مصدر ضوء LED بالفحص الطيفي, نطاق الطول الموجي, القياس الطيفي

أصبحت مصابيح LED مصدرًا عمليًا للضوء لمجموعة واسعة من أدوات التحليل الطيفي والاستشعار الطيفي, من التحليل الطيفي للأنسجة القريبة من الأشعة تحت الحمراء والتصوير متعدد الأطياف إلى قياس الامتصاص, مضان الإثارة, قياس الألوان, و التعديل الحيوي الضوئي. مصادر ضوء LED مدمجة, مستقر, بسيطة كهربائيا, طويل العمر, ومتاح عبر الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية), مرئي, الأشعة تحت الحمراء القريبة (نير), و الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (سوير) العصابات. للأدوات التي تحقق مجموعة من أطوال موجية منفصلة بدلاً من طيف مستمر كامل, غالبًا ما تكون مصابيح LED هي الخيار الأكثر كفاءة والأقل تكلفة. يغطي هذا الدليل متى تكون مصابيح LED منطقية بالنسبة للتحليل الطيفي, المواصفات التي تهم, كيفية اختيار الأطوال الموجية, كيفية إقران LED مع كاشف أو مطياف, وكيف يتم استخدام التحليل الطيفي أيضًا لتوصيف ضوء LED نفسه.

لماذا المصابيح للتحليل الطيفي

يستخدم التحليل الطيفي الكلاسيكي مصباحًا واسع النطاق (التنغستن الهالوجين, ساطع, الديوتيريوم, أو زينون) وعنصر مشتت, صريف أو المنشور, لنشر الطيف عبر الكاشف. وهذا النهج قوي ولكنه ضخم, متعطش للسلطة, ومكلفة. تستخدم العديد من الأدوات الحديثة بدلاً من ذلك الإستراتيجية العكسية: إلقاء الضوء على العينة مع واحد أو أكثر ضيق, أطوال موجية محددة جيدا من المصابيح وقياس الاستجابة. هذا هو المكان الذي تتفوق فيه مصادر ضوء LED.

يصدر مصباح LED نطاقًا ضيقًا نسبيًا من الضوء, عادة ما يصل عرضه إلى عشرات النانومترات, مع التوزيع الطيفي غاوسي تقريبا, تتمحور حول قمة مختارة. عن طريق اختيار المجموعة المناسبة من المصابيح, يمكن للمصمم أن يتساءل بالضبط عن ميزات الامتصاص أو الانبعاث المهمة وتخطي التكلفة, مقاس, وقوة أحادية اللون كاملة. والنتيجة هي أصغر, أقل تكلفة, أداة أكثر وعورة ومناسبة تمامًا للأجهزة المحمولة, يمكن ارتداؤها, في الخط, وتصميمات ذات عدد قنوات عالية.

تعتبر مصابيح LED مناسبة جدًا عند قياسك:

• الأهداف ميزات طيفية محددة بأطوال موجية قليلة بدلاً من المسح المستمر الكامل;
• يحتاج أ مدمج, منخفضة التكلفة, أو المحمولة عامل الشكل;
• يستفيد من التبديل السريع, يتم تعديل مصابيح LED بمعدلات كيلو هرتز – ميجاهرتز للكشف عن القفل ورفض ضوضاء الخلفية;
• يتطلب عمر طويل وإخراج مستقر مع الحد الأدنى من الاحماء.

كامل العمل المستمر الطيف, تحديد عالي الدقة للمواد غير المعروفة, أو حل البنية الطيفية الدقيقة, لا يزال يفضل مصباح النطاق العريض بالإضافة إلى مطياف, أو ليزر قابل للضبط. المصابيح تألق ل مستهدفة, متعدد الطول الموجي القياس والرصد.

ما يحتاجه التحليل الطيفي من مصدر ضوء LED

أربعة مواصفات LED تقود جودة القياس:

قمة (مركز) الطول الموجي. يجب أن يتماشى مركز نطاق البث مع الميزة الطيفية التي تقوم بقياسها. العديد من تطبيقات التحليل الطيفي تكون خاصة بطول موجي ضمن بضعة نانومترات, لذا فإن دقة الطول الموجي المركزي وتسامح الصندوق مهمان. ينحرف الطول الموجي الذروة أيضًا قليلاً مع تيار القيادة ودرجة الحرارة, والتي يجب السيطرة عليها أو تمييزها.

العرض الطيفي (FWHM) وعرض النطاق الترددي. يصدر مصباح LED نطاقًا, ليس خطا, عادةً ما يكون العرض الكامل 20-40 نانومتر بنصف الحد الأقصى في النطاق المرئي/NIR. باعث النطاق الضيق يعطي نظافة, قياسات أكثر انتقائية; يمكن أن يؤدي عرض النطاق الترددي الأوسع إلى طمس الميزات المتقاربة. حيث تعتمد الرياضيات على التوزيع الطيفي للمصدر, على سبيل المثال, ربط الامتصاص بتركيز الحليلة من خلال قانون بير لامبرت, استخدم مصابيح LED قياس منحنى الانبعاث بدلاً من افتراض طول موجي واحد.

الطاقة الضوئية والإشعاع. يجب أن يصل الناتج المشع الكافي إلى العينة ويعود إلى الكاشف للحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء كافية. غالبًا ما تحدد التطبيقات الإشعاع المستهدف (على سبيل المثال, عشرات ميغاواط/سم² في العينة); كما تدعم الطاقة الأعلى أطوال مسارات أطول أو فترات فصل أكبر بين المصدر والكاشف.

استقرار. يجب أن يكون الإخراج مستقرًا مع مرور الوقت ودرجة الحرارة, لأن التحليل الطيفي يقارن الشدة. محرك التيار المستمر, الإدارة الحرارية, و, حيث الحاجة, ردود الفعل البصرية تحافظ على القراءة صادقة عبر القياس.

الصمام مقابل. مصباح مقابل. الليزر

بالنسبة لمعظم أدوات الطول الموجي المنفصلة, تقع مصابيح LED في المكان المناسب بين حجم المصباح وتكلفة الليزر وعبء السلامة. حيث يكون هناك حاجة إلى نطاق واسع حقًا, المصباح لا يزال هو الدعوة الصحيحة; حيث يلزم طول موجي واحد بأقصى قدر من النقاء, الليزر يفوز.

اختيار الأطوال الموجية عبر الطيف

يمتد التحليل الطيفي إلى النطاق البصري الكامل, الأشعة فوق البنفسجية والرؤية, نير, و سوير, ويعتمد النطاق الصحيح على ما تقوم بقياسه:

• الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية أ/ب/ج, ~230-400 نانومتر), الإثارة مضان, امتصاص البروتين والأحماض النووية, الكيمياء الضوئية, والعمليات التي يتم تنشيطها بالأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال, الأشعة فوق البنفسجية ضيقة النطاق حوالي 305-315 نانومتر لتنشيط فيتامين د).
• مرئي (~400-700 نانومتر), قياس الألوان والمقايسات اللونية, امتصاص الأصباغ والأصباغ, الانعكاس, والتحوير الحيوي الضوئي. الصمام الأزرق (~450 نانومتر) شائع لإثارة مضان; الأحمر حوالي 630–660 نانومتر للعلاج والامتصاص.
• الأشعة تحت الحمراء القريبة (نير, ~700–1050 نانومتر), الأنسجة و الطبية الحيوية التحليل الطيفي, التحليل الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS), قياس التأكسج النبضي, وقياس الانعكاس, حيث شائع نير LED تشمل المجموعات 750, 760, 800, 850, و 940 نانومتر.
• الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (سوير, ~1050–1750 نانومتر), قياس الرطوبة ومحتوى الماء, تكوين الغذاء والمواد, والتصوير متعدد الأطياف للميزات غير المرئية في النطاق المرئي.

لأن خصائص الامتصاص البيولوجية والكيميائية منتشرة عبر العديد من هذه النطاقات, العديد من التصاميم تحتاج أطوال موجية متعددة في وقت واحد, مصابيح LED منفصلة أحادية اللون, RGB LED, أو حزمة مخصصة متعددة الطول الموجي.

إقران مصابيح LED مع الثنائيات الضوئية وأجهزة قياس الطيف

مصدر ضوء LED هو نصف الجهاز فقط; الكاشف والبصريات استكماله. لتصميم LED ذو الطول الموجي الثابت, الكاشف عادة ما يكون أ الثنائي الضوئي (السيليكون للأشعة فوق البنفسجية – NIR حتى 1000 نانومتر, InGaAs لـ SWIR), بسيط, سريع, ومنخفضة التكلفة, وتطابق طبيعي مع مخرج LED المنفصل. حيث لا تزال بحاجة إلى حل الطيف, مدمج مطياف وحدة (غالبًا ما يكون صريفًا ثابتًا فوق CCD أو مصفوفة الثنائي الضوئي) تدابير عبر نطاق طيفي أوسع بدقة محددة.

اعتبارات الاقتران العملية:

• اقتران والبصريات, عدسة, مرشح بصري, دليل الضوء, أو تقوم الألياف الضوئية بتوجيه مخرج LED إلى العينة والضوء العائد إلى الكاشف, وعزل الفرقة من الفائدة; تساعد ملحقات المجال والألياف الضوئية المدمجة في الإشارات المنتشرة أو الضعيفة.
• حساسية الكاشف ومداه, قم بمطابقة الاستجابة الطيفية للديود الضوئي أو مقياس الطيف مع الأطوال الموجية LED الخاصة بك.
• معايرة, معايرة شدة و (للمطياف) الطول الموجي بحيث تكون النتائج قابلة للتكرار; القراءة المظلمة تحدد أرضية الضوضاء الخلفية.
• التعديل والقفل, يؤدي تبديل مؤشر LED والكشف بشكل متزامن إلى رفض الضوء المحيط وتحسين حد الكشف.

لأن مصابيح LED تتحول على الفور ولا تحتاج إلى عملية إحماء, إنها تقترن بشكل جيد مع الواجهات الأمامية للثنائي الضوئي منخفضة التكلفة لأجهزة استشعار ذات عدد كبير من القنوات والمراقبة المستمرة.

التصوير متعدد الأطياف والتصميمات ذات الأطوال الموجية المتعددة

المتطلب المتكرر هو نظام يضيء عينة بأطوال موجية متعددة, بالتتابع أو من مصدر واحد مدمج, للتصوير متعدد الأطياف, الاستشعار متعدد المعلمات, أو الامتصاص التفاضلي. إن بناء هذا من حزم منفصلة يعني محاذاة ميكانيكية محكمة ومساحة كبيرة.

أ حزمة متعددة الأطوال الموجية يحل هذا. هيي-LED حزمة COB 8 في 1 يدمج ما يصل إلى ثمانية بواعث مدفوعة بشكل مستقل, تم اختياره بحرية من قائمة واسعة من الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية من خلال SWIR, في واحد 2.2 × 2.9 مم البصمة. لأداة التحليل الطيفي متعدد الأطياف أو متعددة النطاقات, يقوم بدمج مجموعة من مصابيح LED المنفصلة في مكون واحد ذو أصل بصري مشترك, تبسيط البصريات, تصاعد, معايرة, والتكامل.

استخدام التحليل الطيفي لتوصيف ضوء LED

يتقاطع التحليل الطيفي ومصابيح LED من الاتجاه الآخر أيضًا: مقياس الطيف هو الأداة القياسية ل قياس ضوء LED الخاص. سواء كنت تقوم بتأهيل باعث لتصميم أو التحقق من دفعة الإنتاج, يمنحك القياس الطيفي ذروة الطول الموجي, FWHM والتوزيع الطيفي الكامل, والإخراج مشع أو مضيئة.

لمصابيح LED البيضاء والإضاءة, تلك البيانات الطيفية نفسها تنتج الإضاءة المقاييس هذا يهم: درجة حرارة اللون المرتبطة (CCT), مؤشر تجسيد اللون (CRI), اللونية وهوى, وكيف ينتج طلاء الفوسفور الخاص بمصابيح LED البيضاء طيفًا واسعًا مقارنةً بمصباح متوهج أو هالوجين. هذا التحليل الطيفي هو الطريقة التي يؤكد بها المهندسون أن مصدر ضوء LED أو وحدة الإنارة تتوافق مع لونه, إضاءة, وأهداف الجودة, وهذا هو السبب “التحليل الطيفي LED” يتعلق الأمر بتمييز مصابيح LED بقدر ما يتعلق باستخدامها.

مواصفات LED الرئيسية لأداة التحليل الطيفي

عند اختيار مصابيح LED لتصميم التحليل الطيفي أو الاستشعار الطيفي, تحديد هذه المعلمات:

• قمة / مركز الطول الموجي والتسامح بن, مدى إحكام الإمساك بالقمة, وعلى ما مدى درجة الحرارة.
• FWHM, عرض النطاق الترددي, والشكل الطيفي, ضيقة بما يكفي لانتقائيتك, مع منحنى انبعاث LED معروف ونطاق طيفي.
• قوة مشعة / الإشعاع في العينة, مشتقة من طول المسار, هندسة, وحساسية الكاشف.
• القيادة والتعديل, محرك التيار المستمر, وتبديل السرعة للكشف عن القفل أو مضاعفة الوقت.
• السلوك الحراري, الطول الموجي وانحراف الإخراج مقابل درجة حرارة الوصلة, وغرفة التبريد اللازمة للبقاء في المواصفات.
• طَرد, بصريات, والتركيب, حجم الباعث, زاوية المشاهدة, وعما إذا كانت حزمة واحدة متعددة الطول الموجي (مقابل الأجزاء المنفصلة) يناسب التصميم البصري بشكل أفضل.

Heyi-LED للتحليل الطيفي

توفر مصابيح Heyi-LED’s-LED مصابيح LED تمتد تقريبًا 365 نانومتر (الأشعة فوق البنفسجية) خلال 1750 نانومتر (سوير), بما في ذلك الأطوال الموجية المرئية وأطوال NIR التي تعتمد عليها معظم أنظمة التحليل الطيفي. أنت تستطيع تصفح الكتالوج حسب الطول الموجي لتتناسب مع قمم محددة, اختيار بواعث الفردية في SMD, سمب, البوليفيين, والحزم من خلال ثقب, أو تحديد وتخصيص طول موجي متعدد 8-في 1 حزمة للتصاميم متعددة الأطياف. لصناديق ذروة الطول الموجي الضيقة, مجموعات الطول الموجي المخصصة, أو إرشادات حول FWHM والطاقة الضوئية لقياسك, اتصل بنا مع الأطوال الموجية المستهدفة, الإشعاع, والهندسة.

الأسئلة المتداولة

هل يمكنك استخدام مصابيح LED في التحليل الطيفي؟?

نعم. تستخدم مصابيح LED على نطاق واسع في التحليل الطيفي والاستشعار الطيفي, خاصة بالنسبة للأدوات التي تقيس مجموعة من الأطوال الموجية المنفصلة بدلاً من الطيف المستمر الكامل. إنها مدمجة, مستقر, التبديل السريع, منخفضة التكلفة, ومتاح عبر الأشعة فوق البنفسجية, مرئي, نير, و سوير, مما يجعلها مناسبة تمامًا للتصميمات المحمولة ومتعددة القنوات.

الصمام مقابل. الليزر للتحليل الطيفي, وهو أفضل?

ذلك يعتمد على القياس. يعطي الليزر نقاوة طيفية دون النانومتر ويقترن بكفاءة بالألياف الضوئية, وهو ما يهم بالنسبة للعمل عالي الدقة أو طويل المسار, لكنها مكلفة وتحمل قيودًا تتعلق بسلامة العين. توفر مصابيح LED نطاقًا ضيقًا (ولكن ليس سطر واحد) الإنتاج بتكلفة وتعقيد أقل بكثير, وهي الخيار الأفضل للطول الموجي المتعدد المستهدف, محمول, وأدوات ذات عدد قنوات عالية.

ما هو طول موجة LED الذي أحتاجه لتطبيق التحليل الطيفي الخاص بي?

قم بمطابقة الطول الموجي المركزي لـ LED مع ميزة الامتصاص أو الانبعاث التي تقوم بقياسها. تناسب الأشعة فوق البنفسجية إثارة التألق وامتصاص البروتين/الحمض النووي, الدعاوى المرئية قياس الألوان والأصباغ, NIR يناسب التحليل الطيفي للأنسجة والانعكاس, وSWIR يناسب الرطوبة وتكوين المواد. تحتاج العديد من التصميمات إلى عدة أطوال موجية عبر هذه النطاقات.

كيف يتم العرض الطيفي لـ LED؟ (FWHM) تؤثر على التحليل الطيفي?

يُصدر مصباح LED النموذجي نطاقًا يتراوح من 20 إلى 40 نانومتر بدلاً من خط واحد, بحيث يمكن أن تصبح الميزات المتقاربة غير واضحة, وأي حساب يعتمد على طيف المصدر يجب أن يستخدم منحنى الانبعاث المقاس لـ LED. يعمل FWHM الأضيق على تحسين الانتقائية; حيث الدقة العالية ضرورية, قد تكون هناك حاجة إلى الليزر.

ما أزواج الكاشف مع مصدر ضوء التحليل الطيفي LED?

للحصول على LED ذو طول موجي ثابت, الثنائي الضوئي (السيليكون للأشعة فوق البنفسجية – NIR, InGaAs لـ SWIR) هو أبسط, مباراة بأقل تكلفة. حيث تحتاج إلى حل الطيف, وحدة مطياف مدمجة, صريف على CCD أو مجموعة الثنائي الضوئي, التدابير عبر نطاق طيفي بدقة محددة. قم بمطابقة حساسية الكاشف مع أطوال موجات LED الخاصة بك وقم بالمعايرة للحصول على نتائج قابلة للتكرار.

هل يمكن لحزمة LED واحدة توفير أطوال موجية طيفية متعددة?

نعم. تعمل الحزمة متعددة الأطوال الموجية مثل COB 8-in-1 على دمج العديد من بواعث التشغيل المستقلة بأطوال موجية مختلفة في مساحة واحدة صغيرة, وهو مثالي للتصوير متعدد الأطياف والاستشعار الطيفي متعدد المعلمات لأن جميع الأطوال الموجية تشترك في أصل بصري مشترك.

كيف يتم استخدام التحليل الطيفي لتوصيف ضوء LED?

يقيس مقياس الطيف ذروة الطول الموجي لمصابيح LED, FWHM, والتوزيع الطيفي الكامل, وبالنسبة لمصابيح LED البيضاء، تستمد مقاييس الإضاءة مثل درجة حرارة اللون ومؤشر تجسيد اللون (CRI). يؤهل هذا التحليل الطيفي الباعثات أثناء التصميم ويتحقق من المخرجات في الإنتاج.

لماذا يعد استقرار الطول الموجي مهمًا في التحليل الطيفي؟?

يقارن التحليل الطيفي شدة الضوء, لذا فإن أي انحراف في الطول الموجي للمصدر أو الإخراج أثناء القياس يصبح خطأ. LED الذروة وتحول الإخراج مع محرك الأقراص الحالي ودرجة الحرارة, لذلك محرك التيار المستمر والإدارة الحرارية, و, حيث الحاجة, التوصيف أو ردود الفعل, إبقاء النتائج قابلة للتكرار.