Un espectrorradiómetro es una herramienta de medición de luz que puede medir tanto la longitud de onda como la amplitud de la luz emitida por una fuente de luz. Los espectrómetros discriminan la longitud de onda en función de la posición en la que la luz incide en la matriz de detectores, lo que permite obtener el espectro completo con una sola adquisición. La mayoría de los espectrómetros tienen una medición base de conteos que es la lectura no calibrada y, por lo tanto, se ve afectada por la sensibilidad del detector a cada longitud de onda. Al aplicar una calibración , el espectrómetro puede proporcionar mediciones de irradiancia espectral , radiancia espectral y/o flujo espectral. Estos datos también se utilizan con software integrado o de PC y numerosos algoritmos para proporcionar lecturas de irradiancia (W/cm2), iluminancia (lux o fc), radiancia (W/sr), luminancia (cd), flujo (lúmenes o vatios), cromaticidad, temperatura de color, longitud de onda máxima y dominante. Algunos paquetes de software de espectrómetros más complejos también permiten el cálculo de PAR μmol/m 2 /s, metamerismo y cálculos de candelas basados en la distancia e incluyen características como observador de 2 y 20 grados, comparaciones de superposición de línea de base, transmisión y reflectancia.
Los espectrómetros están disponibles en numerosos paquetes y tamaños que cubren muchos rangos de longitud de onda. El rango de longitud de onda (espectral) efectivo de un espectrómetro está determinado no solo por la capacidad de dispersión de la rejilla, sino que también depende del rango de sensibilidad de los detectores. Limitado por la brecha de banda del semiconductor, el detector basado en silicio responde a 200-1100 nm, mientras que el detector basado en InGaAs es sensible a 900-1700 nm (o hasta 2500 nm con refrigeración).
Los espectrómetros de laboratorio o de investigación suelen cubrir un amplio rango espectral, desde UV hasta NIR, y requieren una PC. También hay espectrómetros IR que requieren mayor potencia para hacer funcionar un sistema de refrigeración. Muchos espectrómetros se pueden optimizar para un rango específico, es decir, UV o VIS, y combinarse con un segundo sistema para permitir mediciones más precisas, mejor resolución y eliminar algunos de los errores más comunes que se encuentran en los sistemas de banda ancha, como la luz difusa y la falta de sensibilidad.
También hay dispositivos portátiles disponibles para numerosos rangos espectrales que abarcan desde UV hasta NIR y ofrecen muchos estilos y tamaños de paquetes diferentes. Los sistemas portátiles con pantallas integradas suelen tener ópticas incorporadas y una computadora a bordo con software preprogramado. Los miniespectrómetros también se pueden usar de manera portátil o en el laboratorio, ya que se alimentan y controlan mediante una PC y requieren un cable USB. Se pueden incorporar ópticas de entrada o, por lo general, se conectan mediante una guía de luz de fibra óptica. También hay microespectrómetros más pequeños que una moneda de veinticinco centavos que se pueden integrar en un sistema o usar de manera independiente.
El campo de la espectrorradiometría se ocupa de la medición de magnitudes radiométricas absolutas en intervalos estrechos de longitud de onda. [1] Es útil muestrear el espectro con incrementos de longitud de onda y ancho de banda estrechos porque muchas fuentes tienen estructuras lineales . [2] La irradiancia espectral es la medida deseada con mayor frecuencia en espectrorradiometría. En la práctica, se mide la irradiancia espectral promedio, que se muestra matemáticamente como la aproximación:
Donde es la irradiancia espectral, es el flujo radiante de la fuente ( unidad SI : vatio , W) dentro de un intervalo de longitud de onda (unidad SI: metro , m), incidente sobre el área de la superficie, (unidad SI: metro cuadrado, m 2 ). La unidad SI para la irradiancia espectral es W/m 3 . Sin embargo, a menudo es más útil medir el área en términos de centímetros y la longitud de onda en nanómetros , por lo que se utilizarán submúltiplos de las unidades SI de irradiancia espectral, por ejemplo μW/cm 2 *nm [3]
En general, la irradiancia espectral varía de un punto a otro de la superficie. En la práctica, es importante observar cómo varía el flujo radiante con la dirección, el tamaño del ángulo sólido subtendido por la fuente en cada punto de la superficie y la orientación de la superficie. Dadas estas consideraciones, a menudo es más prudente utilizar una forma más rigurosa de la ecuación para tener en cuenta estas dependencias [3].
Téngase en cuenta que el prefijo "espectral" debe entenderse como una abreviatura de la frase "concentración espectral de", que la CIE entiende y define como el "cociente de la cantidad radiométrica tomada en un rango infinitesimal a cada lado de una longitud de onda dada, por el rango". [4]
La distribución de potencia espectral (SPD) de una fuente describe cuánto flujo llega al sensor en una longitud de onda y área particulares. Esto expresa efectivamente la contribución por longitud de onda a la cantidad radiométrica que se está midiendo. La SPD de una fuente se muestra comúnmente como una curva SPD. Las curvas SPD proporcionan una representación visual de las características de color de una fuente de luz, mostrando el flujo radiante emitido por la fuente en varias longitudes de onda a lo largo del espectro visible [5]. También es una métrica con la que podemos evaluar la capacidad de una fuente de luz para reproducir colores, es decir, si un cierto estímulo de color se puede reproducir correctamente bajo un iluminante dado .
La calidad de un sistema espectrorradiométrico determinado es una función de su electrónica, componentes ópticos, software, fuente de alimentación y calibración. En condiciones ideales de laboratorio y con expertos altamente capacitados, es posible lograr pequeños errores (de unas pocas décimas a unos pocos por ciento) en las mediciones. Sin embargo, en muchas situaciones prácticas, existe la probabilidad de errores del orden del 10 por ciento [3] . Hay varios tipos de error en juego al tomar mediciones físicas. Los tres tipos básicos de error señalados como factores limitantes de la precisión de la medición son los errores aleatorios, sistemáticos y periódicos [6].
Además de estas fuentes genéricas de error, algunas de las razones más específicas de error en espectroradiometría incluyen:
Gamma-scientific, un fabricante de dispositivos de medición de luz con sede en California, enumera siete factores que afectan la precisión y el rendimiento de sus espectrorradiómetros, debido a la calibración del sistema, el software y la fuente de alimentación, la óptica o el motor de medición en sí. [7]
La luz parásita es una radiación de longitud de onda no deseada que llega al elemento detector incorrecto. Genera recuentos electrónicos erróneos que no están relacionados con la señal espectral diseñada para el píxel o elemento de la matriz de detectores. Puede provenir de la dispersión y reflexión de la luz de elementos ópticos imperfectos, así como de efectos de difracción de orden superior. El efecto de segundo orden se puede eliminar o al menos reducir drásticamente, instalando filtros de clasificación de orden antes del detector.
La sensibilidad de los detectores de Si en el rango visible e infrarrojo cercano es casi un orden de magnitud mayor que en el rango ultravioleta. Esto significa que los píxeles en la posición espectral ultravioleta responden a la luz difusa en el rango visible e infrarrojo cercano con mucha más fuerza que a su propia señal espectral diseñada. Por lo tanto, los impactos de la luz difusa en la región ultravioleta son mucho más significativos en comparación con los píxeles visibles y infrarrojos cercanos. Esta situación empeora cuanto más corta es la longitud de onda.
Al medir la luz de banda ancha con una pequeña fracción de señales UV, el impacto de la luz dispersa a veces puede ser dominante en el rango UV, ya que los píxeles del detector ya están luchando por obtener suficientes señales UV de la fuente. Por este motivo, la calibración con lámpara estándar QTH puede tener grandes errores (más del 100 %) por debajo de los 350 nm y se requiere una lámpara estándar de deuterio para una calibración más precisa en esta región. De hecho, la medición de luz absoluta en la región UV puede tener grandes errores incluso con la calibración correcta cuando la mayoría de los recuentos electrónicos en estos píxeles son resultado de la luz dispersa (incidencias de longitudes de onda más largas en lugar de la luz UV real).
Existen numerosas empresas que ofrecen servicios de calibración para espectrómetros, pero no todas son iguales. Es importante encontrar un laboratorio certificado y con trazabilidad para realizar la calibración. El certificado de calibración debe indicar la fuente de luz utilizada (por ejemplo, halógena, deuterio, xenón, LED) y la incertidumbre de la calibración para cada banda (UVC, UVB, VIS...), cada longitud de onda en nm o para el espectro completo medido. También debe indicar el nivel de confianza para la incertidumbre de calibración.
Al igual que una cámara, la mayoría de los espectrómetros permiten al usuario seleccionar el tiempo de exposición y la cantidad de muestras que se van a recolectar. Establecer el tiempo de integración y el número de escaneos es un paso importante. Un tiempo de integración demasiado largo puede causar saturación. (En una fotografía de cámara, esto podría aparecer como un gran punto blanco, mientras que en un espectrómetro puede aparecer como una depresión o un pico cortado). Un tiempo de integración demasiado corto puede generar resultados ruidosos (en una fotografía de cámara, esto sería un área oscura o borrosa, mientras que en un espectrómetro pueden aparecer como lecturas irregulares o inestables).
El tiempo de exposición es el tiempo que la luz incide sobre el sensor durante una medición. Al ajustar este parámetro se modifica la sensibilidad general del instrumento, al igual que ocurre con el cambio del tiempo de exposición en el caso de una cámara. El tiempo mínimo de integración varía según el instrumento, con un mínimo de 0,5 ms y un máximo de unos 10 minutos por escaneo. Un ajuste práctico se encuentra en el rango de 3 a 999 ms, dependiendo de la intensidad de la luz.
El tiempo de integración debe ajustarse para una señal que no exceda los conteos máximos (el CCD de 16 bits tiene 65 536, el CCD de 14 bits tiene 16 384). La saturación ocurre cuando el tiempo de integración se establece demasiado alto. Por lo general, una señal pico de aproximadamente el 85 % del máximo es un buen objetivo y produce una buena relación señal/ruido (por ejemplo, 60 000 conteos o 16 000 conteos respectivamente).
El número de exploraciones indica cuántas mediciones se promediarán. En igualdad de condiciones, la relación señal-ruido (SNR) de los espectros recopilados mejora en la raíz cuadrada del número N de exploraciones promediadas. Por ejemplo, si se promedian 16 exploraciones espectrales, la SNR mejora en un factor de 4 con respecto a la de una sola exploración.
La relación señal/ruido se mide en el nivel de luz de entrada que alcanza la escala completa del espectrómetro. Es la relación entre los recuentos de señal Cs (normalmente a escala completa) y el ruido RMS (raíz cuadrada media) en este nivel de luz. Este ruido incluye el ruido oscuro Nd, el ruido de disparo Ns relacionado con los recuentos generados por la luz de entrada y el ruido de lectura. Esta es la mejor relación señal/ruido que se puede obtener del espectrómetro para mediciones de luz.
Los componentes esenciales de un sistema espectroradiométrico son los siguientes:
La óptica frontal de un espectrorradiómetro incluye lentes, difusores y filtros que modifican la luz cuando ingresa al sistema. Para la radiancia se requiere una óptica con un campo de visión estrecho. Para el flujo total se requiere una esfera integradora. Para la irradiancia se requieren ópticas correctoras de coseno. El material utilizado para estos elementos determina qué tipo de luz se puede medir. Por ejemplo, para tomar mediciones de UV, a menudo se utilizan lentes de cuarzo en lugar de vidrio, fibras ópticas, difusores de teflón y esferas integradoras revestidas de sulfato de bario para garantizar una medición precisa de UV. [8]
Para realizar un análisis espectral de una fuente, se necesitaría luz monocromática en cada longitud de onda para crear una respuesta espectral del iluminante. Se utiliza un monocromador para tomar muestras de las longitudes de onda de la fuente y, en esencia, producir una señal monocromática. Es básicamente un filtro variable que separa y transmite selectivamente una longitud de onda o una banda de longitudes de onda específicas del espectro completo de luz medida y excluye cualquier luz que se encuentre fuera de esa región. [9]
Un monocromador típico logra esto mediante el uso de ranuras de entrada y salida, ópticas de colimación y enfoque, y un elemento de dispersión de longitud de onda como una rejilla de difracción o un prisma. [6] Los monocromadores modernos se fabrican con rejillas de difracción, y las rejillas de difracción se utilizan casi exclusivamente en aplicaciones espectrorradiométricas. Las rejillas de difracción son preferibles debido a su versatilidad, baja atenuación, amplio rango de longitud de onda, menor costo y dispersión más constante. [9] Se pueden utilizar monocromadores simples o dobles según la aplicación, y los monocromadores dobles generalmente brindan más precisión debido a la dispersión adicional y el desenfoque entre las rejillas. [8]
El detector utilizado en un espectrorradiómetro está determinado por la longitud de onda en la que se mide la luz, así como por el rango dinámico requerido y la sensibilidad de las mediciones. Las tecnologías básicas de detectores de espectrorradiómetros generalmente se dividen en tres grupos: detectores fotoemisores (por ejemplo, tubos fotomultiplicadores ), dispositivos semiconductores (por ejemplo, silicio) o detectores térmicos (por ejemplo, termopila). [10]
La respuesta espectral de un detector determinado está determinada por los materiales que lo componen. Por ejemplo, los fotocátodos que se encuentran en los tubos fotomultiplicadores pueden fabricarse a partir de ciertos elementos para que sean insensibles a la luz solar (es decir, sensibles a los rayos UV y no sensibles a la luz visible o infrarroja). [11]
Los conjuntos CCD (dispositivos acoplados a carga) suelen ser conjuntos unidimensionales (lineales) o bidimensionales (de área) de miles o millones de elementos detectores individuales (también conocidos como píxeles) y sensores CMOS. Incluyen un detector de matriz multicanal basado en silicio o InGaAs capaz de medir la luz ultravioleta, visible y cercana al infrarrojo.
Los sensores CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) se diferencian de los CCD en que añaden un amplificador a cada fotodiodo. Esto se denomina sensor de píxeles activos porque el amplificador es parte del píxel. Los interruptores de transistores conectan cada fotodiodo al amplificador intrapíxel en el momento de la lectura.
El sistema de registro suele ser simplemente una computadora personal. En el procesamiento inicial de la señal, a menudo es necesario amplificarla y convertirla para usarla con el sistema de control. Las líneas de comunicación entre el monocromador, la salida del detector y la computadora deben optimizarse para garantizar que se utilicen las métricas y características deseadas. [8] El software disponible comercialmente que se incluye con los sistemas espectrorradiométricos a menudo viene almacenado con funciones de referencia útiles para realizar cálculos adicionales de las mediciones, como las funciones de coincidencia de color CIE y la curva V. [12]
Los espectrorradiómetros se utilizan en muchas aplicaciones y pueden fabricarse para cumplir con una amplia variedad de especificaciones. Entre las aplicaciones se incluyen las siguientes:
Es posible construir un espectrómetro óptico básico utilizando una rejilla de disco óptico y una cámara web básica, utilizando una lámpara CFL para calibrar las longitudes de onda. [15] Una calibración utilizando una fuente de espectro conocido puede convertir el espectrómetro en un espectrorradiómetro interpretando el brillo de los píxeles de la foto. [16] Una construcción casera se ve afectada por algunas fuentes de error adicionales en la conversión de foto a valor: ruido fotográfico (que requiere la sustracción del marco oscuro ) y no linealidad en la conversión de CCD a fotografía (posiblemente resuelta por un formato de imagen sin procesar ). [17]
