雜散光影響的概述以及在陣列光譜儀/陣列光譜輻射計(jì)中減少雜散光的方法
本文重點(diǎn)概述雜散光的成因、其對(duì)光譜輻射計(jì)測(cè)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(jì)”。光譜輻射計(jì)是一種經(jīng)過輻射校準(zhǔn)的光譜儀，其功能基于相對(duì)測(cè)量。
這里討論的雜散光也稱為“假”光，是在光譜儀測(cè)量期間除了專用于所選波長范圍的測(cè)量信號(hào)之外檢測(cè)到的信號(hào)。這些信號(hào)無法分離，因此雜散光會(huì)嚴(yán)重扭曲測(cè)量結(jié)果。測(cè)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(jí)干涉；
? 高階光學(xué)衍射光柵的外觀；
? 鏡子、探測(cè)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(jì)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(cè)量。
圖 1：使用/不使用 GG475 過濾的鹵素?zé)魷y(cè)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(hào)，因此可以得出結(jié)論，在邊緣以下檢測(cè)到的信號(hào)是由雜散光+噪聲引起的。由于使用線性標(biāo)度很難識(shí)別，因此建議使用對(duì)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(cè)量結(jié)果（對(duì)數(shù)視圖）
這意味著在本次測(cè)量中，來自鹵素?zé)舻膹?qiáng)寬帶信號(hào)（波長高于 475 nm）幾乎不會(huì)產(chǎn)生低于 475 nm 的雜散光。因此，在此波長下檢測(cè)到的信號(hào)由雜散光和噪聲組成。
相比之下，圖 3 顯示了類似場(chǎng)景（使用 OG515 濾光片代替 GG475）的測(cè)量數(shù)據(jù)，但使用的測(cè)量設(shè)備在雜散光抑制方面優(yōu)化較差?？梢钥闯觯s散光的量明顯更高，盡管在這種情況下雜散光的可能性實(shí)際上較小，因?yàn)?OG515 濾光片比 GG475 更有效。這種較差的雜散光抑制對(duì)此類測(cè)量的測(cè)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(cè)量結(jié)果（對(duì)數(shù)視圖），分光輻射度計(jì)對(duì)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(cè)量進(jìn)行比較，您會(huì)發(fā)現(xiàn)在紅色 LED 的測(cè)量中，雜散光水平低于 475 nm（紅色 LED 沒有該波長的信號(hào)） ) 明顯較低（LED 為 2E-5，而鹵素?zé)魹?6E-4）：
圖 4：紅色 LED 的測(cè)量
這意味著雜散光的水平還取決于被測(cè)測(cè)量光源的光譜分布。
在 LED 測(cè)量中，除了 LED 峰值之外還顯示額外的信號(hào)電平，這不僅是因?yàn)殡s散光，還因?yàn)楣庾V儀的噪聲。這里，16 位 ADC 的噪聲計(jì)數(shù)為 1 意味著 1:65536 動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)應(yīng)于 6E-4。對(duì)于光譜輻射計(jì)，可實(shí)現(xiàn)的基本測(cè)量動(dòng)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(gè)問題：什么時(shí)候雜散光在測(cè)量中很重要？不幸的是，這個(gè)問題沒有通用的答案。這取決于應(yīng)用和相應(yīng)的測(cè)量要求。以下是可以遵守的兩條準(zhǔn)則：
? 所需的動(dòng)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(hào)相對(duì)較弱，這一點(diǎn)尤其重要。這是因?yàn)殡s散光對(duì)弱信號(hào)的影響比對(duì)強(qiáng)信號(hào)的影響大得多。紫外區(qū)域的測(cè)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(huì)導(dǎo)致測(cè)量不確定度，根據(jù) CIE S025 或 CIE 198 的規(guī)定，在計(jì)算測(cè)量不確定度時(shí)必須考慮雜散光。由于雜散光的量取決于被測(cè)光譜分布和光譜儀的設(shè)計(jì)，因此必須進(jìn)行計(jì)算適用于每個(gè)特定的光譜輻射計(jì)和測(cè)量應(yīng)用。
注意：這些計(jì)算需要光譜輻射計(jì)的多個(gè)規(guī)格和特征。此外，計(jì)算光譜輻射測(cè)量中測(cè)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(jì)雜散光的一些不同方法。
先決條件是正確設(shè)計(jì)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(jì)。通過此類模擬，可以優(yōu)化光譜輻射計(jì)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(cè)器的光束路徑中去除更高階。
除了設(shè)計(jì)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(duì)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(yàn)，并使用 ZEMAX 優(yōu)化其光譜儀單元。此外，每個(gè)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(cè)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(gè)波長處確定LSF（線擴(kuò)展函數(shù)），它們一起形成光譜儀的SDF（信號(hào)分布函數(shù)）特征矩陣。這意味著從測(cè)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(cè)量的光譜輻射計(jì)的 LSF
圖 6：LSF 矩陣表示
通過 SDF 數(shù)據(jù)和來自被測(cè)光源的測(cè)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(duì)每次測(cè)量進(jìn)行數(shù)學(xué)校正，因此良好的軟件實(shí)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(cè)量，而無需過多的外推和模型假設(shè)。光譜輻射計(jì)還必須保持穩(wěn)定（隨著時(shí)間的推移），雜散光矩陣才能在有用的時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)，如下例所示：
圖 7：應(yīng)用于白光 LED 測(cè)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?，也可以使用（Zong 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(gè)局限性——必須在探測(cè)器的整個(gè)光譜范圍內(nèi)測(cè)量LSF，以實(shí)現(xiàn)最佳的雜散光抑制（即光譜輻射計(jì)也應(yīng)覆蓋該范圍）。對(duì)于硅基探測(cè)器，該范圍為 200 nm 至 1100 nm。如果不測(cè)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(xiàng)。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(cè)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(hào)，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(cè)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(jì)與設(shè)備內(nèi)的多個(gè)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(jì)近似為雙單色儀，因?yàn)閹V光片顯著減少進(jìn)入光譜輻射計(jì)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(cè)量時(shí)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(shí)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(shí)和功能強(qiáng)大的軟件，因?yàn)楸仨氈悄艿亟M合多個(gè)單獨(dú)的測(cè)量步驟以產(chǎn)生最終測(cè)量。一個(gè)用戶友好的系統(tǒng)要求所有這些都由軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
注：利用這項(xiàng)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(jì)，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(cè)量時(shí)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(duì)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(huì)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(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域的指導(dǎo)。
對(duì)于大多數(shù)需要在可見光 (VIS) 范圍內(nèi)測(cè)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(jì)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(duì)于白色 LED 的測(cè)量也足夠了。對(duì)帶有和不帶有數(shù)學(xué)雜散光校正的白光 LED 進(jìn)行的測(cè)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(gè)不錯(cuò)的選擇。
對(duì)于 LED 測(cè)量，通常使用針對(duì)可見光譜范圍進(jìn)行優(yōu)化的光譜輻射計(jì)。因此，它們?cè)谧贤夥秶鷥?nèi)的雜散光抑制通常不夠充分，從而導(dǎo)致較大的測(cè)量不確定性。然而，此類測(cè)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(cè)量具有不可忽略的紫外線含量的白光 LED 時(shí)，尤其應(yīng)考慮這一點(diǎn)。因此，建議至少使用一種可用于紫外/可見分光輻射度計(jì)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(jì)。
注意：在大多數(shù)情況下，純 VIS 設(shè)備的響應(yīng)度對(duì)于 UV 范圍并不理想，這會(huì)增加測(cè)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(diǎn)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(bǔ)充了這一點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的 UV 測(cè)量。
第 4.1 節(jié)中提到的相同論點(diǎn)適用于實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)測(cè)量。然而，手持式測(cè)量設(shè)備需要不同的測(cè)量方法。保持這些設(shè)備緊湊的需要對(duì)雜散光抑制方面的光學(xué)設(shè)計(jì)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(cè)量。但是，它們非常適合快速、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試測(cè)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(shí)驗(yàn)室儀器完美匹配，并提供準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)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(cè)量。
對(duì)于太陽和日光的測(cè)量，確定要測(cè)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(diǎn)。然而，如果對(duì)紫外線范圍特別感興趣，則需要針對(duì)紫外線范圍進(jìn)行優(yōu)化的高質(zhì)量光譜輻射計(jì)來進(jìn)行紫外線指數(shù)、紅斑和臭氧測(cè)量等。在此類應(yīng)用中，VIS 通用設(shè)備很快就會(huì)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(shí)了這一點(diǎn)。此外，由于通常需要較長的測(cè)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(cè)量。
與第 4.4 節(jié)中描述的論點(diǎn)相同的論點(diǎn)也適用于此類測(cè)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(duì)于紅斑和 ICNIPR 測(cè)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(píng)估。
總之，雜散光對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)光源的光譜分布。
對(duì)于用戶而言，擁有全面專業(yè)知識(shí)、有效建議以及具有適當(dāng)測(cè)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(shí)驗(yàn)室的連貫產(chǎn)品組合的合作伙伴至關(guān)重要。
請(qǐng)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(jì) Atmos 測(cè)量的太陽紫外線輻照度的質(zhì)量評(píng)估。測(cè)量。技術(shù)。 9 1553-67
? Nevas S、Wübbeler G、Sperling A、Elster C 和 Teuber A 2012 同時(shí)校正陣列光譜輻射計(jì)數(shù)據(jù)中的帶通和雜散光效應(yīng) Metrologia 49 S43
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? CIE 127，LED 測(cè)量
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? CIE 214，儀器帶通功能的影響
? CIE S025，LED 燈、LED 燈具和 LED 模塊的測(cè)試方法。
