Выбор и оптимизация функциональной схемы спектрофотометра коэффициентов диффузного отражения (часть 1)

Существует довольно много фотометрических задач, решаемых фильтровыми фотометрами. В последнее время фильтровые фотометры заменяются спектрофотометрами в связи с тем, что изготовление большого числа светофильтров экономически не оправдано. К этим спектрофотометрам не предъявляется требование высокого спектрального разрешения. Поскольку большинство из них работает в приборах для измерения коэффициентов диффузного отражения, в которых имеются большие потери потока излучения в оптической схеме прибора, то в связи с этим требуются большой геометрический фактор спектрального прибора, минимальные потери в фотометрической схеме измерения и максимальное отношение сигнала к шуму в схеме регистрации.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Рассмотрение в статье ведется применительно к приборам дешевым и малогабаритным с точки зрения разработчика прибора, учитывающего требования потребителя. С точки зрения потребителя имеются два основных технических параметра: пределы измерения и погрешность измерения. Остальные либо характеризуют степень выполнения прибором нужных для решения задачи функций, либо дают только эксплуатационные характеристики, такие как габариты, масса, энергопотребление, удобство эксплуатации, время измерения и производительность. С точки зрения разработчика прибора первые два показателя сводятся к одному — линейному динамическому диапазону прибора.

Другие важные показатели — это решаемая фотометрическая задача, ее метрологическое обеспечение, энергетический КПД прибора, размер измеряемых образцов и габариты прибора. Последние два параметра, как правило, задают геометрический фактор оптической схемы прибора.

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СХЕМЫ

СПЕКТРОФОТОМЕТРА

Проектирование прибора начинается с решения поставленной перед разработчиком фотометрической задачи, определяемой назначением прибора. Это — измерение той или иной фотометрической величины, коэффициентов пропускания, направленного, диффузного и смешанного коэффициентов отражения, коэффициентов рассеяния. Все эти параметры в спектрофотометре измеряются как функции длины волны, а иногда и времени. Если последнее требование не предъявляется, то измерению подлежат интегральные по времени фотометрические величины, так как в линейных импульсных измерительных системах оптимальным источником будет 8 - импульс излучения, т.е. импульс произвольной формы с длительностью, меньшей постоянной времени интегрирования в измерительной системе. В общем случае энергия излучения, попадающая на приемник излучения, определяется выражением

Q f'Q ⁴ ° р ^ ^{юв SdX ,} ∂ λ π

Л 1

где dQ/dX — спектральная плотность энергии излучения источника; т/о — спектральный коэффициент пропускания оптической системы; рх — спектральный коэффициент отражения (пропускания, рассеяния) образца (для энергетических расчетов рх =1); ю — телесный угол, в котором излучение от источника попадает в оптическую систему прибора, для сложной оптической системы — минимальный телесный угол, определяемый геометрическим фактором элементов системы (осветителя, монохроматора и т. д.); S — площадь тела свечения источника, излучение из которого попадает в оптическую систему; в — угол наблюдения, в сложной системе — как и для ю; Я1, Я2 — спектральный интервал измерения [1].

Для энергетического расчета энергия в выбранном спектральном интервале, попадающая на приемник излучения,

Q ( X ) = B q ( лют ( Я ) ^в п зависит от параметров источника и эффективности оптической системы, определяемой углами ю , в и пропусканием т _т. Приемник излучения характеризуется для падающей энергии интегральной no времени чувствительностью S _инт( Я ) (В/Дж), которая для фотоэлектрических приемников излучения определяется как S _инт( Я ) = S( X )/C , где S( X) — спектральная чувствительность приемника (А/Вт), С — емкость фотоприемника вместе с паразитными емкостями схемы включения (Ф).

Полученное на выходе фотоприемного устройства напряжение сигнала дополнительно усиливается, фильтруется и поступает в электронную измерительную систему, как правило на вход аналого-цифрового преобразователя. Таким образом, получается обобщенная структурная схема спектрофотометра, состоящая:

• —    из источника излучения, характеризуемого спектральной плотностью энергии излучения и площадью тела свечения;

— оптической системы, включающей измеряемый образец, предназначенной для решения поставленной фотометрической задачи и характеризуемой методом спектрального разложения, геометрическим фактором и потерями энергии; последние делятся на неизбежные, связанные с принципом измерения, и дополнительные, связанные с несовершенством схемы и входящих в нее элементов;

• —    фотоприемного устройства соответствующего спектрального диапазона, характеризуемого чувствительностью и пороговой энергией;

— электронной измерительной системы, преобразующей сигнал фотоприемного устройства в удобный вид для представления информации.

В зависимости от вида выбранного спектрального разложения модуляция и демодуляция сигнала может происходить в различных элементах структурной схемы. В хорошо сконструированном спектрофотометре размер пятна излучения на образце вместе с геометрическим фактором оптической системы определяет габариты прибора. С точки зрения энергетического расчета каждый элемент структурной схемы характеризуется потерями сигнала, поэтому на первом этапе проектиро- вания необходимо свести эти потери к минимуму и затем на втором этапе оптимизировать измерительную систему по критерию достижения минимальной погрешности измерения с учетом дополнительных требований технического задания. Рассмотрим с этих позиций составляющие структурной схемы спектрофотометра.

ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Источник излучения характеризуется спектральной плотностью энергии и размером тела свечения. Дополнительные параметры: длительность импульса излучения или закон модуляции, энергетический КПД, индикатриса излучения, габаритные размеры источника питания и т.д. При близких значениях основных параметров предпочтение отдается источнику с максимальным энергетическим КПД в выбранной области спектра.

ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

Оптические схемы спектрофотометров, решающие поставленную фотометрическую задачу, отличаются по принципу кодирования. Сравним различные схемы спектральных приборов преимущественно с точки зрения максимальной энергетической эффективности, а не с точки зрения получения максимального спектрального разрешения, которое обычно в рассматриваемых приборах высоким не требуется. В классическом монохроматоре, использующем призму или дифракционную решетку, пространственное кодирование и декодирование производится решеткой или призмой и выходной щелью. С конца 50-х годов появились приборы с кодированием и декодированием во внутреннем сечении оптического прибора, когда площадь декодирующего элемента во много раз превышает площадь выходной щели монохроматора. К ним относятся растровые монохроматоры, сесам, спектрометры с преобразованием Адамара и Фурье-спектрометры. Подробное рассмотрение принципа действия и основных характеристик этих приборов приведено в книге [1]. В ней показано, что спектральное разрешение приборов нового типа может быть получено на два порядка больше, чем у классического монохроматора. В конце книги ее автор отмечает, что на практике наиболее распространены простые монохроматоры с дифракционными решетками, и делает вполне справедливый вывод о том, что причина несоответствия выводов теории с практическим применением заключается в ограниченности используемых критериев. К таким критериям, как нам кажется, нужно отнести по крайней мере еще два: потери энергии внутри спектрального прибора и линейный динамический диа- пазон оптического прибора, определяемый отношением наибольшего сигнала в получаемом спектре к сумме различного рода неинформативных сигналов, таких как рассеянный свет, наложение высших порядков дифракции и т.д. Кроме этого, необходимо также учитывать наибольший размер приемника, измеряемого образца или тела свечения источника излучения и габарит оптической системы, определяющие геометрический фактор спектрального прибора. Стремление максимально увеличить геометрический фактор всего прибора от источника до приемника (а с ним и сигнал) во всех типах приборов приводит к увеличению аберраций и уменьшению спектрального разрешения.

Следует отметить, что приборы с декодированием в наибольшем сечении оптической схемы превосходят на два порядка классический монохроматор в спектральном разрешении (эта характеристика подобна тому, как отношение диаметра пучка излучения лазера к длине волны определяет расходимость пучка или отношение площади раскрыва антенны к длине волны определяет ширину ее диаграммы направленности). При этом динамический диапазон прибора (контраст кодированной картины) у них значительно меньше, чем в приборах с декодированием выходной щелью, что объясняется хорошим пространственным разделением информативной и неинформативной составляющих в классических приборах.

В интерференционных приборах (Фурье-спектрометр, сесам) и приборах с масками получить больший по сравнению с классическими приборами геометрический фактор (в предельном случае, а не в случае равного спектрального разрешения) не удается из-за аберраций в оптической системе (исчезает так называемый выигрыш Жа-кино для Фурье-спектрофотометра). Что касается эффективности, которая в них определяется долей информативной компоненты (например, отношением энергии интерферограммы к общей энергии, попадающей на приемник излучения в Фурье-спектрометре), то она того же порядка или даже несколько меньше, чем у лучших монохроматоров с дифракционными решетками. Приборы с декодированием масками имеют дополнительные потери на пропускание оптической схемы и по этой причине уступают Фурье-спектрометру и сесаму при близком спектральном разрешении. Среди двух последних Фурье-спектрофотометр выгодно отличается широким спектральным диапазоном и лучшим отношением сигнала к шуму; кроме того, в настоящее время с развитием вычислительной техники устранен основной недостаток Фурье-спектрометра — сложность вычислений спектра.

С точки зрения энергетического расчета все рассматриваемые типы спектральных приборов по эффективности близки друг к другу. Потери энергии в них, определяемые геометрическим факто- ром и спектральным коэффициентом пропускания оптических элементов, — величины одного порядка. Здесь даже преимущество могут иметь приборы с дифракционными решетками и призмами.

Примерно аналогичная классификация приведена в книге [2]. Поэтому при выборе типа спектрального прибора целесообразно рассматривать только два варианта: монохроматор с призмой или решеткой и Фурье-спектрофотометр. Таким образом, учитывая поставленную фотометрическую задачу, можно сделать следующие выводы по оптимальному выбору оптической схемы спектрофотометра:

• 1.    В любой области спектра, где используются тепловые приемники излучения или приемники с малой спектральной чувствительностью, Фурье-спектрометр будет иметь преимущества перед классическими спектрофотометрами по причине большей чувствительности за счет надпорогового переноса информации.

• 2.    В УВИ-области спектра, где имеются токовые приемники излучения с большим квантовым выходом различают два случая:

• •    в случае когда не требуется большое число интервалов спектрального разрешения, предпочтение по перечисленным выше факторам следует отдать класическому прибору с призмой или дифракционной решеткой, имеющим больший динамический диапазон (контраст);

• •    в случае большого числа точек спектрального разрешения и широкого спектрального диапазона Фурье-спектрофотометр будет в во многих случаях более простым и надежным, так как он пригоден в любой области спектра в отличие от призмы и в нем не требуется дополнительных элементов для разделения высших порядков дифракции в отличие от дифракционной решетки.

Как видно из изложенного, с точки зрения потерь сигнала в оптической схеме обе группы спектральных приборов примерно совпадают. За счет чего же при равном спектральном разрешении получается энергетический выигрыш в ИК-области спектра в Фурье-спектрофотометре по сравнению с классическим прибором с решеткой или призмой? Оказывается, из-за дополнительных потерь в фотоприемном устройстве, которое в ИК-области спектра имеет чувствительность на несколько порядков меньшую, чем квантовые приемники УВИ-области спектра, и эта составляющая общей погрешности существенно превосходит остальные. В Фурье-спектрофотометре на приемник излучения попадает весь поток, определяемый геометрическим фактором прибора, в приборах с решеткой — его небольшая часть, которая определяется отношением полуширины выделяемого спектрального интервала ко всей области спектра, исполь- зуемой в приборе. Поэтому в ряде случаев эта часть оказывается меньше пороговой энергии приемника излучения и не может быть зарегистрирована. Существенно большей энергии сигнал в интерференционном приборе превосходит пороговую энергию приемного устройства и воспроизведенный сигнал содержит всю информацию о спектре, т.е. декодирование в Фурье-спектрофотометре производится после приемника излучения с пороговой энергией Wп. Если бы не было дополнительных потерь, образующих порог чувствительности приемного устройства, то с точки зрения линейной системы преобразования все равно в какой ее части производить декодирование: до приемника или после него. При наличии порога система обработки сигнала становится нелинейной и ее возможности реализуются только при превышении сигнала над порогом. Поэтому в УВИ-области спектра, где отсутствует порог (квантовый выход фотоприемного устройства близок к единице), энергетические преимущества (выигрыш Фелжета) исчезают и остаются только рассмотренные выше соотношения. Конечно, это грубая, но наглядная модель, на самом деле нужно рассматривать случайную составляющую погреш- ности измерения в обоих случаях, и резкой пороговой границы в этом случае не будет, но физический принцип от этого не изменится. Математически отсутствие выигрыша Фелжета в УВИ-области спектра показано еще в 1972 г. в книге [2]. Выбору конкретной схемы и ее расчету посвящено много статей и монографий, например [3].