Zaloguj się
Wszystkie
24 października 2023
566
„Tam sięgaj, gdzie wzrok nie sięga” – krótkie wprowadzenie do kolorymetrii i spektrofotometrii
Przytoczony w tytule tej części artykułu cytat – pochodzący ze słynnej Ody do Młodości Adama Mickiewicza – doskonale oddaje sens nowoczesnych pomiarów optycznych, prowadzonych za pomocą czujników multispektralnych. Rozpatrując widzenie barwne, które u człowieka bazuje na trzech rodzajach barwników, pełniących w pewnym sensie rolę naturalnych filtrów dla komórek wzrokowych, nie zastanawiamy się zwykle nad tym, że odbierany przez nas obraz świata jest de facto… wielkim oszustwem, które zgotował nam mózg. Jak wiadomo, barwy podstawowe ulegają mieszaniu, dzięki czemu – przykładowo – oświetlenie receptorów wzrokowych jednocześnie światłem czerwonym i zielonym daje wrażenie, że obserwujemy światło żółte. Mózg ludzki nie jest zatem w stanie odróżnić, czy rejestrowane światło jest efektem swego rodzaju złudzenia optycznego, czy też faktycznie stanowi monochromatyczną falę o danej długości.
Jeżeli technicznie realizowany pomiar koloru ma znaczenie dla „ludzkich zastosowań” (np. w celu dobrania koloru farby lub lakieru), to rzeczywisty skład widmowy światła nie ma większego znaczenia – z tego też względu do aplikacji typowo użytkowych w zupełności wystarczające są czujniki koloru, zdolne do rozróżniania trzech barw podstawowych – czerwieni, zieleni i barwy niebieskiej. Warto w tym miejscu nadmienić, że techniczna realizacja pomiaru koloru może przebiegać na dwa sposoby, które roboczo nazwiemy pomiarem aktywnym oraz pasywnym.
- Pomiar aktywny – badana powierzchnia jest „sztucznie” oświetlana przez wbudowany iluminator, a ilość światła odbitego mierzy się za pomocą fotodetektora (zwykle – z uwagi na liniowość – w roli tej występuje fotodioda). W zależności od przyjętej koncepcji, czujnik może składać się z białej diody LED współpracującej z potrójnym detektorem (trzy osobne fotoelementy z filtrami RGB) lub trójkolorowego oświetlacza (dioda LED RGB) z pojedynczym fotodetektorem, rejestrującym całkowite natężenie światła w pełnym spektrum, pokrywającym się mniej lub bardziej z pasmem widzialnym.
- Pomiar pasywny – układ pomiarowy zawiera co najmniej trzy fotoelementy, wyposażone w różne filtry optyczne (RGB), choć często producenci „dokładają” doń także czwarty detektor, pozbawiony filtra i rejestrujący sumaryczne natężenie światła w szerokim przedziale widma.
Z zupełnie inną sytuacją mamy jednak do czynienia, jeżeli dane dotyczące składu widmowego światła mają stanowić podstawę dla bardziej zaawansowanych technik pomiarowych, np. analizy składu chemicznego czy też pomiaru stężeń znanych substancji w próbkach roztworów za pomocą spektrofotometru. W tym przypadku trzy, dość szerokie przedziały widma optycznego to zdecydowanie za mało – konieczne jest podzielenie spektrum na węższe pasma i pomiar natężenia światła w każdym z nich z osobna. Podział pasma może być przy tym wykonany na dwa sposoby:
- rozszczepienie rejestrowanej wiązki (np. za pomocą pryzmatu) i „skanowanie” przy użyciu monochromatora z ruchomą przesłoną, kierującego wybraną część światła na fotodetektor,
- rozszczepienie wiązki w polichromatorze i jednoczesna rejestracja całego pasma za pomocą macierzy fotoelementów (np. liniału CCD).
Każda z metod ma pewne wady i zalety – przykładowo, mechaniczne skanowanie realizowane poprzez przesuw szczeliny monochromatora pozwala uzyskać wysoką rozdzielczość widmową, ale wymaga złożonej konstrukcji i – co gorsza – jest bardzo powolne, co ogranicza zakres aplikacyjny jedynie do zastosowań statycznych. Wersja druga – zawierająca w pełni statyczny układ monochromatora (np. na bazie siatki dyfrakcyjnej) i detektora liniowego – może być zrealizowana w bardzo kompaktowej, niedrogiej postaci i umożliwia dokonywanie analiz w czasie rzeczywistym, ale ma ograniczenia w zakresie rozdzielczości widmowej oraz bitowej (dostępne liniały mają zwykle dość przeciętny kontrast i zakres dynamiki).
Należy pamiętać, że przy zastosowaniu siatki dyfrakcyjnej trzeba uwzględnić specyfikę zjawisk fizycznych, stojących za rozszczepieniem światła – w przeciwieństwie do pryzmatu, siatka dyfrakcyjna „generuje” bowiem nie jedną wiązkę wachlarzową, ale szereg wiązek różnych rzędów, co stwarza ryzyko niepożądanych odbić wewnątrz obudowy spektrometru, a ponadto wymusza dokładne ustawienie geometrii całego układu optycznego.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
