A luz difusa e o efeito que ela tem na relação sinal-ruído (S/N) óptica se enquadram em uma das duas categorias principais: a) dispersão aleatória de espelhos, grades de difração, etc., ou b) luz difusa direcional.
A luz difusa e seu efeito na relação sinal-ruído (S/N) óptica se enquadram em uma das duas categorias principais: a) dispersão aleatória de espelhos, grades de difração, etc., ou b) luz difusa direcional, como reflexos, espectros de reentrada, fantasmas de grades e luz difusa focalizada gerada por grades.
Considere primeiro a quantidade de luz inicial no comprimento de onda principal de interesse e, em seguida, compare-a com outros comprimentos de onda que possam estar presentes como dispersão.
Para determinar a relação sinal-ruído, cada um dos componentes deve primeiro ser quantificado.
Fluxo que entra no instrumento (Φ T):
S es = área da fenda de entrada = (hw)
S' es = área da fenda de saída = (h'w')
B T = radiância total da luz que entra no instrumento
G A = área total iluminada da grade
Então, a partir das equações (53), (50) e (51), o fluxo total que entra no instrumento é dado por:
No entanto, existem muitos casos em que o tamanho da imagem da fenda de entrada é maior do que o da fenda de saída devido a aberrações da imagem. Perdas de luz desse tipo são “perdas geométricas” e podem ser caracterizadas pela transmissão através do sistema T g.
O fluxo em um determinado comprimento de onda coletado pelo detector é dado por:
onde T gλ é a transmissão geométrica no comprimento de onda λ.
A luminância da luz dispersa aleatoriamente é proporcional ao fluxo por unidade de área na óptica de dispersão. Para calcular a luz espúria devido à dispersão aleatória:
Seja G = a extensão radial entre a grade de difração e o elemento detector.
Seja B d = a radiância da luz espúria proporcional à densidade de fluxo total Φ T / G A
C = um fator que expressa a qualidade da óptica (incluindo a grade de difração) em função da dispersão aleatória.
O fluxo total disperso é proporcional à radiância da luz dispersa, à área da fenda de entrada e ao ângulo sólido com que a fenda de saída percebe a óptica iluminada. O fluxo aleatório é dado por: Φ d = B d G
então,
e a razão entre o fluxo no comprimento de onda de interesse Φ u e o fluxo aleatório Φ d é:
A otimização requer duas coisas: a maximização de (Φ u /Φ d) e a eliminação de reflexões espúrias. Analisando os termos da Equação (63) em sequência:
C: Obtenha componentes ópticos da mais alta qualidade, incluindo uma grade holográfica, se disponível.
E λ: Certifique-se de que a grade esteja otimizada para ser mais eficiente nos comprimentos de onda de interesse.
L 2A /(hw): Infelizmente, estes podem não ser parâmetros totalmente livres devido aos requisitos de dispersão e de passagem de banda.
T gλ: A principal causa do aumento da imagem perpendicular à dispersão é o astigmatismo. Se presente, a altura da fenda de saída deve ser aumentada para coletar toda a luz disponível, com consequente perda na relação sinal-ruído óptica. Novas grades planas de correção de aberração para uso em certos espectrômetros CZ melhoram a relação sinal-ruído, reduzindo significativamente o astigmatismo.
B λ /B T: Este termo representa a razão entre o brilho no comprimento de onda de interesse λ e o brilho total da fonte; geralmente não é uma função acessível ao usuário.
Este é um exercício de compromisso. Por exemplo, considere um pesquisador que possui um monocromador com distância focal de 500 mm e está insatisfeito com a relação sinal-ruído. A equação (64) sugere que a melhoria da relação sinal-ruído pode ser alcançada utilizando um instrumento com distância focal maior; um espectrômetro de 1000 mm está disponível. Supondo que a exigência de largura de banda seja constante para ambos os experimentos, que a densidade de ranhuras, a otimização do comprimento de onda e o tamanho da grade sejam os mesmos, então a taxa de transferência é reduzida pela metade (conforme a equação (52)). Mantendo-se todas as outras condições iguais, a extensão será proporcional à razão entre as distâncias focais.
A relação sinal/ruído óptica seria melhorada por um fator de 2. Consultando a Equação (64), a razão entre os quadrados das distâncias focais resulta em um fator de quatro e, assumindo que as alturas das fendas permaneçam as mesmas, as larguras das fendas no sistema de distância focal de 1000 mm produziriam o dobro da área do sistema de 500 mm, perdendo, portanto, um fator de dois. A questão a ser resolvida é se obter um fator de 2 na relação sinal/ruído compensa a perda de metade da transmitância. Neste exemplo, pode haver também uma redução no valor de Tg, sendo o astigmatismo proporcional à abertura numérica (que, neste caso, seria o dobro da do sistema de 500 mm).
Também vale a pena verificar a disponibilidade de um detector mais sensível. Às vezes, é possível obter detectores menores com maior sensibilidade do que os maiores. Nesse caso, a perda total de rendimento pode não ser tão significativa.
Se o sistema óptico estiver sobrecarregado, pode-se esperar uma combinação de reflexos dispersos provenientes dos suportes dos espelhos, cabeças de parafusos, fluorescência de peças fundidas anodizadas, etc. A solução é simples: otimizar a extensão do sistema com um sistema óptico de entrada bem projetado e usar lentes de campo para conjugar os diafragmas (pupilas). Isso é obtido projetando-se uma imagem do diafragma do sistema óptico de entrada, através de uma lente de campo na fenda de entrada, sobre o diafragma do espectrômetro (geralmente a grade de difração) e, em seguida, projetando a imagem da grade sobre o diafragma do sistema óptico de saída com uma lente de campo na fenda de saída.
Em algumas configurações de monocromador CZ, um comprimento de onda difratado diferente daquele em que o instrumento está configurado pode retornar ao espelho colimador e ser refletido de volta para a grade de difração, onde pode ser redrafrado e encontrar o caminho até a fenda de saída.
Em algumas configurações de monocromadores CZ (especialmente aqueles com grades de baixa densidade de ranhuras usadas no VIS ou UV), um comprimento de onda difratado diferente daquele para o qual o instrumento está configurado pode retornar ao espelho colimador e ser refletido de volta para a grade, onde pode ser refratado e chegar à fenda de saída. Se esse problema for grave, uma boa solução é colocar uma máscara perpendicular às ranhuras, no centro da grade. A máscara deve ter a mesma altura das fendas. Se o comprimento de onda exato for conhecido, é possível calcular o ponto exato de impacto na grade onde o comprimento de onda refletido incide. Nesse caso, a única máscara necessária é nesse ponto.
Um exemplo mais comum desse problema é encontrado em muitos espectrômetros (independentemente do tipo) quando um arranjo linear ou matricial é usado como detector. Reflexões de volta para a grade podem ser severas. A solução é inclinar o arranjo até o ponto em que a resolução começa a se degradar ou, se o sistema estiver sendo projetado pela primeira vez, fazê-lo funcionar fora do plano.
As grades de difração clássicas exibem fantasmas e luz espúria que são focalizadas no plano de dispersão e, portanto, não podem ser corrigidas a não ser obtendo-se uma grade diferente que apresente um desempenho mais limpo. Uma das melhores soluções é empregar uma grade holográfica com perfil de brilho definido por gravação iônica, que proporciona boa eficiência no comprimento de onda de interesse e ausência total de fantasmas. Qualquer luz espúria remanescente é espalhada aleatoriamente e não focalizada.
Esta seção analisa os efeitos das dimensões da fenda na relação sinal/ruído para uma fonte de luz contínua ou monocromática em monocromadores simples ou duplos. Assume-se que as dimensões das fendas de entrada e saída sejam iguais.
Observação: A relação sinal/ruído NÃO varia em função da largura da fenda.
Explicação: De acordo com a Equação (52), a taxa de transferência do sinal aumenta com o quadrado da largura da fenda (a largura da fenda determina a extensão de entrada e a largura de banda). Como a fonte de luz é um contínuo, o aumento do sinal varia diretamente com a largura de banda e a extensão.
O “sinal de ruído” também varia com o quadrado da largura da fenda, conforme mostrado na Equação (63). Consequentemente, tanto o sinal quanto o ruído mudam na mesma proporção.
Observação: A relação sinal/ruído varia inversamente com a altura da fenda.
Explicação: A taxa de transferência do sinal varia linearmente com a altura da fenda (da Equação (52)).
O ruído, no entanto, varia com o quadrado da altura da fenda (da Equação (63)). Consequentemente, a relação S/N varia inversamente com a altura da fenda.
Observação: A relação sinal/ruído varia inversamente com a largura da fenda.
Explicação: A transmissão do sinal varia diretamente com a largura da fenda (embora a largura de banda aumente, apenas a extensão do sinal determina o número de fótons disponíveis).
O “ruído” é proporcional ao quadrado da largura da fenda. Consequentemente, a relação sinal/ruído é inversamente proporcional à largura da fenda.
Observação: A relação sinal/ruído varia inversamente com a altura da fenda.
Explicação: A taxa de transferência do sinal varia linearmente com a altura da fenda. O ruído varia com o quadrado da altura da fenda. Consequentemente, a relação sinal/ruído varia inversamente com a altura da fenda.
Observação: A relação sinal/ruído varia inversamente com a largura da fenda.
Explicação: A relação sinal/ruído na saída do primeiro monocromador não varia com a largura da fenda; no entanto, a luz que agora ilumina a óptica do segundo monocromador é aproximadamente monocromática e a relação sinal/ruído passará a variar inversamente com a largura da fenda no segundo monocromador.
Observação: A relação sinal/ruído varia com o inverso do quadrado da altura da fenda.
Explicação: A relação sinal/ruído varia linearmente com a altura da fenda na saída do primeiro monocromador. O segundo monocromador, ao observar luz "monocromática", também alterará a relação sinal/ruído inversamente com a altura da fenda; portanto, a variação total na relação sinal/ruído na saída do segundo monocromador será proporcional ao quadrado da altura da fenda.
Observação: A relação sinal/ruído varia com o inverso do quadrado da largura da fenda.
Explicação: Na saída do primeiro monocromador, a relação sinal/ruído (S/N) varia inversamente com a largura da fenda. O segundo monocromador, também iluminado por luz monocromática, altera novamente a relação S/N inversamente com a largura da fenda. Consequentemente, a variação total na relação S/N é proporcional ao inverso do quadrado da largura da fenda.
Observação: A relação sinal/ruído varia com o inverso do quadrado da altura da fenda.
Explicação: Cada um dos dois monocromadores varia a relação sinal/ruído inversamente com a altura da fenda, de modo que a variação total na relação sinal/ruído varia com o inverso do quadrado da altura da fenda.
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