5.64 Мб 
Введение
Мы постоянно используем свет для измерения величин, которых вы не ожидаете: кинематики (скорость, ускорение), деформации (корреляция цифровых изображений), потоков жидкости и температуры (пирометрия). По сути, всё это делается без взаимодействия с системой — мы просто наблюдаем. Спектроскопия является естественным продолжением этого процесса: если вы можете наблюдать за системой, вы можете определить, из чего она состоит, вплоть до атомного и молекулярного уровня.
Спектроскопия имеет яркую историю в оптике. Благодаря методам, разработанным в XIX веке, она стала катализатором расцвета нашего понимания мира — от невообразимо огромного до невидимо малого. Одним из поразительных открытий стало то, что Солнце состоит из тех же элементов, что и Земля (водород и гелий). Спектроскопия подтвердила существование электрона ещё до появления квантовой механики.
Как это работает?
Каждый атом или молекула имеет свою уникальную спектральную подпись, основанную на электронной структуре: они могут поглощать или излучать строго определенные комбинации длин волн. Канонический пример — атом водорода. В нем электрон может существовать только в определенных дискретных энергетических состояниях (уровнях), показанных на рисунке и обозначенных как n. Это не похоже на наш повседневный опыт, где энергия непрерывна. На атомном уровне электрон должен либо поглотить, либо излучить строго определенную порцию энергии, чтобы перейти между уровнями.
Как мы это измеряем?
Если смотреть на флуоресценцию газа, вы увидите просто розоватый свет (Рис. 4а). Чтобы разделить этот свет на составляющие длины волн и получить четкую спектральную подпись, нам нужна дифракционная решетка (Рис. 4b). При взаимодействии с микроструктурой решетки свет отклоняется под разными углами в зависимости от длины волны.
Типовая оптическая схема:
- Линза для сбора и фокусировки света от источника.
- Щелевая апертура для улучшения пространственного разрешения и предотвращения спектрального уширения.
- Вторая линза для коллимации (создания параллельного пучка) света.
- Дифракционная решетка для дисперсии света.
- Вогнутое параболическое зеркало для фокусировки разделенного света на сенсоре камеры.
Калибровка по длине волны
В качестве примера рассматривается вторая положительная система азота (диапазон 300–400 нм). Азот составляет 78% атмосферы, поэтому его излучение легко наблюдать. Оно имеет четкие линии, что позволяет легко отличить его от шума. Процесс калибровки заключается в сопоставлении позиции пикселя на матрице с конкретной длиной волны (нм) с использованием известных эталонных значений.
Калибровка интенсивности
Откалибровать абсолютную облученность гораздо сложнее, так как необходимо учитывать:
- Эффективность пропускания/отражения оптики (стекло может поглощать УФ).
- Дифракционную эффективность решетки.
- Спектральную чувствительность CMOS-сенсора (способность преобразовывать фотоны в электроны).
Процедура калибровки включает
- Преобразование значений пикселей в электроны, а затем в фотоны (используя данные о системном усилении и квантовой эффективности).
- Нормализацию с учетом оптической эффективности системы.
Также возможна калибровка с помощью «эталонной свечи» — источника света с известным широким спектром (например, галогенной лампы).
Спектральная чувствительность
Спектральная чувствительность CMOS-сенсора определяет эффективность преобразования фотонов в электроны (или заряд) пикселями. Ни один CMOS-сенсор не преобразует весь свет в электроны, поскольку по ряду причин падающий фотон может не быть преобразован в фотоэлектрон, который может быть обнаружен схемой АЦП. Кроме того, эта чувствительность является дисперсионной, поэтому такая чувствительность зависит от длины волны света, падающего на сенсор. Для УФ-расширенного TMX 7510 кривая спектральной чувствительности показана на рисунке.
