مطياف إشعاعي

جهاز قياس الطيف الإشعاعي هو أداة لقياس الضوء قادرة على قياس كل من الطول الموجي وسعة الضوء المنبعث من مصدر ضوئي. يميز جهاز قياس الطيف الإشعاعي بين الأطوال الموجية بناءً على موضع سقوط الضوء على مصفوفة الكاشف، مما يسمح بالحصول على الطيف الكامل بعملية قياس واحدة. تحتوي معظم أجهزة قياس الطيف الإشعاعي على قياس أساسي للعدّ، وهو القراءة غير المعايرة، وبالتالي يتأثر بحساسية الكاشف لكل طول موجي. بتطبيق المعايرة ، يصبح جهاز قياس الطيف الإشعاعي قادرًا على توفير قياسات للإشعاع الطيفي ، والإشعاع الطيفي ، و/أو التدفق الطيفي . تُستخدم هذه البيانات أيضًا مع برامج مدمجة أو برامج حاسوبية وخوارزميات متعددة لتوفير قراءات للإشعاع (واط/سم²)، والإضاءة (لوكس أو شمعة قدم)، والإشعاع (واط/ستراديان)، والسطوع ( شمعة)، والتدفق (لومن أو واط)، واللونية ، ودرجة حرارة اللون ، وطول الموجة الذروية، والطول الموجي السائد. تسمح بعض حزم برامج المطياف الأكثر تعقيدًا أيضًا بحساب PAR μmol/m ² /s، والتماثل، وحسابات الكانديلا بناءً على المسافة وتتضمن ميزات مثل المراقب بزاوية 2 و20 درجة، ومقارنات تراكب خط الأساس، والنقل والانعكاس.

تتوفر أجهزة قياس الطيف بأحجام وتصاميم متنوعة تغطي نطاقات أطوال موجية متعددة. ويتحدد النطاق الطيفي الفعال لجهاز قياس الطيف ليس فقط بقدرة تشتيت المحزز، بل يعتمد أيضًا على نطاق حساسية الكاشف. ونظرًا لمحدودية فجوة النطاق لأشباه الموصلات ، يستجيب الكاشف المصنوع من السيليكون لأطوال موجية تتراوح بين 200 و1100  نانومتر، بينما يكون الكاشف المصنوع من إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs) حساسًا لأطوال موجية تتراوح بين 900 و1700  نانومتر (أو حتى 2500  نانومتر مع التبريد).

تغطي أجهزة قياس الطيف المستخدمة في المختبرات والأبحاث عادةً نطاقًا طيفيًا واسعًا يمتد من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة، وتتطلب جهاز كمبيوتر. كما توجد أجهزة قياس طيف الأشعة تحت الحمراء التي تتطلب طاقة أعلى لتشغيل نظام التبريد. يمكن تحسين أداء العديد من أجهزة قياس الطيف لنطاق محدد، كالأشعة فوق البنفسجية أو الضوء المرئي، ودمجها مع نظام ثانٍ لتحقيق قياسات أكثر دقة، ووضوح أفضل، والتخلص من بعض الأخطاء الشائعة في أنظمة النطاق العريض، مثل الضوء الشارد وانخفاض الحساسية.

تتوفر أجهزة محمولة تغطي نطاقات طيفية متعددة من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة، وتأتي بأحجام وتصاميم متنوعة. تتميز الأنظمة المحمولة المزودة بشاشات مدمجة عادةً ببصريات مدمجة وحاسوب داخلي مزود ببرامج مبرمجة مسبقًا. كما يمكن استخدام أجهزة قياس الطيف المصغرة يدويًا أو في المختبر، حيث يتم تشغيلها والتحكم بها بواسطة حاسوب شخصي وتتطلب كابل USB. قد تكون بصريات الإدخال مدمجة أو يتم توصيلها عادةً بواسطة موجه ضوئي من الألياف البصرية. يوجد أيضًا أجهزة قياس طيف دقيقة أصغر من ربع دولار، يمكن دمجها في نظام أو استخدامها بشكل مستقل.

يهتم مجال قياس الإشعاع الطيفي بقياس الكميات الإشعاعية المطلقة في نطاقات ضيقة من الأطوال الموجية. ^{[ 1 ]} من المفيد أخذ عينات من الطيف بنطاق ترددي ضيق وزيادات في الطول الموجي لأن العديد من المصادر لها بنى خطية. ^{[ 2 ]} في أغلب الأحيان، يكون الإشعاع الطيفي هو القياس المطلوب في قياس الإشعاع الطيفي. عمليًا، يُقاس متوسط ​​الإشعاع الطيفي، ويُعبر عنه رياضيًا بالتقريب التالي:

${\displaystyle E(\lambda )={\frac {\Delta \Phi }{\Delta A\Delta \lambda }}}$

أين${\displaystyle E}$هي الإشعاعية الطيفية،${\displaystyle \Phi }$هو التدفق الإشعاعي للمصدر ( وحدة النظام الدولي للوحدات : واط ، W) ضمن نطاق طول موجي${\displaystyle \Delta \lambda }$(وحدة النظام الدولي للوحدات: المتر ، م)، الساقطة على مساحة السطح،${\displaystyle A}$(وحدة النظام الدولي للوحدات: متر مربع، م² ⁾ . وحدة النظام الدولي للوحدات للإشعاع الطيفي هي واط/م³ ^. ومع ذلك، غالبًا ما يكون من المفيد قياس المساحة بالسنتيمتر والطول الموجي بالنانومتر ، وبالتالي سيتم استخدام مضاعفات جزئية لوحدات النظام الدولي للوحدات للإشعاع الطيفي، على سبيل المثال ميكروواط/سم² ^* نانومتر ^{[ 3 ].}

يتفاوت الإشعاع الطيفي عمومًا من نقطة إلى أخرى على السطح. عمليًا، من المهم ملاحظة كيفية تغير التدفق الإشعاعي مع الاتجاه، وحجم الزاوية المجسمة التي يشغلها المصدر عند كل نقطة على السطح، واتجاه السطح. بناءً على هذه الاعتبارات، غالبًا ما يكون من الأنسب استخدام صيغة أكثر دقة للمعادلة لمراعاة هذه التبعيات ^{[ 3 ].}

تجدر الإشارة إلى أن البادئة "spectral" تُفهم على أنها اختصار لعبارة "spectral concentration of" والتي تُفهم وتُعرّف من قبل اللجنة الدولية للإضاءة (CIE) على أنها "ناتج قسمة الكمية الإشعاعية المأخوذة على مدى متناهي الصغر على جانبي طول موجي معين، على المدى". ^{[ 4 ]}

يصف توزيع القدرة الطيفية (SPD) لمصدر ضوئي مقدار التدفق الضوئي الذي يصل إلى المستشعر عند طول موجي ومساحة محددين. ويعبّر هذا فعليًا عن مساهمة كل طول موجي في الكمية الإشعاعية المقاسة. يُعرض توزيع القدرة الطيفية للمصدر عادةً على شكل منحنى. توفر منحنيات توزيع القدرة الطيفية تمثيلًا مرئيًا لخصائص اللون لمصدر الضوء، حيث تُظهر التدفق الإشعاعي المنبعث من المصدر عند أطوال موجية مختلفة عبر الطيف المرئي ^{[ 5 ].} كما يُعدّ هذا التوزيع مقياسًا يُمكننا من خلاله تقييم قدرة مصدر الضوء على عرض الألوان، أي ما إذا كان بالإمكان عرض محفز لوني معين بشكل صحيح تحت إضاءة محددة .

تعتمد جودة أي نظام قياس طيفي إشعاعي على مكوناته الإلكترونية والبصرية وبرمجياته ومصدر الطاقة ومعايرته. في ظل ظروف المختبر المثالية وبوجود خبراء مدربين تدريباً عالياً، يمكن تحقيق أخطاء صغيرة (من بضعة أعشار إلى بضعة بالمئة) في القياسات. مع ذلك، في العديد من الحالات العملية، يُحتمل حدوث أخطاء تصل إلى 10 بالمئة ^{[ 3 ].} وتتداخل أنواع عديدة من الأخطاء عند إجراء القياسات الفيزيائية. وتُعدّ الأخطاء العشوائية والمنهجية والدورية من أهم ثلاثة أنواع أساسية من الأخطاء التي تُحدّ من دقة القياس ^{[ 6 ].}

• الأخطاء العشوائية هي اختلافات حول المتوسط. في حالة القياسات الطيفية الإشعاعية، يمكن اعتبارها ضوضاءً ناتجة عن الكاشف، أو الإلكترونيات الداخلية، أو مصدر الضوء نفسه. ويمكن التغلب على هذا النوع من الأخطاء من خلال فترات تكامل أطول أو عمليات مسح متعددة.
• الأخطاء المنهجية هي انحرافات عن القيمة "الصحيحة" المتوقعة. وتحدث هذه الأخطاء عادةً نتيجةً للعنصر البشري في هذه القياسات، أو الجهاز نفسه، أو إعداد التجربة. ومن بين المشكلات المحتملة: أخطاء المعايرة، والضوء المتناثر، والإعدادات غير الصحيحة.
• تنشأ الأخطاء الدورية من أحداث دورية أو شبه دورية متكررة. ويمكن تصنيف التغيرات في درجة الحرارة أو الرطوبة أو حركة الهواء أو تداخل التيار المتردد على أنها أخطاء دورية. ^{[ 6 ]}

بالإضافة إلى هذه المصادر العامة للخطأ، تتضمن بعض الأسباب الأكثر تحديدًا للخطأ في قياس الطيف الإشعاعي ما يلي:

• تعددية أبعاد القياس. تعتمد إشارة الخرج على عدة عوامل، بما في ذلك مقدار التدفق المقاس، واتجاهه، واستقطابه ، وتوزيع طول موجته.
• أدى عدم دقة أدوات القياس، بالإضافة إلى المعايير المستخدمة لمعايرة هذه الأدوات، إلى تراكم الأخطاء وتفاقمها في جميع مراحل عملية القياس،
• التقنيات الخاصة لتقليل تعدد الأبعاد وخطأ عدم استقرار الجهاز. ^{[ 3 ]}

تُدرج شركة Gamma-scientific، وهي شركة تصنيع أجهزة قياس الضوء مقرها كاليفورنيا، سبعة عوامل تؤثر على دقة وأداء أجهزة قياس الطيف الإشعاعي الخاصة بها، وذلك إما بسبب معايرة النظام، أو البرامج ومصدر الطاقة، أو البصريات، أو محرك القياس نفسه. ^{[ 7 ]}

المكونات الأساسية لنظام قياس الطيف الإشعاعي هي كما يلي:

• البصريات المدخلة التي تجمع الإشعاع الكهرومغناطيسي من المصدر (المشتتات، العدسات، موجهات الضوء الليفية البصرية)
• تحدد فتحة الدخول كمية الضوء التي ستدخل إلى المطياف. الفتحة الأصغر توفر دقة أعلى، ولكنها تقلل من الحساسية الإجمالية.
• مرشحات ترتيب الطلبات لتقليل تأثيرات الدرجة الثانية
• يقوم جهاز التجميع بتوجيه الضوء إلى المحزز أو الموشور
• محزز أو موشور لتشتيت الضوء
• عدسات التركيز لتوجيه الضوء نحو الكاشف
• كاشف، أو مستشعر CMOS، أو مصفوفة CCD
• نظام تحكم وتسجيل لتحديد البيانات وتخزينها. ^{[ 8 ]}

أحادي اللون

لإجراء تحليل طيفي لمصدر ضوئي، يلزم ضوء أحادي اللون عند كل طول موجي لإنشاء استجابة طيفية للمصدر. يُستخدم مُوحِّد اللون لأخذ عينات من الأطوال الموجية من المصدر، وبالتالي إنتاج إشارة أحادية اللون. وهو في الأساس مُرشِّح متغير، يفصل بشكل انتقائي طولًا موجيًا مُحددًا أو نطاقًا من الأطوال الموجية من الطيف الكامل للضوء المقاس، ويستبعد أي ضوء يقع خارج هذا النطاق. ^{[ 9 ]}

يحقق أحادي اللون النموذجي ذلك باستخدام فتحات الدخول والخروج، وبصريات التجميع والتركيز، وعنصر تشتيت الطول الموجي مثل محزز الحيود أو الموشور. ^{[ 6 ]} تُصنع أحاديات اللون الحديثة باستخدام محززات الحيود، وتُستخدم هذه المحززات بشكل حصري تقريبًا في تطبيقات قياس الطيف الإشعاعي. تُفضل محززات الحيود نظرًا لتعدد استخداماتها، وانخفاض التوهين، ونطاق الطول الموجي الواسع، وانخفاض تكلفتها، وتشتتها الأكثر ثباتًا. ^{[ 9 ]} يمكن استخدام أحاديات اللون أحادية أو مزدوجة حسب التطبيق، حيث توفر أحاديات اللون المزدوجة عمومًا دقة أعلى نظرًا للتشتت الإضافي والحواجز بين المحززات. ^{[ 8 ]}

أجهزة الكشف

يُحدد نوع الكاشف المستخدم في جهاز قياس الطيف الإشعاعي بناءً على الطول الموجي الذي يُقاس الضوء عنده، بالإضافة إلى النطاق الديناميكي المطلوب وحساسية القياسات. وتندرج تقنيات الكشف الأساسية في أجهزة قياس الطيف الإشعاعي عمومًا ضمن إحدى ثلاث مجموعات: الكواشف الضوئية (مثل أنابيب المضاعف الضوئي )، وأجهزة أشباه الموصلات (مثل السيليكون)، أو الكواشف الحرارية (مثل المزدوجات الحرارية ). ^{[ 10 ]}

تُحدد المواد الأساسية للكاشف الاستجابة الطيفية له. فعلى سبيل المثال، يمكن تصنيع الكاثودات الضوئية الموجودة في أنابيب المضاعف الضوئي من عناصر معينة لتكون غير حساسة للأشعة فوق البنفسجية - أي حساسة للأشعة فوق البنفسجية وغير مستجيبة للضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 11 ]}

تتكون مصفوفات CCD (أجهزة اقتران الشحنات) عادةً من مصفوفات أحادية البعد (خطية) أو ثنائية البعد (مساحية) تضم آلافًا أو ملايين من عناصر الكشف الفردية (المعروفة أيضًا باسم البكسلات) ومستشعرات CMOS. وهي تشمل كاشف مصفوفة متعدد القنوات مصنوع من السيليكون أو InGaAs، قادر على قياس الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة.

تختلف مستشعرات CMOS (أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية) عن مستشعرات CCD في أنها تضيف مُضخِّمًا لكل ثنائي ضوئي . يُطلق على هذا النوع من المستشعرات اسم مستشعر البكسل النشط لأن المُضخِّم جزء لا يتجزأ من البكسل. تقوم مفاتيح الترانزستور بتوصيل كل ثنائي ضوئي بالمُضخِّم داخل البكسل عند قراءة البيانات.

تُستخدم أجهزة قياس الطيف الإشعاعي في العديد من التطبيقات، ويمكن تصنيعها لتلبية مجموعة واسعة من المواصفات. ومن أمثلة هذه التطبيقات:

• الأشعة فوق البنفسجية والأشعة فوق البنفسجية ب الشمسية
• قياس LED
• قياس ومعايرة الشاشة
• اختبار المصابيح الفلورية المدمجة (CFL)
• الكشف عن بقع الزيت عن بعد ^{[ 13 ]}
• البحث والتطوير في مجال النباتات ^{[ 14 ]}
• الاستشعار عن بعد للأرض والكواكب

من الممكن بناء مطياف ضوئي أساسي باستخدام محزز قرص ضوئي وكاميرا ويب بسيطة، مع استخدام مصباح فلورسنت مدمج لمعايرة الأطوال الموجية. ^{[ 15 ]} ويمكن تحويل المطياف إلى مقياس إشعاع طيفي من خلال معايرة باستخدام مصدر طيفي معروف، وذلك بتحليل سطوع وحدات البكسل في الصورة. ^{[ 16 ]} إلا أن عملية البناء الذاتي تتأثر ببعض مصادر الخطأ الإضافية في تحويل الصورة إلى قيمة: التشويش الفوتوغرافي (الذي يتطلب طرح الإطار المظلم ) وعدم الخطية في تحويل بيانات CCD إلى صورة فوتوغرافية (والتي يمكن حلها باستخدام تنسيق صورة خام ). ^{[ 17 ]}

• مقياس الإشعاع
• مطياف
• قياس الطيف الإشعاعي
• قياس الطيف الضوئي
• قياس الطيف الإشعاعي للاستشعار عن بعد للأرض والكواكب

• مبادئ قياس الضوء الأساسية: مقال من مجلة تقنيات الضوء الدولية حول المبادئ الأساسية
• أنواع مطياف الإشعاع