雜散光影響的概述以及在陣列光譜儀(yi) /陣列光譜輻射計中減少雜散光的方法
本文重點概述雜散光的成因、其對光譜輻射計測量精度的影響以及雜散光抑製的不同方法。它詳細描述了不同應用的不同雜散光抑製要求。
注意：本文中經常使用術語“光譜輻射計”。光譜輻射計是一種經過輻射校準的光譜儀(yi) ，其功能基於(yu) 相對測量。
這裏討論的雜散光也稱為(wei) “假”光，是在光譜儀(yi) 測量期間除了專(zhuan) 用於(yu) 所選波長範圍的測量信號之外檢測到的信號。這些信號無法分離，因此雜散光會(hui) 嚴(yan) 重扭曲測量結果。測量中的雜散光量很大程度上取決(jue) 於(yu) 光源和光譜儀(yi) 本身。在光譜儀(yi) 裝置內(nei) 部，雜散光可能源自：
• 光學衍射光柵（凹槽光柵）處的散射；
• 光學衍射光柵的0級幹涉；
• 高階光學衍射光柵的外觀；
• 鏡子、探測器、光柵、入口狹縫、外殼之間的相互反射；
• 光學不完美表麵的漫反射；
• ETC。
下圖顯示了使用分光輻射度計在使用和不使用 Schott GG475 邊緣濾光片的情況下進行的鹵素燈測量。
圖 1：使用/不使用 GG475 過濾的鹵素燈測量結果（線性視圖）
由於(yu) GG475濾掉了475 nm以下的短波光譜範圍內(nei) 的信號，因此可以得出結論，在邊緣以下檢測到的信號是由雜散光+噪聲引起的。由於(yu) 使用線性標度很難識別，因此建議使用對數視圖。理想的過濾功能以綠色顯示。
圖 2：使用 GG475 過濾的鹵素燈測量結果（對數視圖）
這意味著在本次測量中，來自鹵素燈的強寬帶信號（波長高於(yu) 475 nm）幾乎不會(hui) 產(chan) 生低於(yu) 475 nm 的雜散光。因此，在此波長下檢測到的信號由雜散光和噪聲組成。
相比之下，圖 3 顯示了類似場景（使用 OG515 濾光片代替 GG475）的測量數據，但使用的測量設備在雜散光抑製方麵優(you) 化較差。可以看出，雜散光的量明顯更高，盡管在這種情況下雜散光的可能性實際上較小，因為(wei) OG515 濾光片比 GG475 更有效。這種較差的雜散光抑製對此類測量的測量精度（包括例如色度值）具有負麵影響。
圖 3：使用 OG515 過濾的鹵素燈測量結果（對數視圖），分光輻射度計對於(yu) 雜散光抑製並不理想
然而，如果將這些數據與(yu) 紅色 LED（同一光譜儀(yi) ）的測量進行比較，您會(hui) 發現在紅色 LED 的測量中，雜散光水平低於(yu) 475 nm（紅色 LED 沒有該波長的信號） ) 明顯較低（LED 為(wei) 2E-5，而鹵素燈為(wei) 6E-4）：
圖 4：紅色 LED 的測量
這意味著雜散光的水平還取決(jue) 於(yu) 被測測量光源的光譜分布。
在 LED 測量中，除了 LED 峰值之外還顯示額外的信號電平，這不僅(jin) 是因為(wei) 雜散光，還因為(wei) 光譜儀(yi) 的噪聲。這裏，16 位 ADC 的噪聲計數為(wei) 1 意味著 1:65536 動態範圍，對應於(yu) 6E-4。對於(yu) 光譜輻射計，可實現的基本測量動態範圍受到 ADC 分辨率和信噪比的限製。理想情況下，雜散光水平應小於(yu) ADC 分辨率。
這就引出了一個(ge) 問題：什麽(me) 時候雜散光在測量中很重要？不幸的是，這個(ge) 問題沒有通用的答案。這取決(jue) 於(yu) 應用和相應的測量要求。以下是可以遵守的兩(liang) 條準則：
• 所需的動態範圍越大，確保足夠的雜散光抑製就越重要。如果部分相關(guan) 頻譜的信號相對較弱，這一點尤其重要。這是因為(wei) 雜散光對弱信號的影響比對強信號的影響大得多。紫外區域的測量精度通常受到雜散光而非儀(yi) 器靈敏度或噪聲的限製。
• 光源的光譜分布越複雜，確保足夠的雜散光抑製就越重要。與(yu) 太陽、鹵素燈和白光 LED 等寬帶光源相比，激光和單色 LED 等光源的窄光譜分布產(chan) 生的雜散光非常少。
雜散光會(hui) 導致測量不確定度，根據 CIE S025 或 CIE 198 的規定，在計算測量不確定度時必須考慮雜散光。由於(yu) 雜散光的量取決(jue) 於(yu) 被測光譜分布和光譜儀(yi) 的設計，因此必須進行計算適用於(yu) 每個(ge) 特定的光譜輻射計和測量應用。
注意：這些計算需要光譜輻射計的多個(ge) 規格和特征。此外，計算光譜輻射測量中測量不確定度的模型非常複雜。 Gigahertz-Optik GmbH 是值得信賴的合作夥(huo) 伴，可為(wei) 您提供符合您要求的理想、快速的解決(jue) 方案。
本章詳細介紹了減少光譜輻射計雜散光的一些不同方法。
先決(jue) 條件是正確設計的光譜儀(yi) 單元。由於(yu) 必須仔細考慮光束路徑的複雜性，光學模擬通常用於(yu) 優(you) 化現代光譜輻射計。通過此類模擬，可以優(you) 化光譜輻射計以滿足最高要求。例如，必須優(you) 化圖像清晰度，阻擋 0 階，並努力從(cong) 通往探測器的光束路徑中去除更高階。
除了設計之外，光學元件的選擇也至關(guan) 重要。鏡麵塗層的質量決(jue) 定了漫反射輻射的比例以及由此產(chan) 生的雜散光量。同樣，光柵的質量對於(yu) 最大限度地減少雜散光也至關(guan) 重要。
注：Gigahertz-Optik 在光譜儀(yi) 開發方麵擁有多年經驗，並使用 ZEMAX 優(you) 化其光譜儀(yi) 單元。此外，每個(ge) 單元都必須經過漫長而徹底的開發和鑒定過程，其中所有光學元件和性能都經過測試和優(you) 化。
借助可調諧激光器（OPO 光學參量振蕩器），光譜儀(yi) 可以在任何波長下進行分析和表征。因此，可以在每個(ge) 波長處確定LSF（線擴展函數），它們(men) 一起形成光譜儀(yi) 的SDF（信號分布函數）特征矩陣。這意味著從(cong) 測量中收集的數據可用於(yu) 表征設備及其基於(yu) 波長的雜散光特性。
圖 5：使用 OPO 測量的光譜輻射計的 LSF
圖 6：LSF 矩陣表示
通過 SDF 數據和來自被測光源的測量數據，根據（Zong 等人，2006）或（Nevas 等人，2012）的數學校正方法可用於(yu) 不同的應用。在這裏，必須對每次測量進行數學校正，因此良好的軟件實現至關(guan) 重要。此外，製造商必須擁有 OPO，以便精確執行測量，而無需過多的外推和模型假設。光譜輻射計還必須保持穩定（隨著時間的推移），雜散光矩陣才能在有用的時間段內(nei) 有效。如果是這種情況，則數學雜散光校正的質量可以描述如下。雜散光水平可減少約 1 或 2 個(ge) 數量級，如下例所示：
圖 7：應用於(yu) 白光 LED 測量的數學雜散光校正（綠色已校正，藍色未校正）
注意：（Nevas 等人，2012）方法還執行光學帶寬校正。或者，也可以使用（Zong 等人，2006）方法並與(yu) CIE 214 光學帶寬校正相結合。 Gigahertz-Optik 提供這兩(liang) 種方法。
然而，這種方法有一個(ge) 局限性——必須在探測器的整個(ge) 光譜範圍內(nei) 測量LSF，以實現最佳的雜散光抑製（即光譜輻射計也應覆蓋該範圍）。對於(yu) 矽基探測器，該範圍為(wei) 200 nm 至 1100 nm。如果不測量所有功能，則隻能校正部分雜散光！
注：Gigahertz-Optik 為(wei) 其BTS2048 係列高端光譜儀(yi) 提供雜散光矩陣作為(wei) 標準選項。數學應用程序完全集成在 S-BTS2048 軟件以及 S-SDK-BTS2048 中。雜散光校正的表征和校準數據保存在設備上，以便用戶輕鬆訪問。用戶無需采取額外措施。
眾(zhong) 所周知的紫外線範圍雜散光校正方法是基於(yu) 長通濾光片，例如肖特 GG435。 GG435 用於(yu) 在校準期間執行附加測量，直接確定 OoR 雜散光量。然後可以從(cong) 原始數據中減去該信號，從(cong) 而應用於(yu) 所得的校準數據。該方法可以減少雜散光影響的校準，但其他光源的後續測量仍可能具有不同的雜散光影響。
優(you) 化雜散光抑製（尤其是在臨(lin) 界紫外線範圍內(nei) ）的創新方法是將分光輻射度計與(yu) 設備內(nei) 的多個(ge) 光學長通濾光片和帶通濾光片結合起來。帶通濾光片基本上允許單陣列光譜輻射計近似為(wei) 雙單色儀(yi) ，因為(wei) 帶通濾光片顯著減少進入光譜輻射計的輻射，從(cong) 而減少雜散光產(chan) 生的可能性。通過使用長通濾波器，可以在校準期間和每次測量時應用上述方法。
理想情況下，如果要覆蓋大光譜範圍，則必須使用不同的濾光片，以確保最佳的雜散光抑製。實現這一目標需要集成的快速濾光輪、有關(guan) 濾光技術的豐(feng) 富專(zhuan) 業(ye) 知識和功能強大的軟件，因為(wei) 必須智能地組合多個(ge) 單獨的測量步驟以產(chan) 生最終測量。一個(ge) 用戶友好的係統要求所有這些都由軟件自動實現。
注：利用這項技術，Gigahertz-Optik GmbH 開發了一種用於(yu) 雜散光抑製的最佳優(you) 化的紫外分光輻射度計，並且幾乎可以作為(wei) 完美的雙單色儀(yi) – BTS2048 -UV-S。
圖 8：BTS2048-UV-S與(yu) 雙單色儀(yi) 的比較。在 3 s 的測量時間內(nei) ，太陽邊緣的分辨率可達 10E-5（與(yu) 雙單色儀(yi) 的 90 s 相比）。
不同的應用對雜散光抑製的要求有所不同。正如前一章所解釋的，良好的雜散光抑製可能會(hui) 帶來一些複雜性和成本。因此，這些應該很好地匹配特定的應用要求。本章提供了幾個(ge) 典型應用領域的指導。
對於(yu) 大多數需要在可見光 (VIS) 範圍內(nei) 測量單色 LED 的應用，使用具有良好光學性能的高質量光譜輻射計進行標準雜散光抑製就足夠了。如果例如 CIE1931 色度坐標 (x,y) 的精度達到 ±0.0020 就足夠了，那麽(me) 這對於(yu) 白色 LED 的測量也足夠了。對帶有和不帶有數學雜散光校正的白光 LED 進行的測量表明，通過校正，顏色位置的精度可以提高約 0.0005。這意味著在需要精度的情況下，數學雜散光校正可能是一個(ge) 不錯的選擇。
對於(yu) LED 測量，通常使用針對可見光譜範圍進行優(you) 化的光譜輻射計。因此，它們(men) 在紫外範圍內(nei) 的雜散光抑製通常不夠充分，從(cong) 而導致較大的測量不確定性。然而，此類測量的結果和所需的雜散光抑製取決(jue) 於(yu) 預期應用和可用的邊界條件。在隻有 UV LED 的暗室或積分球中，雜散光的影響可能不太明顯。然而，如果存在環境光，則必須充分抑製雜散光。在測量具有不可忽略的紫外線含量的白光 LED 時，尤其應考慮這一點。因此，建議至少使用一種可用於(yu) 紫外/可見分光輻射度計的雜散光校正方法。如果適用，應使用專(zhuan) 為(wei) 紫外線範圍開發的分光輻射計。
注意：在大多數情況下，純 VIS 設備的響應度對於(yu) UV 範圍並不理想，這會(hui) 增加測量的不確定性。憑借BTS2048-VL-TEC或BTS2048-UVVISNIR和數學雜散光校正，Gigahertz-Optik 提供了一款良好的通用設備，其特點是高響應度和高雜散光抑製，即使在紫外線範圍內(nei) 也是如此。BTS2048-UV、BTS2048-UV-2和BTS2048-UV-S完美補充了這一點，可實現高質量的 UV 測量。
第 4.1 節中提到的相同論點適用於(yu) 實驗室和生產(chan) 測量。然而，手持式測量設備需要不同的測量方法。保持這些設備緊湊的需要對雜散光抑製方麵的光學設計提出了額外的挑戰。 “微型光譜儀(yi) ”的尺寸非常小，不太適合抑製雜散光，因此可能導致儀(yi) 器不適合精確的顏色測量。但是，它們(men) 非常適合快速、現場測試測量，其中要求是很不一樣。高品質手持設備擁有成熟的光譜儀(yi) 單元，可與(yu) 實驗室儀(yi) 器完美匹配，並提供準確的現場測量結果。這些高質量的手持設備還應該進行溫度校正，並提供可重複且穩定的測量結果！
注：Gigahertz-Optik 提供經過校正的 MSC15 微型光譜儀(yi) ，它完全滿足低預算設備的所有要求。此外，BTS256-EF高品質設備完美完善了我們(men) 的手持設備產(chan) 品組合。這些保證了足夠的雜散光抑製並支持許多額外功能，例如 Wi-Fi 和閃爍測量。
對於(yu) 太陽和日光的測量，確定要測量太陽光譜的哪些部分非常重要。如果您隻需要來自 VIS 和 NIR 的信息，則必須考慮第 4.1 節中的論點。然而，如果對紫外線範圍特別感興(xing) 趣，則需要針對紫外線範圍進行優(you) 化的高質量光譜輻射計來進行紫外線指數、紅斑和臭氧測量等。在此類應用中，VIS 通用設備很快就會(hui) 暴露出其在雜散光抑製方麵的局限性。 (Egli et al., 2016) 等人的出版物證實了這一點。此外，由於(yu) 通常需要較長的測量序列，因此設備必須具有溫度穩定性和防風雨性能。
注： Gigahertz-Optik 的BTS2048-UV-S-WP、 BTS2048-VL-TEC-WP和BTS2048-IR-WP設備可保證從(cong) 深紫外到近紅外的寬光譜範圍內(nei) 進行高質量測量。
與(yu) 第 4.4 節中描述的論點相同的論點也適用於(yu) 此類測量。需要充分的雜散光抑製來防止任何雜散結果，特別是對於(yu) 紅斑和 ICNIPR 測量或有關(guan) 人工光輻射指令 2006/25/EC 或 DIN EN 62471 光生物安全性的評估。
總之，雜散光對測量不確定度的影響不容忽視。應根據各自的應用及其要求來選擇用於(yu) 雜散光抑製的方法。例如，紫外範圍內(nei) 的測量通常需要比可見光範圍內(nei) 更廣泛的抑製方法。雜散光效應的程度是設備規格，必須由製造商表征。此外，雜散光的量還取決(jue) 於(yu) 被測光源的光譜分布。
對於(yu) 用戶而言，擁有全麵專(zhuan) 業(ye) 知識、有效建議以及具有適當測量技術（例如可調諧激光器（OPO））和經過認可的校準實驗室的連貫產(chan) 品組合的合作夥(huo) 伴至關(guan) 重要。
請參閱我們(men) 的BTS2048 係列，該係列在全球範圍內(nei) 使用，並受到工業(ye) 、科學和許多 NMI 等的認可。
• Egli L、Gröbner J、Hülsen G、Bachmann L、Blumthaler M、Dubard J、Khazova M、Kift R、Hoogendijk K、Serrano A、Smedley A 和 Vilaplana JM 2016 使用陣列光譜輻射計 Atmos 測量的太陽紫外線輻照度的質量評估。測量。技術。 9 1553-67
• Nevas S、Wübbeler G、Sperling A、Elster C 和 Teuber A 2012 同時校正陣列光譜輻射計數據中的帶通和雜散光效應 Metrologia 49 S43
• Zong Y, Brown SW, Johnson BC, Lykke KR 和 Ohno Y 2006 陣列光譜輻射計的簡單光譜雜散光校正方法選擇。 45 1111-9
• CIE 127，LED 測量
• CIE 198，光度測定中測量不確定度的確定
• CIE 214，儀(yi) 器帶通功能的影響
• CIE S025，LED 燈、LED 燈具和 LED 模塊的測試方法。
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