В повседневной работе с пользователями мы часто сталкиваемся с вопросами типа: «Что именно означают „количество отсчетов“ по оси Y моего спектра?» или «Как преобразовать эти необработанные данные в полезные измерения, такие как освещенность или концентрация?» Сегодня мы рассмотрим основной выходной сигнал спектрометров — количество отсчетов по оси Y — и то, как этот необработанный сигнал может быть научно «преобразован» в практические показатели, такие как освещенность, освещенность, цветовые координаты, поглощение и коэффициенты пропускания/отражения. Понимание этого процесса раскрывает истинную мощь спектрального анализа.
01 Отправная точка: Понимание подсчета по оси Y
Представьте себе основной датчик спектрометра как сверхчувствительный «счетчик фотонов». Когда свет попадает в спектрометр по оптическому волокну и рассеивается дифракционной решеткой, на отдельные пиксели датчика падают фотоны разных длин волн. Полученные значения представляют собой необработанные цифровые показания фотоэлектрического сигнала, генерируемого каждым пикселем в течение времени экспозиции.
По сути, «счетчики» — это «собственный язык» спектрометра, прямо пропорциональный количеству фотонов, достигающих детектора (в пределах линейного диапазона отклика датчика). Более длительное время экспозиции или более высокая интенсивность света приводят к более высоким значениям «счетчиков».
Optosky Insight: Наши спектрометры разработаны для обеспечения высокого отношения сигнал/шум и широкого динамического диапазона в исходных данных, что является важнейшей основой для всех последующих высокоточных вычислений.
02 Преобразование необработанного сигнала в физические величины
Хотя исходные данные о количестве отсчетов дают непосредственное представление о ситуации, на них влияют специфические для прибора факторы (например, темновой шум, вариации отклика пикселей), и их нельзя напрямую использовать для сравнения результатов измерений на разных приборах или для физического анализа. Калибровка является ключевым моментом для преобразования данных о количестве отсчетов в значимые, стандартизированные данные.
1. Радиометрические и фотометрические величины: освещенность и интенсивность излучения.
Интенсивность излучения: чисто физическая величина, представляющая собой мощность излучения на единицу площади (обычно Вт/см²·нм). Калибровка спектрометра с помощью стандартной лампы для измерения интенсивности излучения позволяет получить коэффициент преобразования количества импульсов в абсолютную интенсивность излучения, что обеспечивает точные измерения оптической мощности.
Освещенность: фотометрическая величина, соответствующая человеческому зрительному восприятию, указывающая на световой поток на единицу площади (единица измерения: люкс). Она рассчитывается путем взвешивания данных об освещенности с помощью фотопической зрительной функции V(λ) и интегрирования по всему спектру – по сути, отвечая на вопрос: «Насколько ярким кажется это человеческому глазу?»
Отношение:
Отсчеты → (Калибровка спектрального отклика) → Освещенность → (Взвешивание и интегрирование V(λ)) → Освещенность
2. Цветоведение: цветовые координаты CIE
Цвет может быть субъективным понятием, но его можно точно количественно оценить. Система цветов CIE 1931 XYZ служит универсальным стандартом для представления цвета.
Цветовые координаты CIE : Путем взвешивания относительных спектральных данных (либо калиброванной освещенности, либо скорректированных по темноте значений) с помощью стандартных функций цветового соответствия CIE и выполнения нормализации мы получаем известные цветовые координаты (x, y) или (x, y, Y). Этот процесс точно количественно определяет «восприятие цвета» любого источника света или объекта.
Отношение:
Относительные спектральные данные → (Функции цветового соответствия CIE и расчеты) → CIE XYZ → (Нормализация) → Цветовые координаты (x, y)
3. Анализ состава: поглощение, пропускание и отражение.
Показатели поглощения и пропускания/отражения имеют центральное значение для применения в химии, биологии и материаловедении.
Коэффициент пропускания/отражения: безразмерные отношения, описывающие способность образца пропускать или отражать свет. Для измерений необходимо получить эталонные спектры от стандартов (например, пустой растворитель для пропускания, стандартная белая доска для отражения) и спектры образца. Формула: T или R = (I_образец / I_эталон) × 100%. Этот расчет эффективно компенсирует вариации в отклике источника света и спектрометра, обеспечивая сопоставимые результаты.
Абсорбция: Согласно закону Ламберта-Бера, абсорбция напрямую коррелирует с концентрацией образца. Формула: A = -log₁₀(T) = log₁₀(I_reference / I_sample). Поскольку A выводится из T, которое, в свою очередь, получается из отношения двух значений количества отсчетов, стабильные отсчеты с высоким отношением сигнал/шум имеют решающее значение для получения точных результатов по абсорбции и концентрации.
Отношение:
Counts_reference & Counts_sample → (Расчет отношения) → Пропускание (T) → (Логарифмический расчет) → Абсорбция (A)
Заключение
Этот процесс можно представить в виде четкого, структурированного конвейера обработки данных:
-
Получение необработанного сигнала : спектрометр выдает необработанные данные об отсчетах.
-
Коррекция фонового сигнала : Скорректированные значения = Исходные значения - Значения в темном диапазоне ( важный шаг ).
-
Обработка, специфичная для конкретного приложения :
-
Цветовой/качественный анализ : Используйте скорректированные значения в качестве относительных спектральных данных для вычисления цветовых координат CIE.
-
Концентрационный/количественный анализ : сравните скорректированные значения показаний образца и эталонного образца для определения коэффициента пропускания/отражения, затем вычислите значение поглощения.
-
Абсолютные измерения: Примените калибровку спектральной характеристики к скорректированным значениям для получения интенсивности излучения, которую затем можно преобразовать в освещенность.
От высокоточной оптической платформы, обеспечивающей стабильные показания, до индивидуальной калибровки для вашего конкретного применения, спектрометры Optosky в сочетании с интуитивно понятным программным обеспечением упрощают весь процесс от «фотонов до данных и получения результатов». Это позволяет вам полностью сосредоточиться на анализе образцов, не обременяясь сложными преобразованиями данных.