ES2323206B1 - Procedimiento de calibracion absoluta en intensidad de un dispositivo optico. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de calibración absoluta en
intensidad de un dispositivo óptico.
Es aplicable en longitudes de onda superiores a
400 nm, se emplea como fuente patrón una lámpara halógena comercial
y la radiación de dicha fuente patrón se registra a una distancia
(d) entre la fibra óptica del dispositivo óptico a calibrar (1) y
el filamento de la referida lámpara halógena (2). Además, se tienen
en cuenta dos factores geométricos de corrección aplicados a la
radiación del sistema cuyo espectro luminoso se va a medir con el
dispositivo óptico (1) calibrado con la fuente correspondiendo
dichos factores a los fenómenos ópticos de la ley inversa de los
cuadrados y el efecto del cono de visión.
Description
Procedimiento de calibración absoluta en
intensidad de un dispositivo óptico.
La presente invención, tal y como se expresa en
el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un
procedimiento de calibración absoluta en intensidad de un
dispositivo óptico cuya finalidad esencial consiste en abaratar el
procedimiento convencional, empleando unas condiciones que permitan
utilizar una fuente patrón de coste económico mucho menor que el de
las fuentes patrón empleadas convencionalmente en este tipo de
calibraciones.
La invención se encuadra en el sector de la
técnica correspondiente a los procedimientos de calibración de
aparatos, pudiéndose no obstante enmarcarse en el sector de
investigación básica como es el estudio experimental de un plasma,
con el objeto de conocer uno de sus parámetros considerado
fundamental: la población de átomos en distintos estados excitados,
obtenida a partir de la calibración absoluta en intensidad, para
así conocer la capacidad de excitación de los plasmas en
aplicaciones tecnológicas como química analítica, esterilización,
conservación de alimentos o tratamiento de superficies.
En el contexto de la presente patente entendemos
por dispositivo óptico cualquier aparato apto para grabar o medir
la intensidad de un espectro luminoso, teniendo como inconveniente
principal que todos funcionan para longitudes de onda que
pertenecen al campo de lo visible. En este sentido, todo
dispositivo óptico está compuesto por un monocromador que
descompone la radiación luminosa recogida en distintas longitudes
de onda mediante una red de difracción, un detector que transforma
la radiación luminosa en carga eléctrica (intensidad), fibras
ópticas y lentes; siendo éstas dos últimas las encargadas de
recoger la radiación luminosa y focalizarla sobre una rendija de
entrada del monocromador.
La metodología más frecuentemente utilizada que
permite la calibración en intensidad de los dispositivos ópticos es
la comparación de la radiación recogida de una fuente patrón de
referencia con su radiancia espectral teórica. Las fuentes patrón
usadas son lámparas incandescentes y, entre ellas, la más conocida
es la denominada ribbon lamp de tungsteno, a partir de la
cual se obtienen valores de las poblaciones, verificados por
diversos autores (M.C. Quintero, A. Rodero, M.C. García y A.
Sola, Applied Spectroscopy 51 (1997) 778-784, J.
Jonkers, H.P.C. Vos, J.A.M. Vand der Mullen and E.A.H. Timmermans,
Spectrochimica Acta B 51 (1996) 457-462).
En cuanto al procedimiento de calibración de
dispositivos ópticos se encuentran algunas patentes previas a esta
invención como, sistema de calibración para un tubo
fotomultiplicador (2 232 008) (1998); procedimiento para calibrar
un aparato electroscópico (2 197 978) (1997); procedimiento de
calibración en longitud de onda de un dispositivo de filtrado de
una radiación electromagnética (2 214 014) (1999).
Los inconvenientes principales de los
procedimientos de calibración convencionales de dispositivos
ópticos se refieren principalmente al elevado coste de la referida
lámpara de tungsteno.
Para lograr los objetivos y evitar los
inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención
consiste en un procedimiento de calibración absoluta en intensidad
de un dispositivo óptico donde el dispositivo óptico es cualquier
aparato apto para grabar o medir la intensidad de un espectro
luminoso; y la calibración incluye la comparación de la radiación
recogida de una fuente patrón de referencia con su radiancia
espectral teórica, existiendo una distancia entre dichos dispositivo
y fuente denominada distancia fibra
óptica-filamento.
Novedosamente, según la invención, el
procedimiento de la misma incluye las siguientes condiciones:
- se emplea como fuente patrón una lámpara
halógena comercial,
- se aplica en longitudes de onda superiores a
400 nm,
- la radiación de dicha fuente patrón se
registra a una cierta distancia fibra
óptica-filamento; y
- se tienen en cuenta dos factores geométricos
de corrección aplicados a la radiación del sistema cuyo espectro
luminoso se va a medir con el dispositivo óptico calibrado con
dicha fuente, consistiendo dichos factores en:
- a)
- factor correspondiente a la ley inversa de los cuadrados, mediante el que la referida radiación del sistema se multiplica por \left(\frac{r}{d}\right)^{2}, siendo r la distancia entre la fibra óptica del dispositivo y el referido sistema, y d la aludida cierta distancia;
- b)
- factor correspondiente a la apertura de visión de la fibra óptica, mediante el que la referida radiación del aludido sistema se divide por un valor correspondiente al cono de visión de la fibra óptica del dispositivo.
Con el procedimiento que se ha descrito se dan
ventajas relativas a que se hace posible la utilización como fuente
patrón de una lámpara halógena comercial, cuyo coste es muy
inferior al de las lámparas de tungsteno utilizadas
convencionalmente como fuente patrón en los procedimientos de
calibración de dispositivos ópticos.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Representa esquemáticamente al
dispositivo óptico a calibrar según el presente procedimiento y a
la lámpara halógena comercial que se usa como fuente patrón.
Figura 2.- Representa la radiancia espectral
J.m^{-3}.s^{-1}ster^{-1}) de la referida lámpara halógena a
diferentes temperaturas.
Figura 3.- Representa la intensidad de las
lámparas halógenas para una longitud de onda de 400 nm frente a la
distancia entre fibra óptica-lámpara.
Figura 4.- Representa esquemáticamente al factor
debido a la ley inversa de los cuadrados.
Figura 5.- Representa esquemáticamente al factor
debido a la fibra óptica.
Figura 6.- Representa la intensidad medida para
lámparas halógenas comerciales por dispositivo óptico y para los
denominados tipos A y B.
Figura 7.- Representa la respuesta relativa del
dispositivo óptico a calibrar a partir de la lámpara halógena
comercial.
Figura 8.- Representa una comparación entre las
respuestas relativas del dispositivo óptico a calibrar mediante el
empleo de una fuente patrón convencional Ribbon lamp y la
fuente patrón empleada en el procedimiento de la invención, esto
es, una lámpara halógena comercial.
Seguidamente se realiza una descripción de la
invención haciendo alusión a las figuras.
La calibración absoluta en intensidad de un
sistema óptico es un paso previo al análisis de cualquier radiación
luminosa, por ejemplo la radiación electromagnética que emana de
un plasma, presentando dicho sistema una respuesta diferente para
cada longitud de onda \lambda.
La calibración en intensidad de la respuesta del
sistema (dispositivo óptico) se realiza comparando la señal teórica
emitida por una fuente patrón, generalmente una lámpara
incandescente en un determinado intervalo de longitud de onda
visible, con la registrada experimentalmente por el dispositivo
óptico del laboratorio. De esta forma se obtiene lo que se denomina
respuesta en intensidad del dispositivo óptico.
Una fuente patrón suele ser una lámpara
incandescente, construida de cuarzo generalmente. Las lámparas
incandescentes fueron la primera forma de generar luz a partir de
la energía eléctrica. Desde que fueran inventadas, la tecnología
utilizada en su construcción ha cambiado mucho, produciéndose
sustanciosos avances en la cantidad de luz producida, el consumo y
la duración de las lámparas. El principio de su funcionamiento es
simple: se hace pasar una corriente eléctrica por un filamento
hasta que éste alcanza una temperatura tan alta que emite
radiaciones visibles por el ojo humano. La producción de luz
mediante la incandescencia tiene una ventaja adicional, y es que la
luz emitida contiene todas las longitudes de onda que forman la luz
visible o dicho de otra manera, su espectro de emisión es
continuo.
Un dispositivo óptico de detección responde de
forma diferente para las distintas longitudes de onda, de ahí que
sea necesario obtener la curva de respuesta espectral del sistema
R(\lambda), así se recogerá a partir del dispositivo
óptico la intensidad luminosa detectada por el sistema óptico,
I^{lamp}_{med}, que emite la lámpara a una cierta
temperatura T. A continuación, partiendo de que intensidad emitida
por la fuente patrón, I^{lamp}_{emi} es conocida, el
cálculo de la denominada respuesta en intensidad del dispositivo
óptico se obtiene fácilmente a partir de la relación siguiente:
En dicha expresión G depende de la
geometría de medida y R(\lambda) la respuesta del sistema
óptico.
Para una geometría dada, el cociente
I^{lamp}_{med}\left/\mathit{I}^{lamp}_{emi} \right. nos
da la respuesta en intensidad del sistema para el intervalo
de
{}\hskip17cm longitudes de onda considerado y en unidades arbitrarias. Estos valores son utilizados para corregir las intensidades de las líneas espectrales recogidas por el sistema óptico.
{}\hskip17cm longitudes de onda considerado y en unidades arbitrarias. Estos valores son utilizados para corregir las intensidades de las líneas espectrales recogidas por el sistema óptico.
La novedad de la invención es la calibración
absoluta en intensidad del dispositivo óptico haciendo uso de una
lámpara comercial como fuente patrón. Y ello, gracias a que la
radiancia espectral de éstas lámparas comerciales pueden ser
aproximadas a la radiancia espectral de un cuerpo negro a una
temperatura de 2850 K consiguiéndose un ahorro de un 90% respecto a
otras fuentes patrón (ribbon lamp) comúnmente
utilizadas.
Las lámparas halógenas son básicamente lámparas
incandescentes convencionales con el agregado de halógenos en el
gas encerrado en el bulbo en el que se encuentra situado el
filamento. La intensidad de la radiación que emiten estas lámparas
es hasta un 50% superior a la de las lámparas convencionales.
Producen luz brillante que torna radiantes las superficies y más
vibrantes los colores, pudiéndose regular su nivel de intensidad de
acuerdo a cada necesidad. Sus principales ventajas son un aumento
de la vida útil con una mínima pérdida de intensidad luminosa con
respecto a las lámparas convencionales y por poseer algunas la
tecnología UV-STOP.
Entre los diferentes tipos de lámparas
halógenas, se encuentra la del tipo cuyo esquema aparece
representado en la Figura 1 y sus características recogidas en la
Tabla 1. La novedad estriba en que esta lámpara halógena está a
disposición en cualquier tienda de electrónica, teniendo un coste
muy inferior de aproximadamente un 90% inferior al de una ribbon
lamp. Así la lámpara halógena será una herramienta al alcance
de cualquier laboratorio que necesite realizar una calibración en
intensidad de sus sistemas ópticos de registro de radiación.
\vskip1.000000\baselineskip
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Como se observa en la Tabla 1, la potencia
máxima con la que puede trabajar este tipo de lámparas es de 50 W,
la cual corresponde a una intensidad máxima. De acuerdo con la ley
de Ohm, para 12 V la intensidad tiene un valor de I = 4.16 A,
siendo la temperatura de trabajo de 3000 K. La temperatura puede
modificarse variando la intensidad aplicada a la lámpara; por
ejemplo, para una intensidad de 4 A, la temperatura correspondiente
tiene un valor aproximado de 2850 K.
La intensidad del espectro de emisión de una
fuente patrón a una temperatura T, viene dado por su
radiancia espectral, E(\lambda,T) definida
como la intensidad de radiación emitida en una longitud de onda por
unidad de área, tiempo y ángulo sólido:
donde
\varepsilon(\lambda,T) es la emisividad de
la fuente patrón, y \rho(\lambda,T) es la
radiancia espectral del cuerpo negro a dicha temperatura
T, dada por la Ley de
Planck:
siendo su unidad J.m^{-3}.
s^{-1}.ster^{-1}.
Teniendo en cuenta la absorción en las paredes
que contienen la lámpara, consideradas de cuarzo, la expresión
anterior debe ir multiplicada por un factor de absorción, \tau, de
este material:
La emisividad depende tanto de la
longitud de onda de la radiación emitida como de la temperatura de
emisión. Los valores de la emisividad se encuentran registrados en
una tabla de doble entrada en los dos parámetros de dependencia,
\lambda y T, según la referencia de la fuente patrón.
En el caso de las lámparas de filamento, la
temperatura a la que se encuentran es función de la corriente que
circula por él en cada momento. Por lo tanto, en una lámpara
calibrada de este tipo debe conocerse la relación existente en la
intensidad de corriente que pasa a través de ella y su
temperatura.
Esta relación se obtiene a partir de la llamada
temperatura radiante, que se define como la temperatura de
un cuerpo negro que tiene la misma radiancia espectral que la
lámpara patrón para esa longitud de onda, es decir, viene definida
a partir de la expresión:
Cualquier sistema óptico de detección responde
de forma diferente para las distintas longitudes de onda, de ahí
que sea necesario obtener la curva de respuesta espectral del
sistema R(\lambda).
La intensidad luminosa detectada por el sistema
óptico, I^{lamp}_{med}, que emite la lámpara a una cierta
temperatura T será proporcional a la respuesta del sistema
óptico, R(\lambda), multiplicada por la intensidad
emitida por la fuente patrón, I^{lamp}_{emi}. La relación
entre ambas intensidades viene dada por:
La constante G da cuenta de la geometría
de medida del sistema, es decir, de la disposición relativa fuente
de luz-lente-fibra. La
determinación de ese factor G para cada geometría de medida
es lo ideal ya que así se podría conocer
{}\hskip17cm R(\lambda). Para una geometría dada, el cociente I^{lamp}_{med}\left/\mathit{I}^{lamp}_{emi} \right. nos da la respuesta relativa en intensidad del sistema para el intervalo de longitudes de onda considerado y en unidades arbitrarias.
{}\hskip17cm R(\lambda). Para una geometría dada, el cociente I^{lamp}_{med}\left/\mathit{I}^{lamp}_{emi} \right. nos da la respuesta relativa en intensidad del sistema para el intervalo de longitudes de onda considerado y en unidades arbitrarias.
Para esta lámpara la emisividad se considera
igual a la unidad y, como consecuencia, su radiancia
(I^{lamp}_{emi}) puede considerarse igual a la de un
cuerpo negro a la temperatura de trabajo de la lámpara. En la
Figura 2 aparece representada la radiancia para esta lámpara
halógena comercial en función de la longitud de onda para
diferentes valores de temperatura de trabajo.
Una vez conocida la radiancia espectral teórica
emitida por las fuentes patrón que van a ser utilizadas en la
calibración en intensidad, es necesario conocer la radiancia
espectral de la fuente patrón recogida por el dispositivo
óptico.
Paso previo es el análisis de la optimización de
la distancia fibra óptica-filamento de la fuente
patrón (lámpara halógena comercial). En la Figura 3 se muestran
los resultados obtenidos, observándose la existencia de dos
comportamientos distintos para dos tipos de lámparas, tipo A y tipo
B. Las lámparas tipo B presentan un máximo en torno a los 4.5 cm de
distancia fibra-filamento, mientras que la lámpara
tipo A, no posee dicho máximo. A distancias superiores a 4.5 cm, el
comportamiento de ambos tipos de lámparas es similar.
La diferencia de comportamiento entre dos tipos
de lámparas se atribuye a dos fenómenos ópticos: la ley inversa
de los cuadrados y el efecto del cono de visión. El
primero de ellos indica que la intensidad decrece a razón de la
distancia al cuadrado, y el segundo lo produce el ángulo de
apertura en que la fuente patrón emite. Para la lámpara de tipo A,
cuya envoltura del filamento actúa como una lente condensadora
(convergente), hace que el fenómeno predominante sea la ley inversa
de los cuadrados, por ello, un acercamiento de la fibra al
filamento da lugar a un crecimiento de la intensidad registrada.
Por el contrario, en el caso de lámparas tipo B, cuya envoltura no
se comporta como una lente convergente, la suma de ambos efectos
tiene como resultado el predominio del cono de visión sobre la
inversa de los cuadrados a distancias inferiores a 4.5 cm. Para
estas distancias, una disminución de la distancia
fibra-filamento no da lugar a un aumento de la
intensidad recogida. Consecuentemente, a distancias superiores a
4.5 cm el comportamiento para ambos tipos de lámparas halógenas, A
y B, es el mismo, con lo que es recomendable emplear distancias
superiores a este valor al objeto de que esta calibración pueda ser
utilizada para todo tipo de lámpara halógena, si bien en ciertos
casos podrán emplearse distancias menores.
Una vez conocida la intensidad de la fuente
patrón recogida por el dispositivo óptico (I^{lamp}_{med})
a una temperatura de aproximadamente 2850 K y para distancias fibra
óptica-filamento superiores a 4.5 cm, la respuesta
relativa en
{}\hskip17cm intensidad vendrá dada por I^{lamp}_{med}\left/\mathit{I}^{lamp}_{emi} \right..
{}\hskip17cm intensidad vendrá dada por I^{lamp}_{med}\left/\mathit{I}^{lamp}_{emi} \right..
Hasta ahora se ha hablado de respuesta relativa
en intensidad pues para ser absoluta, la recogida de la radiación
luminosa a estudiar debe realizarse en las mismas condiciones
geométricas (G) que en la recogida de la radiación
procedente de la fuente patrón. Así, la radiación luminosa ha de
corregirse por los denominados factores geométricos.
- \ding{69}
- Ley de la Inversa de los cuadrados: Si la radiación emitida por el sistema de estudio se recoge a una distancia fibra-sistema igual a r (cm), esta intensidad debe corregirse por el siguiente factor, es decir, multiplicar la radiación emitida por el sistema por \left(\frac{r}{4. 5}\right)^{2} (Figura 4).
- \ding{69}
- Apertura de visión de la fibra óptica: La radiación recogida por el sistema de estudio debe ser puntual, por lo que hay que dividir entre el cono de visión de la fibra empleada (Figura 5).
Respecto a la figura 1, que representa el
procedimiento de la invención empleando la referida lámpara
halógena comercial como fuente patrón y referenciada como 2, el
dispositivo óptico 1 es cualquier aparato apto para grabar o medir
la intensidad de un espectro luminoso, y la distancia d es la
distancia entre dichos dispositivo 1 y fuente 2, denominada
distancia fibra óptica-filamento.
Como ejemplo de esta invención se ha calibrado
el siguiente dispositivo óptico. Fibra óptica PCS 1000 con
terminación puntual, monocromador (Jarrell-Ash) de
0.5 m de distancia focal, con una red holográfica de 1180 líneas/mm
y con rendijas de entrada-salida fijas a 50 \mum y
un fotomultiplicador R636-10 como detector de la
marca Hamamatsu, con un intervalo de respuesta espectral de
200-930 nm, trabajando a una tensión de 750 V.
Así se recogió la radiación luminosa de la
lámpara halógena comercial (I^{lamp}_{med}) a través de
este dispositivo quedando representada en la Figura 6, a una
temperatura de aproximadamente 2850 K y para la distancia fibra
óptica-filamento de 4.5 cm. Se observa como en el
caso de la lámpara tipo A, el valor de la intensidad cae
bruscamente en el intervalo de longitudes de onda comprendido entre
300-400 nm, lo que indica que la envoltura del
filamento impide el paso de radiación ultravioleta a través de él.
Este comportamiento denominado UV-STOP, en
nomenclatura comercial, es el adecuado para utilizar dichas
lámparas en iluminación doméstica. Eligiendo la lámpara del tipo A
como fuente patrón,
{}\hskip17cm la respuesta relativa en intensidad (I^{lamp}_{med}\left/\mathit{I}^{lamp}_{emi} \right.) del dispositivo óptico viene dada por la Figura 7. Para la verificación de
{}\hskip17cm esta invención, se han comparado los datos, respuesta relativa en intensidad, con los obtenidos usando como fuente patrón una ribbon lamp para igual distancia fibra-lámpara, según muestra la figura 8. En esta Figura 8 son observables los límites de la calibración en intensidad al comparar con la fuente patrón ribbon lamp, es decir, no es aplicable la calibración en intensidad con la lámpara halógena comercial para longitudes de onda menores a 400 nm, siendo esto debido a la tecnología UV-STOP de las lámparas halógenas.
{}\hskip17cm la respuesta relativa en intensidad (I^{lamp}_{med}\left/\mathit{I}^{lamp}_{emi} \right.) del dispositivo óptico viene dada por la Figura 7. Para la verificación de
{}\hskip17cm esta invención, se han comparado los datos, respuesta relativa en intensidad, con los obtenidos usando como fuente patrón una ribbon lamp para igual distancia fibra-lámpara, según muestra la figura 8. En esta Figura 8 son observables los límites de la calibración en intensidad al comparar con la fuente patrón ribbon lamp, es decir, no es aplicable la calibración en intensidad con la lámpara halógena comercial para longitudes de onda menores a 400 nm, siendo esto debido a la tecnología UV-STOP de las lámparas halógenas.
Claims (1)
1. Procedimiento de calibracion absoluta en
intensidad de un dispositivo óptico, donde el dispositivo óptico
(1) es cualquier aparato apto para grabar o medir la intensidad de
un espectro luminoso; y la calibración incluye la comparación de la
radiación recogida de una fuente patrón de referencia con su
radiancia espectral teórica, existiendo una distancia entre dichos
dispositivo y fuente denominada distancia fibra
óptica-filamento; caracterizado porque
incluye las siguientes condiciones:
- se emplea como fuente patrón una lámpara
halógena comercial,
- se aplica en longitudes de onda superiores a
400 nm,
- la radiación de dicha fuente patrón se
registra a una cierta distancia fibra
óptica-filamento (d); y
- se tienen en cuenta dos factores geométricos
de corrección aplicados a la radiación del sistema cuyo espectro
luminoso se va a medir con el dispositivo óptico (1) calibrado con
dicha fuente (2), consistiendo dichos factores en:
- a)
- factor correspondiente a la ley inversa de los cuadrados, mediante el que la referida radiación del sistema se multiplica por \left(\frac{r}{d}\right)^{2} siendo r la distancia entre la fibra óptica del dispositivo y el referido sistema y d la aludida cierta distancia;
- b)
- factor correspondiente a la apertura de visión de la fibra óptica, mediante el que la referida radiación del aludido sistema se divide por un valor correspondiente al cono de visión de la fibra óptica del dispositivo.
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| CARACTERIZACION Y CALIBRACION DE INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE RADIACION SOLAR; DEPARTAMENTO DE OPTICA Y FíSICA APLICADA. UNIVERSIDAD DE VALLADOLID. (MARÍA DEL MAR SORRIBAS PANERO), 22.09.2003, todo el documento. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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