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ezSectra 915Vの飽和感度を再確認する

ezSpectra 815Vの分光ユニットである浜松ホトニクスのC12666MAの分光特性は浜松ホトニクスのWebにあるのだけれども、楢ノ木技研さんのツイッターに、浜松ホトニクスのWebのデータは実測と合わないという話が出ていたらしい。

だいぶ前に、飽和値の見積もりをやった時は、浜松ホトニクスの図をもとに見積もりを行ったのだけれど、感度分布が違うとなると、見積もりにずれがあることになる。というわけで、再度チェックすることにした。

前回は平らなスペクトルで見積もりを行ったけれど、見積もり精度を上げるためには、単色光に近い方が望ましい。単色光源があるかというと、さらに昔に出した、干渉フィルターセットが手元にある。

楢ノ木技研さんのデータと浜松ホトニクスのデータを比べると、両方とも490nmあたりが最高感度で一致しているけれど、600nm付近の感度は、楢ノ木データの方がかなり高くなっている。そこで、490nmと600nmの2波長で比較することにした。
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まず、それぞれの生データ。同じ露光時間で、同程度の値になるように、ハロゲンの電圧を調整している。これを基準値にして、露光時間を上げていって、どこで飽和が起こるかを見ることにした。

490nmで露光時間を上げていった時のスペクトル変化を示す。
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露光時間が増えると、スペクトルがひずんでいるのが分かる。スペクトルの歪みはじめが、感度飽和なのだけれど、出始めは見にくい。そこで、すべてのスペクトルを最大値を1に規格化して(というか、ezSpctraの規格化を使った)、そして、基準値との差分をとってみた。
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14msでは差はないが、15msで変化が始まっている。
基準とした13msの最大値は0.96。これを基準に、14msの時の最大値を求めると、1.04、15msでは1.11となる。前は15~20%で飽和すると印したけれど、どうやら、最大値の10%増しで飽和してしまうようだ。

続いて600nm。こちらも、元のスペクトルと13msを基準にとった差分を示した。
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差分を見ると16msから飽和が始まっている。13msの最大値が0.97。14msで1.05、15msで1.12。16msで1.2となる。飽和値のレベルから、490nmと600nmの感度を比較すると、1.11/1.2=0.93で、600nmの感度は490nm感度の0.93倍程度と推定できる。

前に示した浜松ホトニクスの感度分布では600nmの感度は490nmの0.74倍程度。一方、楢ノ木技研さんのデータだと0.94~0.95倍程度。楢ノ木技研さんのデータより少し低いが、浜松ホトニクスのデータからは大きくずれた結果となった。

というわけで、分かったことをまとめると、
1,ezSpectra 815Vの最大値は最高感度の波長(490nm)に対して10%程度の余裕を見て設定されている。
2,浜松ホトニクスのWebにあるC12666MAの感度データは、現物とかなり違っている可能性が高い。

で、感度分布を自分で確かめたくなったら、単色光源を用意できれば、今回みたいな飽和強度測定で、どうにかなるだろうと思う。



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by ZAM20F2 | 2017-08-14 13:47 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815V でYujiLEDの紫励起LEDのスペクトルを測定する

ezSpectra 815Vに拡散板を挟むテストを行ったのは、スペクトルを測定したい光源があったからだ。

家の顕微鏡の光源には、写真家の新藤さんおすすめのYujiLEDの高演色性高輝度パワーLED(YJ-BC-135L-COB 9W)を用いている。この品、公称Raは95で確かに液晶の写真撮影でも変な色味にはならないように思うのだけれど、青色LEDを使っているために、400nmあたりの光は放射しておらず、分光測定の光源としては物足りない。

日本のサイトには、パワーLEDは青色励起タイプしかないのだけれど、英語のWebを見たら紫励起タイプも存在していた。UniPoさんに尋ねたら、紫励起タイプを日本国内でも販売してくれるとのこと。価格は英語Webで5ヶ135ドル、日本だと単価3200円で1個単位で売ってくれるとのこと。とりあえず、色温度2700K、3200K、5600Kを1個ずつ取寄せてみた。

青色LEDの時は、スペクトルデータのシートがついてきたのだけれど、こちらにはスペクトルデータシートがない。また英語Webにも未掲載だ。というわけで、紫励起タイプのスペクトル測定が必要になった。


リード線をつけていざ測定しようと思ったら……熱伝グリスが見当らない…………、やむを得ず、光学用グリスの粘性の高いので貼付けて、定格450mAなので、300mAで光らせてみることにした。

まず5600K
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続いて3200K

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と2700K
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いずれも、Ra98程度の値が出ている。実は、この分光器、ハロゲンランプをはかってもRa100にはならない。
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まあ、見ての通り凸凹が残ってるので、楢ノ木技研さんが校正に用いたのとは同じ入射強度分布じゃないとか、迷光のせいで、短波長側に何かがのっているとかあるためと思うのだけれど、ハロゲンの値をみれば、上のLEDはなかなか優秀である。


ついでに、今まで使っていた青色LED励起のものも測定してみた。
5500Kのものは、Raが90しか出ていない。
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これは、メーカー公称からすると低すぎる値だ。この品は青色が強く出過ぎている気がする。


3200Kの方は青色が押えられていて、Raも95が出ている。
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ただ、両者とも、短波長の青から紫のところが欠如している。

ところで、300mAで光らせてみることにした。と記したのだけれど、実際には70mA程度で光らせている。使っている電源は、ネットオークション経由でやってきた定電圧電流電源。出力は0~18V。メーター上は18.55V出ているのだけれど、紫LED励起タイプの方が、青LED励起より必要な電圧が高く、十分な電圧を供給できていなかった……

幸いこの電源には負側の出力もあるので、熱伝ペーストを入手したら、もっと電流を流すつもりだけれど、スペクトルの形状は(励起光が強くなるかもしれないけれど)、大きく変らないだろうと思う。
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by ZAM20F2 | 2017-07-28 07:07 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815Vに拡散板をつけてみる

ezSpectra 815Vでハロゲンの光を直接測定すると、スペクトルが凸凹になる。
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前のエントリーで示したように、凸凹の位置は入射角度に依存しており、NA0.22の光をきちんと入れれば、この凸凹はなくなることが期待される。

ただ、NA0.22の光学系を組むのは結構面倒だ。通常の分光器では、レンズによる色収差を嫌うので、光学系は鏡で組んである。反射光学系でNA0.22をくみ上げるのは容易ではない。まあ、実用上は、それなりの性能のカメラレンズを持ってくれば、大丈夫と思うのだけれども、それでもレンズと815Vの位置はきちんと合わせなければならない。815Vをふらふらと持出して分光遊びをするのには、あまり妥当ではない組合わせだ。

楢ノ木技研さんのWebには拡散板で凸凹が改善するという記述がある。そして、分光器のスペクトル範囲を考えて、石英ガラスの拡散板が紹介されているのだけれども、光学屋さんに石英拡散板を発注するのは敷居が高い。というわけで、短波長側の吸収は考えずに、プラスチック拡散板をつけてみることにした。用いたのは、MWSさんで紹介された光栄堂さんのEB-04。蛍光が出るらしいんだけれども、まあ、タングステンランを光源としているなら、紫外は弱いから影響は少ないだろうと思う。

拡散板を入れると、スペクトルはだいぶなめらかになった。
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まだ凸凹が、特に長波長側に残っている。楢ノ木技研さんで使っている光学系と同一にならない限りは微小な凸凹は残るはずで、完全に消滅させるのは困難だろうと思うけれど、まあ、この程度だったら、普通の測定で大きな過ちはしないで済むだろうと思う。


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by ZAM20F2 | 2017-07-26 08:02 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815Vの迷光(III) 縦方向の角度依存

前回のエントリーは光が横方向に外れる向きに回転したけれども、今回は、回折格子の異なる場所を照射しながら外れていく方で回転している。
まず、0度、これは基本的には前回と同じ。
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続いて5度。分光器をUSB端子を上に置いて入射側からみて向かって右側が奥に動くような方向の回転になっている。
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前回の横方向への回転と違うのは、600nmあたりにあったくぼみの位置が短波長側にずれていることだ。逆方向に5度回したものでは、長波長側にずれている。
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この窪みは回折格子分光器によく見られる話なのだけれども、普通の平面型の回折格子では、平行光線が入射した場合には、場所によらず同じ波長に対して構造が出るはずだ。窪みの位置が光の当り場所で変ってしまうのは、凹面型回折格子のためなんだろうと思う。この窪みみたいな構造は、入射光のNAが小さいと出現するので、NAを大きくすれば目立たなくなると楢ノ木技研さんのWebには書いてあるけれども、照射場所により場所が移るので平均されるという話のようだ。

10度回転すると、窪みの位置の動きは大きくなるけれども、全体のスペクトル形状はあんまり大きくは変化していない。
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15度回転で、信号強度はさすがに弱くなり、そして方向によって随分と違う値となった。ここは、NA0.22より外側になているわけで、こちらの入射でも、15度までは拾わないようにした方が安全そうな気がする。0度と比較すると、短波長端が増加に転じているのは迷光だ。
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20度になると信号レベルは小さくなる。

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迷光は30度でほぼ出なくなるけれども、
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37度付近で復活する。
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ただし、横方向への変化とは異なり、長波長側に強い波長分布だ。反対側に回転した場合は、20度で赤領域に迷光が出て30度で消滅したあと、約37度で長波長側の方がレベルが高い迷光が出現する。

40度にすると迷光は消え、これ以上の角度にすると、どちらに回した場合も迷光は出なくなる。
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NA0.22より外側の光による迷光については、本来の光学系以外の場所での散乱が原因なので、基本的に波長無依存だろうと思う。今回はハロゲンを使ったけれど、レーザー光を使って行っても同じ傾向を示すと思う。なお、二つ前のエントリーで示したように、分光器の測定範囲外の波長の光でも、検出器に感度があるなら迷光となる。シリコンを使っていることを考えると、1ミクロン程度までは感度が伸びていても驚かない。
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by ZAM20F2 | 2017-07-09 16:34 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815Vの迷光(II) 横方向の角度依存

前のエントリーでLEDは大体40度の入射角に設定してあると記したけれど、この角度には意味がある。
分光器の指定NAより外側の光を入れたら、どの程度迷光がでるのかと迷光の角度依存性を確かめてみたら、40度弱のところが妙に迷光レベルが高いのだ。

使った光源は顕微鏡用のハロゲンランプ。分光器との距離は60cmとしたので、ハロゲンのフィラメントサイズを5mmとするとNA0.004程度の光束となっている。

分光器の積算時間は120msで一定として、分光器を横倒しにして回転している。回折格子は分光ユニットの長辺方向に伸びているので、この回転だと回折格子の横方向に光が外れていくことになる。

まず垂直入射。全体に波打っていて、特に600nmあたりに目立ったへこみがある。
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続いて入射角度10度。上側(USB端子の反対側)から光があたる状態になっている。信号強度は大幅には小さくならない。また、スペクトルの形状も大きくは変っていない。600nmのへこみは少し短波長側に移っているけど、そんなにはでに形状は変っていない。角度を反対側に10度傾けても、ほぼ同じ傾向が得られる。
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入射角を15度にすると、分光器の入射NAの外側の光になっているはずだけれども、そこそこの信号が出ている。
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反対側に15度傾けても、同じ程度の信号が出ているので、これは、0点調整が悪いためではなく、回折格子にあたった光が検出器に到達していると判断出来る。試みに、0度の入射光で10度と15度を規格化してみると、両者で様子が少し違う。
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元の振動構造による凸凹は割切れていないのだけれども、10度は割とフラットなにの対して、15度は長波長側が信号が弱くなっている。これは、長波長光の回折角が大きく、回折格子から検出器までの光路が長いので、検出器に届くまでの横のずれ量が大きくなって検出器に到達する光量が減っているためと解釈できる。

おそらくはNA0.22までは、入射光はすべての波長で検出器に届くのだけれど、それを越えると、長波長側から光が検出器に届かなくなっていくのだろうと思う。ということは、横方向でNA0.22以上の入射があると、本来のスペクトルより短波長側が強く測定されてしまうということになる。定量評価はしていないけれども、前のエントリーに出したフードのようなもので、NA0.22以上の光は入らないようにするのは、迷光レベルを押える以上の意味がありそうだ。


入射角度を20度にすると、信号はほぼ出なくなる。
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30度で、少し短波長側が目立つかなという気分になる。
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そして、38度でかなり目立つ迷光が出る。入射角が0度で短波長端の信号強度は0.05程度なのに、38度では0.1と2倍にもなっている。全方向から光が入るような測定条件では、短波長側の結果はぼろぼろだと思った方がよさそうだ。

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この迷光、分光されていない光が検出器に到達しているので、個々の検出器が実際に感じている強度分布を見積るには、分光感度で補正をかけてやる必要がある。補正すると400nmあたりがピークで、長波長側には実質単調減少のカーブとなる。短波長側の受光素子がスリットに近い側であることを考えると、400nmより短波長の落ち込みの原因は分からないけれども、長波長側の実質単調減少の挙動は納得いく結果だ。

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この迷光は40度で減少する。。
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そして、50度ではほぼ消滅する。
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これ以上の角度での入射では問題になるような迷光はない。


反対側に回転しても、同様に、垂直から38度付近で目立つ迷光が生じている。この点は対称性はよい。


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by ZAM20F2 | 2017-07-07 07:37 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815Vの迷光(I)

分光測定で、きちんと分光されずに検出器に届いてしまう光を迷光と言う。迷光には大きく2種類あって、一つは入射設定が悪くて、内部の光学素子の外側に当たってしまい反射を経て検出器に到達してしまう迷光。もう一つは、きちんと入射されて光学素子に当たっているのだけれど、光学素子の欠陥や汚れなどにより散乱などを起こして検出器に到達してしまう光である。

ezSpectra 815Vにも、この両方の迷光が存在している。

まずは一番目の入射設定が悪い場合を検討しよう。815Vの入射NAは0.22。NAは分光器より顕微鏡対物レンズで出てきそうな言葉だけれども、光軸に対して、どれだけの角度で光束が入るべきかの指定。0.22だと光軸に対して角度θ=asin(0.22)=12.7゜以内の角度で入った光が光学系に到達し、それ以上の角度で入射した光は光学系の外に当たる。なお、NA0.22というのはF2.2程度で、これは分光器としては非常に明るい。

さて、入射設定の悪さによる迷光の実例をお見せしよう。
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蛍光灯のスペクトルを測定しているつもりなので、本来は蛍光が見られるところ以外は光強度は0であってほしい。このスペクトルをどのように測定したかを次にお示しする。
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天井の蛍光灯からの光を受けているのだけれど、斜めの方に妙なものが写っている。これは840nmのLEDで、40度ぐらいで入射するように置いてある。NA0.22より外側の光線(それも、分光器の測定波長範囲外)だ。こうすると、本来は信号強度が0であるべき波長に有限の信号が出ている。これは極端な例なのだけれども、十分に明るい室内で蛍光灯を測定すると、光がないはずの紫外部分が浮くのが容易に見られる。本来の入射角範囲以外からの光は迷光にしかならないので、この手の光は分光器に入らないようにした方がよい。

そこで、黒い発砲ポリエチレン板などを切り刻んで簡易的なフードを作ってみた。使う時は両面テープで正面に貼り付ける。
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効果は一目瞭然。でフードをつけると浮き上がりは消える。
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蛍光灯からの信号も1割程度落ちているのだけれど、これは、上下方向のNAが少し制限されているか、置き方が悪いかのいずれかのためだと思う。どちらにせよ、大勢に影響はない。このスペクトルもLEDは点灯したままで、当たり前の話だけれども、フードに遮られて入射されなくなっているために、迷光が消えている。
ディスプレイ画面などの測定をするときも、本来の入射角以外からの光は悪さをするので、このようなフードをつけて使うようにした方が良いだろうと思う。








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by ZAM20F2 | 2017-07-05 07:24 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815Vの偏光依存性(II)

少し前のエントリーでezSpectra 815Vの感度分布は偏光方向により異なることを紹介した。その時には液晶ディスプレイの測定例を紹介したのだけれど、それでは元のスペクトルが不明なので、改めて無偏光と思われる光源と偏光子の組みあわせでの評価をおこなった。光源はハロゲンランプだけれども、赤外側が強くなりすぎるので熱線吸収と、色温度変換フィルタを入れて、長波長側を押さえている。そのためか、ハロゲン光の演色性が90という値になってしまっている。

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この測定では偏光子の透過スペクトルが問題となる。偏光子はニュートラルグレー(総ての波長の透過率が同じ)であることが望ましいのだけれど、実際の偏光子には透過率の波長分布がある。今回用いた偏光子のスペクトルは評価していないけれども、そのへんに転がっていえる中では、ニュートラル性の強い偏光子を使っているつもりでいる。

まず、偏光は短辺に平行と長辺に平行、および45度で入れている。スリットは短辺に平行に設置されているので、回折格子の溝は短辺に平行なはずである。すると、短辺に平行な偏光は溝に平行な偏光、長辺に平行な偏光は溝に垂直な偏光になる。

スペクトルは、高さが同じになるように、露光時間を変えている。偏光子なしが83ms、垂直が148ms、平行が331ms、45度が257msで、垂直の方が格子の回折効率が高いようだ。
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平行偏光の方は短波長が強く長波長が弱くなっているのに対して、垂直偏光は長波長が強くなっている。測定された色温度の値も両者で大きく異なっている。
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偏光子を45度にすると、2つの偏光方向の効果が相殺されて、元のスペクトルと類似した形状となる。色温度も、大きくはずれていない。

元のスペクトルからの変化をより明確に見えるように、元のスペクトルで、それぞれのスペクトルを割ってみた。
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何れのデータも400nmより短波長で妙な形になっているけれども、これは、元のスペクトル強度が弱いことや偏光子の問題が重なっている可能性がある。

45度のデータは真っ平らにはなっていない。これは、偏光子の特性由来か、角度が正確に設置出来ていないためだろうと思う。

幾つかの細かい問題はあるけれども、大枠として、入射偏光が45度方向になるように設置すれば、可視領域のスペクトルを大きく見誤ることはないだろう。


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by ZAM20F2 | 2017-07-01 19:12 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815Vの分解能

ezSpectra 815Vの波長分解能は半値幅10nm程度とされている。線スペクトルを観察すれば、本来はシャープな線であるものが10nmの半値幅のピークとして観察されるはずである。

そこで、その辺に転がっていた殺菌灯のスペクトルを測定してみた。
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まっとうな分光器で測定したスペクトルがどうなるかというと、スペクトル色々が参考になる。

比較してみると、本来線であるものがどよんと広がって、なだらかな山になっているし、600nmの少し短波長にある2本の線は分解出来ずに一つの山となっている。

ezSpectra815Vは256素子で大凡500nmの領域をカバーしており、データは約2nmおきとなっている。このデータ間隔を考えると、分解能10nmというのはいい線であるように思う。分解能がもっと高いと、線スペクトルを測定したときに、1素子しか信号を拾わず、ノイズか信号かの区別が付かないなんて状況も出現しかねない。

ところで、半値幅には全半値幅と半半値幅があり、両者では実質的な値が倍ことなっている。どちらなのかとスペクトルを横に広げてみると、どうやら、全半値幅であるようだ。



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by ZAM20F2 | 2017-06-29 07:21 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815Vの表示最大値にたいする検出器余裕量と、透過スペクトルの閾値

前のエントリーではハロゲンランプのスペクトルを検出器の生出力に変換した図をしめした。検出ユニットの感度分布は浜松ホトニクスのカタログから拾って作ったものだ。
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この分布図を見ると、490nm付近が感度最大で、ハロゲン光でのスペクトルが最大だった長波長側では4割程度に落ちている。ただし、この感度分布は、回折格子の回折効率の波長依存性も含まれたもので、光検出素子自体の波長感度特性は、この図とは異なることは注意しておく必要がある。

700nmあたりは、最大感度の5割強程度。自動露光時間調整の250msの倍の500msあたりから700nmの飽和が始まったのが納得できるところだ。

感度分布を眺めていると、ezSpectra815Vのスペクトルの縦軸の目盛りは、相対感度が最大の波長での飽和値を元に設定しているであることが予想できる。そこで、どの程度の余裕をもって最大目盛り設定しているか、確かめてみることにした。

フィルターを組み合わせて、500nmあたりに最大強度が来るように調整する。この時点で自動露出をすると、露光時間はほぼ50ms。
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露光時間を56msまでふやすと、500nmあたりの値が1になる。
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露光時間60msではまだスペクトル形状は乱れていないのだけれども、65msにすると500nm付近にへこみが生じる。56msで最大値になっていたことを考えると、15%程度の余裕を見込んだ設定になっているようだ。
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eZSpectra815Vの透過モードでは、参照光の強度が弱い部分は測定範囲対象外となる。どの程度まで強度が落ちると測定範囲から外れるのかを荒く見積もってみた。

前のハロゲンでの吸収スペクトル測定では露光時間250msの時に415nmが境になっており、この波長での発光スペクトルの強度は9.4%程度。浜松ホトニクスのデータから相対感度を拾うと、約0.79。上に記した、フルスケールに対する15%程度の余裕も考えると、この時のこの波長での信号の生強度は6%程度。他の波長では5%程度の値がでてきており、だいたい、5~7%あたりに閾値があるようだ。






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by ZAM20F2 | 2017-06-25 08:45 | 科学系 | Comments(0)

ezSpectra 815Vの露光オーバーによるスペクトルの歪み発生位置

ezSpectra 815Vのスペクトルデータから検出器の実際の信号強度を求めるのには、波長ごとの感度分布が分かっていればよい。スペクトルデータは、生信号を感度分布で割って補正しているはずなので、スペクトルデータに感度分布をかければ生信号に比例する分布が得られる。
装置ごとの校正データを読み出せるかは試みていないけれど、浜松ホトニクスのカタログに、典型的な感度分布の図がある。さすがに、波長ごとの数値データは出ていないので、図から値のデータを起こす必要がある。
とりあえず、手作業で10nmごとに適当に値を拾った。そのデータを使って、ハロゲン光のスペクトルに掛け合わせて見た。
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図を見ると、スペクトルデータは長波長側が強くなっているが、検出器の出力は、少し短波長よりの700nmあたりが最大になっている。まさに、前のエントリーでスペクトルの形状がおかしくなり始めたあたりだ。


では、元のスペクトルはどうなっているのかと、最大強度を1に規格化して重ねてみた。自動露光調整では、露光時間はほぼ250msだったので、そこから50msずつふやして行っている。実データは、前のエントリーで出したように、完全にオーバーフローしている。でも450msまでは250msとぴったり重なっていて、スペクトルデータとしては問題がない。
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露光時間が500msになると、700nmあたりにずれが生じ、露光時間をさらに長くすると、その幅が広がっていく。広がり方が短波長の方が広いのも、元の強度分布の傾向と一致している。ただし、どこまでオーバーフローさせても大丈夫かは、スペクトル形状とスペクトルのピーク波長に依存するので、一概には決められない。

どこまでオーバーフローしても大丈夫かは、補正していない信号を見られれば一目瞭然だ。透過測定が中心的な使い方になる身としては、いちいち補正して考えるのはめんどくさいので、未補正信号が見られるほうがありがたい次第だ。


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by ZAM20F2 | 2017-06-21 20:53 | 科学系 | Comments(0)