квадратный корень из числа усредненных пикселей.

Хотя эти методы полезны для получения точных данных, они могут запутать сравнение различных спектрометров. Ocean Optics сообщает все свои значения SNR, не полагаясь на увеличение, вызванное усреднением сигнала. Многие из наших конкурентов используют усреднение сигнала для искусственного завышения значений SNR на спектрометрах худшего качества.

Узнайте больше о соотношении сигнал/шум  и его связи с  динамическим диапазоном. 

щель

Щель — это небольшое отверстие, через которое свет попадает в спектрометр. Ширина щели обратно пропорциональна оптическому разрешению спектрометра, так что меньшая ширина щели даст большее разрешение. Однако меньшая щель пропускает меньше света в спектрометр. Для большинства спектрометров Ocean Optics высота щели составляет 1000 мкм, и только ширина меняется (от 5 мкм до 200 мкм). Для спектрометров без щели диаметр оптического волокна ограничивает количество света, попадающего в систему, и выполняет функцию щели. 

Спектрометр

Ocean Optics производит миниатюрные спектрометры и дополнительные аксессуары. Эти устройства анализируют свет, разбивая образцы световых лучей на составляющие их длины волн.

Спектрометр отправляет эту информацию на обработку, и для каждого образца можно получить спектр. Этот спектр выделяет относительный сигнал на каждой длине волны, и, сравнивая спектр образца с известным (или эталонным) спектром, можно получить ценную информацию.

Миниатюрные спектрометры Ocean Optics захватывают луч света через отверстие; затем они используют дифракционную решетку для разделения этого луча на составляющие длины волн. Количество инфракрасного, красного, зеленого, синего, фиолетового и ультрафиолетового (и всего, что между ними) в луче может быть количественно определено и обработано.

Свет взаимодействует с материей; часть поглощается, часть передается, часть рассеивается. Анализируя свет, проходящий через образец или отражающийся от него, можно идентифицировать и понять образец.

Спектрометры Ocean Optics могут использоваться в качестве компонента модульной установки, что позволяет пользователю работать с широким спектром образцов в еще более широком диапазоне приложений и сред.

Спектр

Это график, показывающий, как свет от источника образца меняется в зависимости от длины волны. Спектр — это двумерный график, показывающий длину волны (обычно измеряемую в нанометрах, нм) против некоторой меры интенсивности (в зависимости от эксперимента это может быть процент, %, выходная мощность, мкВт.см -2 .нм -1 , или некоторая произвольная единица, отсчеты).

Свет взаимодействует с материей; часть поглощается, часть передается, часть рассеивается. Анализируя свет, проходящий через образец или отражающийся от него, можно идентифицировать и понять образец.

Спектральные приборы, такие как спектрометры, могут получать спектр, анализируя свет, испускаемый образцом, проходящий через него или отражаемый от него. Спектр может быть уникальным для образца, что позволяет идентифицировать и количественно определять образцы и компоненты в образцах. Спектроскопию можно использовать в самых разных средах — модульные спектрометры Ocean Optics вынесли мощь спектроскопии из лаборатории в реальный мир.

Спектральный диапазон (дифракционной решетки)

Спектральный диапазон дифракционной решетки — это дисперсия решетки по линейной решетке детектора; также выражается как «размер» спектров на решетке. Спектральный диапазон является функцией плотности канавок и размера детектора и не изменяется. Когда вы выбираете минимальную длину волны для спектрометра, вы добавляете его спектральный диапазон к этой длине волны, чтобы определить максимальную длину волны. Однако для нескольких решеток спектральный диапазон решетки меняется в зависимости от начальной длины волны, поэтому чем выше начальная длина волны, тем более усечен спектральный диапазон.

Рассеянный свет

Рассеянный свет — это свет, который непреднамеренно попадает на любую часть детектора и дает ложные показания. Детектор может не различать длины волн, попадающие на пиксель, он просто измеряет интенсивность падающего света; поэтому, если свет попадает на детектор на длине волны, на которой не должен, детектор ошибочно выдаст показания на этой длине волны. Этот рассеянный свет обычно исходит от предполагаемого источника, но рассеивается внутри спектрометра и попадает на неправильную часть детектора, но он также может быть из совершенно другого источника. Этот свет часто устанавливает рабочий предел динамического диапазона системы и снижает отношение сигнал/шум, ограничивая то, насколько темной может быть система. Рассеянный свет будет влиять на абсолютные значения цвета или поглощения. Вот некоторые распространенные источники рассеянного света:

•  Дифракция 2- го  и 3- го порядка
• дефекты дифракционной решетки
• внутреннее отражение внутри спектрометра
• утечки в корпусе спектрометра

Термическая стабильность

Тепловая стабильность спектрометра является мерой того, как спектральный отклик изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. Из-за теплового расширения и сжатия металлического корпуса спектрометра и стеклянной оптики пики длины волны будут немного дрейфовать при повышении или понижении температуры. Низкое значение тепловой стабильности означает, что дрейф длины волны не будет столь экстремальным для данного изменения температуры. Тепловая стабильность выражается в единицах нм/°C или пиксели/°C. Темновой шум также является функцией температуры окружающей среды и может быть уменьшен с помощью термоэлектрического охлаждения (TEC).

Термоэлектрическое охлаждение (ТЭО)

В спектрометрах, где низкий уровень шума имеет важное значение, на детекторе используется термоэлектрический охладитель (TEC). TEC охлаждает детектор, чтобы уменьшить темновой ток и темновой шум, возникающие в результате воздействия тепла окружающей среды. Уменьшение этого шума приводит к более стабильным показаниям и чрезвычайно полезно в ситуациях, когда энергия фотонов очень низкая, например, при инфракрасном измерении. В целом, высокопроизводительные датчики CCD демонстрируют снижение темнового тока наполовину на каждые 5–9 °C при охлаждении ниже комнатной температуры. Этот темп улучшения обычно продолжается до температуры приблизительно от 5 °C до 10 °C ниже нуля, после чего снижение темнового тока быстро уменьшается.

Запуск

Triggering — это функция, доступная на многих спектрометрах Ocean Optics, которая включает в себя один из двух различных процессов. В первом типе запуска событие вне системы отбора проб (например, нажатие кнопки или лазерный импульс) изменяет уровень напряжения на триггерном штифте спектрометра, который, в свою очередь, дает команду спектрометру начать сбор спектра. В литературе Ocean Optics это называется «внешним запуском». Во втором типе запуска спектрометр дает команду внешнему устройству (например, лампе) загореться непосредственно перед сбором спектра. Это называется «запуском внешнего события».

Ниже приведены пять примеров режимов запуска, доступных на спектрометрах Ocean Optics:

1. Режимы запуска, внешний аппаратный запуск по фронту

Время интегрирования задается спектрометром. Спектрометр ждет резкого повышения напряжения на входном контакте триггера, а затем получает спектры. Этот триггер получает один спектр каждый раз, когда есть резкий нарастающий фронт (если сбор данных еще не выполняется). Используйте этот режим триггера, когда вы используете импульсный источник возбуждения или источник света в своем эксперименте (например, лазер или импульсная лампа), когда вы проводите эксперименты с лазерно-индуцированной флуоресценцией (флуоресценцией с импульсным возбуждением) или фосфоресценцией, или когда вам нужно синхронизировать сбор данных с внешним событием.

2. Режимы запуска, внешний аппаратный запуск

Время интегрирования задается спектрометром. Спектрометр ждет резкого повышения напряжения на входном контакте триггера, а затем получает спектры до тех пор, пока напряжение не будет снято. Используйте этот режим триггера, когда вам нужно непрерывное получение данных при выполнении определенного условия, например, при реагировании на присутствие образца или при достижении образцом определенного состояния, которое вы хотите измерить.

3. Режимы запуска, внешний программный запуск

Время интегрирования задается в программном обеспечении. Программное обеспечение получает событие триггера и передает спектры, полученные в цикле сбора данных, в котором произошел триггер. Используйте этот режим триггера, когда вы используете непрерывный источник освещения, а интенсивность света постоянна до, во время и после триггера.

4. Режимы запуска, внешний синхронный запуск

Спектрометр получает данные от внешнего триггерного события (например, нажатия кнопки) до следующего срабатывания триггера, после чего спектрометр прекращает спектральный сбор данных и начинает новый сбор данных. Время интегрирования не может быть установлено, поскольку триггер может срабатывать через случайные интервалы. Используйте этот режим триггера, когда вам необходимо синхронизировать сканирование с внешним источником синхронизации, когда вы используете синхронный усилитель или когда вы используете прерыватель.

5. Режимы запуска: нормальный/свободный ход/непрерывный

Спектрометр непрерывно получает спектры. Используйте этот режим триггера, когда не требуется синхронизация с другими событиями.

Ультрафиолетовое покрытие

В кремниевом ПЗС-детекторе квантовая эффективность значительно снижается ниже 450 нм и снижается почти до нуля для длин волн ниже 400 нм. Для спектрометров, предназначенных для реагирования в ультрафиолетовом диапазоне, низковолновая часть детектора покрыта материалом, предназначенным для повышения УФ-производительности. Этот материал, называемый флуорофором, подвергается флуоресценции и испускает фотоны видимого света в ответ на воздействие ультрафиолетового света на пиксели на УФ-конце детектора. Поскольку детектор очень чувствителен к фотонам в видимом диапазоне, испускаемые фотоны немедленно улавливаются детектором и интерпретируются программным обеспечением как ультрафиолетовый свет. Ocean Optics использует УФ-покрытие, которое не будет значительно ухудшаться со временем. Другой метод, используемый для повышения УФ-производительности спектрометра, заключается в использовании утонченного детектора.

Смещение напряжения

Смещение напряжения — это напряжение, которое детектор вырабатывает в ответ на нулевые падающие фотоны. Это функция электроники на детекторе и в аналоговой цепи цепи.

Диапазон длин волн

Диапазон длин волн спектрометра — это диапазон длин волн, в котором устройство эффективно улавливает и обрабатывает падающий свет. Он зависит как от диапазона длин волн детектора, так и от спектрального диапазона дифракционной решетки.