חברת Ocean Optics
תקציר
על מנת להקטין עד למינימום את החזרת האור ממשטחים, מקובל לצפות אותם בציפוי בצבע שחור. כאשר מדובר בספסל אופטי, המבנה המכני צבוע בשחור על מנת להקטין פיזור של אור בספקטרומטר. עם הטווח הקיים של ציפוי בשחור בעל מאפייני החזרה שונים, אפשר להשתמש במדידות ההחזרה על מנת להעריך את תכונות ההחזרה ממשטחים מצופים. במאמר זה מדדנו את ההחזרה המפוזרת (Diffuse Reflection), החזרת הספקולרית (Specular Reflection) ואת ההחזרה הכללית (Total Reflection) ממעגלים מודפסים שצבועים בציפויים שחורים שונים, על מנת להעריך את תכונות ההחזרה של כל אחד מהציפויים.
רקע
באופן תיאורטי, משטח שחור אמור לבלוע את כל אורכי הגל של האור. במציאות, קיימים גוונים רבים של שחור עם תכונות של בליעה ושל החזרה שמשתנות כפונקציה של אורך הגל. במקרה של ציפוים אופטיים, הצורך לאפיין במדויק את תכונות ההחזרה כפונקציה של אורך גל, הוא קריטי לתכנון של מכשירים אופטיים. כל קרן אור שאינה נבלעת על ידי הציפוי של הספסל האופטי הופכת להיות קרן אור תועה (stray light), ויש אפשרות שהיא תגיע לגלאי ותשפיע על ביצועי המכשיר. מאחר שהגלאי אינו יכול להבחין בין אור המועבר דרך הדגימה לבין קרן אור תועה שנוצרה על ידי הספסל האופטי, הנוכחות של קרן אור תועה מגבילה את רמות הבליעה המרביות שאליהן אפשר להגיע. ככל שהרמה של קרן האור התועה עולה, ספקטרום הבליעה הופך להיות שטוח יותר, עד אשר רמה זו מגיעה לערך הבליעה המרבי ואין עוד אפשרות לגלות בליעה נוספת. על מנת לשפר את ביצועי המכשיר ולאפשר את המדידה של רמות בליעה מרביות גבוהות יותר, יש להקטין למינימום את קרני האור התועה באמצעות שימוש בציפויי בליעה שחורים. בנוסף, על מנת להקטין את תופעת האור התועה ולהגדיל למקסימום את רמות הבליעה ואת הביצועים של המכשיר, יש להשתמש בתכנון בחלקים אופטיים, כמו למשל חלקי אופטיקה המיועדים לטיפול בקרני אור תועה ובדפנות חיץ פיסיים (baffle) שילכדו את קרני האור התועה.
מאחר שרוב סוגי הציפויים השחורים אינם שחורים לחלוטין, מבצעים מדידות של החזרות כדי לאפיין את תכונות ההחזרה של פני השטח. מטרתן של מדידות אלו היא לזהות ציפויים שמקטינים למינימום את ההחזרה בטווח אורכי הגל שיש לו חשיבות. מדידות של החזרות יכולות להתבצע באמצעות גשוש (probe) כמו למשל גשוש ההחזרה R400-7-VIS-NIR 400.
גשוש ההחזרה קולט אור מהזווית שבה הייתה מוארת הדגימה, עובדה שמאפשרת לו לשמש לצורך מדידה של ההחזרה הספקולרית וגם מדידה של החזרה מפוזרת. הוא מורכב משישה סיבי הארה המסודרים סביב סיב קליטה יחיד, עם זווית שדה ראייה מלאה של 25 מעלות. על אף שאולי מפתה לחבר את זרוע ששת הסיבים לספקטרומטר, למעשה יעיל יותר בהרבה לחבר את הסיב היחיד. כפי שמוצג באיור 1, כל אחד מסיבי ההארה מקרין חרוט של אור מהמקור, כאשר כולם חופפים בדגימה שבמרכז, בדיוק במקום שאליו “מסתכל” סיב הקליטה.
על מנת למדוד החזרה ספקולרית, מקם את הגשוש ב-90 מעלות ביחס לדגימה שבנושא גשוש ההחזרה (RPH-1). למדידת החזרה מפוזרת, השתמש בחיבור ב-45 מעלות. יש למשוך מעט לאחור את גשוש ההחזרה ממשטח הדגימה שבנושא הגשוש, מאחר שלקרניים היוצאות מסיבי ההארה נדרש מעט מקום שבו הן יחפפו וייצרו אור מוחזר. הקוטר של אזור הדגימה הנראה יהיה בערך חצי המרחק שבין קצה הגשוש והדגימה (כלומר מרחק של
4.0 מ”מ יספק גודל כתם של 2.0 מ”מ בערך). השימוש בנושא גשוש החזרה (RPH-1) יבטיח שתהיה עקביות במרחק ההצבה בין דגימה אחת לזו הבאה אחריה (ובעת ביצוע מדידות ייחוס). הגימור השחור העמום (matte) שלו, מסייע אף הוא בהפחתת אור הסביבה.
בעת ביצוע מדידת חושך עם גשוש החזרה, כדאי מאוד לחסום את האור במנורה, אם אפשר. כיבוי המנורה והדלקתה מחדש, יגרום להפרעה בשיווי המשקל התרמי של המנורה, וכתוצאה מכך, יידרש לה זמן חימום נוסף ומדידת ייחוס נוספת. אם אין אפשרות לחסום אותה, אפשר גם לכוון את גשוש ההארה אל תוך חלל חשוך על מנת לבצע מדידת חושך, בתנאי שקיים סיכוי מזערי לפיזור של אור אל תוך הגשוש. יש לעמוד בפני הפיתוי לכוון את הגשוש לעבר עצם שחור (כמו למשל פיסת נייר או בד כיסוי), מאחר שעצמים שנראה שהם בולעים את כל אורכי הגל יכולים למעשה להחזיר כמה צבעים. המטרה היא ללכוד את כל האור שיוצא מהגשוש.
הגורמים החשובים ביותר בבחירת גשוש ההחזרה המתאים למדידה שלך הם טווח אורכי הגל וכמות האור הנדרשת. יש להתאים את רגישות המערכת לתקן הייחוס, מאחר שדגימות כמעט תמיד מחזירות פחות. יש לבחור את הגודל של הסיב בהתבסס על הרגישות הנדרשת, ולא על גודל הכתם הרצוי. גודל הכתם נשלט על ידי המרחק של הגשוש מהדגימה, ואשר אותו קל לשנות. יש לזכור שלכל הסיבים יש אותו שדה ראייה מלא של 25 מעלות, כך שלסיב של 600 מיקרון יש גודל כתם שגדול רק ב-400 מיקרון (0.4 מ”מ) יותר מאשר גודל הכתם שיש לסיב של 200 מיקרון באותו מרחק עבודה.
גשושים שיש להם זרועות ייחוס יכולים לשמש כאשר נדרש לנטר את המנורה באופן רציף. בנוסף, ניתן לייצר גשושים עם ריבוי של זרועות כניסת מנורה ו/או זרועות מדידה, על מנת לאפשר עירוב של אורכי גל שונים ויציאות לספקטרומטרים שונים, לצורך ביצוע אופטימיזציה בכל אורך גל. עבור מי שמבצע מדידות באבקה או בתמיסות צפופות, גשוש זוויתי שבקצהו חלון, עם שיפוע של 30 מעלות, מאפשר למשתמש לטבול את הגשוש ישירות בתוך הדגימה ועדיין להשיג מרחק עבודה עקבי.
תנאי המדידה
תחומי הספקטרום של ההחזרה ממעגלים מודפסים המצופים בשלושה סוגים של צבע שחור (שחור אטום ועמום, שחור מבריק וצבע שחור כמו זה של הלוח בבתי ספר) נמדדו באמצעות גשוש החזרה. הדוגמאות של המעגלים המודפסים מוצגות בחלק השמאלי התחתון של איור 2. הציוד ששימש עבור מדידות אלו היה הספקטרומטר USB4000-VIS-NIR (לתחום הנראה ולתחום האינפרה אדום הקרוב)
(שריג – grating – מס’ 2, SLIT-25), גשוש ההחזרה R400-7-VIS-NIR ומנורת טונגסטן-הלוגן HL-2000. כתוצאה מהחזרה נמוכה יחסית של דגימות אלו, נעשה שימוש בהתקן ייחוס אפור (החזרה מפוזרת של כ- 20 אחוזים). זמני האינטגרציה היו בטווח שבין 20 ל-120 מילי שניות, עם הגדרות boxcar של 5 ומיצוע על 20 סריקות. כפי שמוצג באיור 2, מעמד טבעתי שימש כדי לתמוך את מחזיק גשוש ההחזרה RPH-1 עבור המדידות עם כיסוי שחור ששימש להגנת המדידות מהארה ישירה של אור מהסביבה. המדידות בוצעו עם גשוש שמוצב בזווית של 45 מעלות (החזרה מפוזרת) ו-90 מעלות (החזר ספקולרי) ביחס לפני המשטח המצופה, באמצעות מחזיק גשוש ההחזרה RPH-1.
התוצאות
על אף שהמדידות עם גשוש החזרה יכולות להיראות פשוטות למדי, הנתונים עלולים לגלות כמה הפתעות בלתי צפויות. לדוגמה, בחנו שלושה סוגים של צבע שחור אטום ועמום, שחור מבריק וצבע שחור כמו זה של לוח בבתי ספר. כפי שמוצג באיור 3 נתוני החזרה ספקולרית, מראים שצבע כמו זה של לוח בבתי ספר היה זה שהחזיר פחות מכולם, כאשר החזרת הצבע השחור המבריק היתה פי עשר גבוהה יותר. יחס המספרים עלול להיראות מוזר במקצת (החזרה של 250% עבור צבע שחור מבריק), עד לנקודה שבה נזכור שמדידת הייחוס שהוגדרה כ-100% היא למעשה, תקן החזרה מפוזרת של 20%.
כאשר בוחנים את נתוני ההחזרה המפוזרת המוצגים באיור 4, אפשר לראות שהצבע השחור האטום והעמום והצבע השחור המבריק, נראים למעשה דומים למדי בתחום האור הנראה, כלומר, הם היו נראים דומים מאוד בצבע הנראה לעין, אף אם האחד מחזיר יותר אור באופן משמעותי. דגימות הצבע התחילו להיבדל זו מזו, בתחום האינפרה אדום הקרוב, עובדה שמרמזת על כך שמה שנותן לצבע את הברק שלו, יכול להיות מרכיב החזרה באינפרה אדום הקרוב. מה שמפתיע הוא שנראה שלצבע השחור כמו זה של לוח בבתי ספר, יש החזרה מפוזרת גבוהה יותר מאשר לצבעי השחור האחרים. עם זאת, גשוש ההחזרה לא ממש מראה את התמונה כולה, אלא רק את ההחזרה המפוזרת כאשר היא מוארת ונצפית בזווית של 45 מעלות.
מסקנות
ביישום החזרה שהובא לדוגמה, גשוש החזרה R400-7-VIS-NIR שימש לצורך מדידה של תכונות החזרה מפוזרת והחזרה ספקולרית של ציפויים שחורים על מעגלים מודפסים. הנתונים הספקטראליים שנגזרו ממדידות פשוטות אלו, באופן יחסי, יכולים לשמש כדי לבחור את הציפוי האופטימלי עבור ספסל אופטי, על מנת להקטין את עוצמת האור התועה או לשפר את ביצועי המכשיר.
כאשר קיימים כלים מודולריים לספקטרוסקופיה, אפשר לבצע טווח של מדידות נוספות על מנת לאפיין עוד את הדגימות האלו ולהבטיח את הבחירה של הציפוי הטוב ביותר האפשרי. כדור אינטגרציה (integration sphere), כגון
ISP-IREF עם מקור אור מובנה מסוג טונגסטן-הלוגן יכול לשמש כדי למדוד אור מפוזר ב-180 מעלות מפני משטח הדגימה, ומאפשר מדידות מדויקות יותר ומוחלטות יותר. סדרת ISP-R של כדורי אינטגרציה לשימוש בהחזרה, קיימת אף עם מידות קוטר כדור בטווח שבין 30 ל-80 מ”מ. אפשר לשלב ספקטרומים ממקורות אור וגשושי החזרה שמכסים טווחים שונים של אורכי גל עם התקני ייחוס של החזרה, ואביזרי דגימה חלופיים, על מנת להרחיב עוד את המדידות. אפשר להחליף בקלות בין כל הרכיבים האלו, על מנת לאפשר אפיון החזרה מלא של דגימת החזרה.
