Спектрофотометр

Спектрофотометр для видимой и УФ областей спектра

Спектрофотометр (лат. spectrum — видимое, видение, др.-греч. φῶς, родительный падеж φωτός — свет и μετρέω — измеряю) — прибор, предназначенный для измерения отношений двух потоков оптического излучения, один из которых — поток, падающий на исследуемый образец, другой — поток, испытавший то или иное взаимодействие с образцом. Позволяет производить измерения для различных длин волн оптического излучения, соответственно в результате измерений получается спектр отношений потоков.

Спектрофотометр является основным прибором, используемым в спектрофотометрии. Обычно используется для измерения спектров пропускания или спектров отражения излучения.

Конструкция

Схема спектрофотометра с монохроматором отражённого излучения

Схема спектрофотометра с монохроматором освещающего излучения

На рисунках приведены две основные схемы спектрофотометров, измеряющих спектральный апертурный коэффициент отражения образца относительно рабочего стандарта с известной спектральной характеристикой. Возможно помещение монохроматора в пучок отраженного света от образца или стандарта или освещение образца и стандарта монохроматическим излучением после монохроматора.

Для улучшения характеристик и точности измерений в современных спектрофотометрах также используются двойные монохроматоры.

Конструктивные схемы

Есть две схемы построения спектрофотометров: в виде клиновидной пластинки и с применением гетеродинной схемы приема светового излучения.

Спектрофотометр в виде клиновидной пластинки

Спектрофотометр выполнен в виде клиновидной пластинки, на одну из поверхностей которой нанесен тонкий, частично пропускающий слой, а на другую поверхность нанесено отражающее покрытие, частично пропускающее световое излучение.

Принцип работы спектрофотометра основан на регистрации интерференционных полос стоячей световой волны путём проецирования изображения системы интерференционных полос на фоточувствительные линейки. При этом метод обработки сигнала отличается от традиционной Фурье-спектроскопии лишь тем, что преобразованию подвергаются сигналы не временной, а пространственной частоты.

Спектрофотометр обладает высокой помехоустойчивостью к некогерентному световому излучению.

Гетеродинная схема приема светового излучения

В этой схеме спектрофотометр снабжают вторым лазером с частотой излучения, отличающейся от частоты первого лазера на частоту светового биения^{[уточнить]}. При этом от излучения второго лазера образуются интерференционные полосы практически с тем же периодом d^{[уточнить]}, а на тонком слое, как на смесителе, возникают световые биения. Полученные электрические сигналы регистрируют и подвергают двухмерному преобразованию Фурье.

Светофильтры

В полиграфии могут использоваться^{[уточнить]} следующие светофильтры:

• POL — поляризационный фильтр. Используется для получения предположительного спектра после закрепления краски.
• D65 — применяется для имитации источника излучения D65.
• UV-cut — применяется при измерении оптических плотностей бумаг, в которых используются флюоресцентные оптические отбеливатели.
• No — обозначение^[где?] отсутствия светофильтра. Обычно^{[уточнить]} используется прозрачное стекло, защищающее спекрофотометр от пыли.

Источники излучения

Основными источниками излучения являются:

• А (свет лампы накаливания, 2856 К)
• С (непрямой солнечный свет, 6774 К)
• D (дневной свет, 5000 К)
• D65 (дневной свет, 6500 К)
• F11 (флуоресцентное излучение узкого диапазона излучаемое трубкой Philips TL84^{[уточнить]})

Геометрия измерения

Международной комиссией по освещению рекомендованы 4 различные геометрии для измерения спектра отражения:

• 45/0 (образец освещается одним или несколькими световыми пучками, оси которых образуют угол 45±5° относительно нормали к поверхности образца).
• 0/45 (образец освещается световым пучком, ось которого составляет с нормалью к образцу угол не более 10°).
• D/0 (образец освещается диффузно с помощью интегрирующей сферы. Интегрирующая сфера может иметь любой диаметр при условии, что суммарная площадь отверстий не превышает 10 % внутренней отражающей поверхности сферы).
• 0/D (образец освещается световым пучком, ось которого составляет с нормалью к образцу угол не более 10°. Отраженный поток собирается с помощью интегрирующей сферы).

Модификация основных геометрий измерений

Для исключения зеркальной составляющей высокоглянцевых материалов приемник света размещается под углом 8° к нормали, а напротив него симметрично относительно нормали устанавливается ловушка блеска. Свет, который не попадает на образец под углом 8° (благодаря ловушке блеска), не отражается зеркально в направлении приемника, следовательно, отражённый образцом поток состоит только из диффузного света. В таком случае геометрия измерения становится D/8. Если зеркальный компонент включен, то обозначение такого — D/8:i (ловушка закрыта). Если выключен, то геометрия измерения обозначается D/8:е (ловушка открыта).

Применение

Спектрофотометры могут работать в различных диапазонах длин волн — от ультрафиолетового до инфракрасного. В зависимости от этого приборы имеют разное назначение.

Применяется в колориметрии и спектральном анализе.

Основное назначение спектрофотометров в полиграфической отрасли — проведение точной линеаризации и калибровки процессов печати. Спектрофотометры предоставляют возможность проведения точечных и автоматизированных измерений для создания высококачественных ICC-профилей.

Спецификация

• Спектральное разрешение — минимально возможная ширина спектра оптического излучения, которое в спектрофотометре направляется на исследуемый образец. Выражается в длинах волн.
• Спектральная разрешающая способность — безразмерная величина, равная отношению длины волны излучения к спектральному разрешению на этой длине волны.
• Спектральный диапазон это диапазон в пределах которого может работать спектрофотометр. Для большинства случаев в полиграфии оценивается спектр светового излучения в видимом диапазоне длин волн от 380 до 730 нм. Для некоторых случаев бывает необходимым оценить ультрафиолетовую и инфракрасную составляющую излучения. Спектрофотометры измеряют только спектр излучения. Все остальные характеристики рассматриваются по спектральным данным.
• Межприборная согласованность — это разброс измеряемых значений одного и того же образца, измеряемого с помощью эталонного и исследуемого прибора.
• Повторяемость определяет точность измерений, которые осуществляются теми же операторами при нескольких измерениях одинаковыми приборами одних и тех же образцов.