Choisir un monochromateur/spectrographe.
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Remarque : f/value n'est pas toujours le facteur déterminant du débit. Par exemple, la lumière peut être collectée à f/1 et projetée sur la fente d'entrée d'un monochromateur f/6, de sorte que l'image entière soit contenue dans la fente. Le système fonctionnera alors sur la base de la collecte de photons dans le cône f/l et non dans celui f/6 du monochromateur.
Principaux critères : dispersion, résolution, bande passante
La dispersion indique la capacité à disperser la lumière. Elle donne la bande passante utilisable d'un monochromateur ou indique la plage spectrale d'un spectrographe équipé d'un détecteur matriciel multicanal, tel qu'une caméra CCD ou une matrice InGaAs. La modification de la largeur de l'ouverture de la fente permet d'ajuster la bande passante.
La résolution spectrale est inversement proportionnelle à la dispersion linéaire d'un monochromateur. La résolution requise pour l'expérience est souvent le critère de performance clé de toute application. Pour l'analyse de structures étroites (résolution supérieure à 0,1 nm dans le visible), les monochromateurs de grande taille constituent le meilleur choix car ils offrent une dispersion spectrale accrue et donc une résolution spectrale plus élevée.
Si l'exigence principale de l'application est d'acquérir une large gamme spectrale en une seule fois, les petits spectrographes sont préférables, comme pour une application de procédé. En effet, les monochromateurs monochromateurs d'une distance focale inférieure à 0,3 m conviennent lorsque la lumière parasite n'est pas considérée comme un problème majeur.
Les chercheurs en laboratoire qui n'ont pas besoin d'une résolution élevée et d'une large plage de mesure simultanément devraient opter pour des spectrographes plus grands. Ces utilisateurs peuvent modifier les réseaux (c'est-à-dire augmenter ou diminuer la densité des sillons) ou acquérir plusieurs spectres pour obtenir des résultats complets.
Deuxième critère : Précision, rapidité
Les monochromateurs fonctionnent en balayant les caractéristiques spectrales des signaux optiques, étape par étape. De ce fait, le processus de mesure est généralement plus lent que celui des spectrographes équipés de détecteurs multicanaux à réseau, qui fonctionnent avec une position de réseau fixe et acquièrent directement un spectre complet en fonction de leur déplacement, principalement grâce à l'entraînement du moteur du réseau. Les instruments de 0,5 m de focale ou plus sont généralement équipés de mécanismes à barreau sinusoïdal offrant une excellente précision (supérieure à 0,1 nm) et une répétabilité (supérieure à 0,01 nm). Cependant, le compromis réside dans la rapidité : balayer une large plage spectrale avec une résolution spectrale élevée en mode monochromateur peut prendre plusieurs minutes. Les appareils plus petits utilisent généralement des entraînements directs, ou à vis sans fin, en raison de leurs spécifications de résolution plus faibles. Dans ce cas, ils règlent la position du réseau en quelques secondes.
Troisième critère : Débit, qualité d'image
La plupart du temps, les petits monochromateurs et spectrographes ont un meilleur débit que les grands en raison de leurs plus grandes ouvertures numériques (nombres f) et de leur conception plus simple (souvent avec moins de composants optiques).
Cependant, l'ouverture numérique n'est pas le critère principal du débit optique. La dispersion linéaire est également importante, car elle définit les tailles d'ouverture d'entrée pour une résolution spectrale donnée.
Un facteur de mérite plus utile pour comparer les monochromateurs destinés aux applications d'imagerie est la capacité de collecte de lumière. Les fabricants de petits instruments estiment généralement que pour préserver la résolution spectrale, ils ne peuvent produire qu'une petite image.
Produire une image plus grande, en particulier sur une large gamme spectrale, est très difficile en raison des corrections spatiales requises.
L'introduction commerciale des spectrographes imageurs a partiellement corrigé les problèmes de qualité d'imagerie spatiale. Ces instruments utilisent des réseaux ou des miroirs toroïdaux pour corriger l'astigmatisme dans le plan image et améliorer la qualité de l'image, tout en maintenant l'ouverture numérique au même niveau que les dispositifs non imageurs. Cette correction nécessite des calculs complexes. Le choix du tore, des angles d'incidence optique du dispositif et l'optimisation des longueurs d'onde témoignent de l'expertise du fabricant.
Des spectrographes compacts, fixes et bien corrigés peuvent fournir une excellente qualité d'image. Certains peuvent discriminer trois ou quatre canaux spectraux sur un plan focal de 6 mm de hauteur. D'intéressantes configurations de spectrographes axiaux utilisant des prismes et des lentilles offrent également une excellente qualité d'image sur quelques centaines de nanomètres dans le visible.
Certains spectrographes d'imagerie de 30 cm ou plus permettent une analyse de plus de 10 canaux avec un chevauchement de canaux minimisé.
Critères finaux : Lumière parasite, conception, distance focale
La lumière parasite est principalement liée à la qualité des composants optiques de l'appareil (miroirs et réseau). L'utilisateur n'est généralement pas conscient de la lumière parasite ou d'une réflexion interne inappropriée, ce qui peut produire des résultats médiocres.
En raison de leur configuration fente/fente, les monochromateurs produisent moins de lumière parasite ou de lumière réentrante que les spectrographes, dépourvus de fente de sortie. Cependant, lorsque la lumière parasite est importante dans une application, les instruments à grande distance focale, ou monochromateurs doubles, constituent le meilleur choix. Les petits appareils présentent un risque plus élevé de lumière parasite que les plus grands.
En termes de conception optique, la plupart des grands monochromateurs/spectrographes utilisent la configuration asymétrique Czerny-Turner. Les instruments plus petits ont tendance à utiliser une configuration asymétrique en « V » comme compromis.
Peser le pour et le contre
Aucun appareil ne peut couvrir toutes les applications spectroscopiques. Cependant, un utilisateur analysant attentivement les exigences spectrales et de performances d'une application peut évaluer les compromis à opérer entre monochromateurs et spectrographes à petite et grande focale.
Si vous devez analyser une courte plage spectrale à faible résolution, vous pouvez probablement utiliser un monochromateur ou un spectrographe compact et peu coûteux. Même si ces appareils produisent de la lumière parasite, les méthodes d'étalonnage chimiométrique permettent de la corriger sans influencer les résultats. Cependant, si vous recherchez une résolution, une précision ou une polyvalence élevées, les monochromateurs et spectrographes de grande taille constituent souvent l'achat le plus sûr. C'est pourquoi ils constituent généralement les meilleurs instruments pour la recherche ou les industries de haute technologie.
Table 1 : Spécifications des monochromateurs HORIBA.
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