Техническая справка: разрешение в спектрометрах Avantes

Разрешение - одна из ключевых характеристик, обсуждаемых при принятии решения о покупке спектрометра. При этом в спецификациях параметр разрешения часто завышается производителями, так как большинство покупателей не понимают, как правильно измерять разрешение. Более того, максимальное разрешение часто не требуется для конкретных приложений и может фактически снизить производительность.

Что такое разрешение?

Существует множество приложений спектроскопии, поэтому существует вероятность столкнуться с различными типами разрешения, такими как временное, пространственное и спектральное. При расчёте характеристик спектрометра, оптическая разрешающая способность прибора является ключевой. Она называется спектральным разрешением и обычно определяется как минимальное расстояние между пиками спектра, которое прибор может определить. Вне зависимости от приложения, разрешение будет являться важным параметром, который всегда стоит учитывать. Для многих стандартных приложений рабочий диапазон и чувствительность являются основными характеристиками, но, если мы встречаем приложения такие, как лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия, рамановская спектроскопия, плазменная спектрометрия, лазерная спектроскопия и т. д., разрешение становится важным параметром. По сути, разрешение определяет, насколько хорошо пики спектра можно увидеть, различить и отделить друг от друга. На рисунке 1 изображены спектры с различным разрешением для разных размеров щелей.

Рисунок 1. Спектры, полученные при разных размерах щелей

Это легко может быть выполнено с помощью опции сменной щели (опция –RS) для спектрометров Avantes. В данном примере используются следующие щели:
•    Синяя линия = 10 мкм
•    Красная линия = 25 мкм
•    Желтая линий = 50 мкм
•    Зеленая линия = 100 мкм
С узкой щелью разрешение выше, поэтому два пика можно явно различить. При более низком разрешении, форма пиков становится шире. Что в конце концов приведет к одному «размазанному» импульсу, образованному двумя перекрывающимися пиками, где нет возможности различить отдельные пики. 
Следовательно, измерения со спектрами, в которых присутствуют пики, нуждаются в спектрометре с более высоким разрешением (лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия, рамановская спектроскопия, плазменная спектрометрия). Значение разрешения определяется путем нахождения полуширины (FWHM). Это делается при помощи измерения ширины пика на половине максимальной интенсивности. 

Рисунок 2. Измерение ширины пика на половине максимальной интенсивности

Для дальнейшего понимания разрешения необходимо детальнее изучить спектрометр. В качестве пояснения рассматривается спектрометр на основе оптической схемы 75 мм Черни-Тернера, Avantes. В этом спектрометре есть проекция изображения щели на детектор 1:1. Таким образом, если размер щели составляет 50 мкм, на детектор будет спроецирована небольшая полоска света 50 мкм (но для каждого цвета/длины волны полоска будет находиться в разных местах). При выборе спектрометра для измерения длины волны (от 360 до 780 нм), диапазон 420 нм будет проецироваться на 2048 пикселей, поэтому каждый пиксель будет покрывать 0,21 нм. Это также называется дисперсией пикселей и ее не следует путать с разрешением. Ширина пикселя данного детектора составляет 14 мкм. Когда 50 делится на 14, изображение проецируется на 3,6=4 пикселя. При 4-х пикселях теоретическое разрешение составляет 4∙0,21=0,84 нм. Однако, для предотвращения ситуации при которой два пика будут перекрываться друг с другом, следует добавить один пиксель на разделение, теоретическое разрешение составит 5∙0,21=1,05 нм.

Рисунок 3. Спектрометр на основе схемы Черни-Тернера

Из-за выравнивания, аберраций и допусков на оптику, значение полуширины (FWHM) может немного отличаться. Для примера, разобранного выше, разрешение по спектрометру Avantes составляет 1,17 нм.  Заявленные значения на сайте Avantes основаны на данных измерений встроенных спектрометров, а не на теоретических результатах, которые более оптимистичны, чем реальные значения. Средние значения находятся в диапазоне от 1,10 до 1,20 нм. Указывая фактические значения, Avantes гарантирует, что пользователь не будет впоследствии разочарован в приборе. 
Узкая щель будет проецировать свет только на несколько пикселей. Чем шире щель, тем больше пикселей подсвечивается. Использование щели большего размера увеличивает количество света, попадающего на спектрометр. Однако яркость одного пикселя не увеличивается, а будут освещаться соседние пиксели. Использование размера щели меньшего чем пиксель, приведет к уменьшению яркости на этом пикселе. На рисунке 4 видны различия для следующих значений ширины щели:
•    Синяя линия = 10 мкм
•    Красная линия = 25 мкм
•    Желтая линия = 50 мкм
•    Зеленая линия =100 мкм

Рисунок 4. Спектры, полученные при разных размерах щелей

Когда измеряются пики, результат зависит от того, где проецируется большая часть света. По синему спектру, что большая часть спектра проецируется на один пиксель, это дает лучшую производительность с точки зрения разрешения. Когда пик покрывает несколько пикселей – это усложняет нахождение точного положения пика. В этой ситуации может быть использован метод интерполяции кубическим сплайном. Это позволяет определить положение пика более точно, но влияет на полуширину (FWHM).

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ