Figure 1 : Lumière parasite
La lumière parasite et son effet sur le rapport signal/bruit optique (S/B) se répartissent en deux grandes catégories : a) la diffusion aléatoire provenant des miroirs, réseaux, etc., ou b) la lumière parasite directionnelle, telle que les réflexions, les spectres de réinjection, les images fantômes du réseau et la lumière parasite focalisée générée par le réseau.
Il faut d'abord considérer la quantité de lumière disponible à la longueur d'onde principale, puis la comparer aux autres longueurs d'onde qui peuvent être présentes sous forme de diffusion.
Pour déterminer le rapport entre le signal et le bruit, il faut d'abord quantifier chacun des composants.
Flux entrant dans l'instrument (ΦT) :
Ses : Surface de la fente d'entrée = (hw)
S'es : Surface de la fente de sortie = (h'w')
BT : Radiance totale de la lumière entrant dans l'instrument
GA : Surface totale éclairée du réseau
Ensuite, d'après les équations (53), (50) et (51), le flux total entrant dans l'instrument est donné par :
Cependant, il existe de nombreux cas où la taille de l'image de la fente d'entrée est plus grande que celle de la fente de sortie en raison d'aberrations de l'image. Les pertes de lumière de ce type sont des "pertes géométriques" et peuvent être caractérisées par la transmission à travers le système Tg.
Le flux à une longueur d'onde donnée collecté par le détecteur est donné par :
où Tgλ est la transmission géométrique à la longueur d'onde λ.
La luminance de la lumière diffusée au hasard est proportionnelle au flux par unité de surface sur l'optique diffusante. Pour calculer la lumière parasite due à la diffusion aléatoire :
Soit G = l'étendue entre le réseau et l'élément détecteur.
Soit B d = la radiance de la lumière parasite proportionnelle à la densité de flux totale Φ T / GA
C = un facteur qui exprime la qualité de l'optique (y compris le réseau) en fonction de la diffusion aléatoire.
Le flux total diffusé est proportionnel à la radiance de la lumière diffusée, à la surface de la fente d'entrée et à l'angle solide avec lequel la fente de sortie perçoit l'optique illuminée. Le flux aléatoire est donné par Φd = BdG
ensuite,
et le rapport entre le flux à la longueur d'onde d'intérêt Φu et le flux aléatoire Φd est :
L'optimisation nécessite deux choses : la maximisation de (Φu / Φd) et l'élimination des réflexions parasites. En prenant les termes de l'équation (63) à tour de rôle :
C : Obtenir des optiques de la plus haute qualité, y compris un réseau holographique s'il est disponible.
Eλ : Veiller à ce que le réseau soit optimisé pour être le plus efficace possible aux longueurs d'onde souhaitées.
L2A / (hw) : Malheureusement, ces paramètres ne sont pas totalement libres en raison des exigences en matière de dispersion et de bande passante.
Tgλ : L'astigmatisme est la principale cause d'agrandissement de l'image perpendiculairement à la dispersion. S'il est présent, la hauteur de la fente de sortie doit être agrandie pour collecter toute la lumière disponible, ce qui entraîne une perte du rapport signal/bruit optique. Les nouveaux réseaux plans correcteurs d'aberration utilisés dans certains spectromètres CZ améliorent le rapport signal/bruit en réduisant considérablement l'astigmatisme.
Bλ / BT : Ce terme est le rapport entre la luminosité à la longueur d'onde d'intérêt λ et la luminosité totale de la source ; il ne s'agit généralement pas d'une fonction accessible à l'utilisateur.
Il s'agit d'un exercice de compromis. Prenons l'exemple d'un chercheur qui possède un monochromateur d'une longueur focale de 500 mm et qui n'est pas satisfait du rapport signal/bruit. L'équation (64) suggère que l'amélioration du rapport signal/bruit peut être obtenue en utilisant un instrument de plus grande longueur focale ; il se trouve qu'un spectromètre de 1000 mm est disponible. En supposant que l'exigence de bande passante soit constante pour les deux expériences, que la densité des sillons, l'optimisation des longueurs d'onde et la taille du réseau soient identiques, le débit est réduit de moitié (d'après l'équation (52)). Toutes choses étant égales par ailleurs, l'étendue sera proportionnelle au rapport de la longueur focale.
Le rapport S/B optique serait amélioré d'un facteur 2. Si l'on se réfère à l'équation (64), le rapport des carrés des distances focales donne un facteur 4 et, en supposant que les hauteurs des fentes restent les mêmes, les largeurs des fentes dans le système à 1000 mm de distance focale produiraient le double de la surface du système à 500 mm, ce qui entraînerait une perte d'un facteur 2. La question à résoudre est de savoir si le gain d'un facteur 2 dans le rapport S/B vaut la perte de la moitié du débit. Dans cet exemple, il peut également y avoir une réduction de la valeur de Tg, l'astigmatisme étant proportionnel à l'ouverture numérique (qui, dans ce cas, serait le double de celle du système de 500 mm).
Il convient également de vérifier la disponibilité d'un détecteur plus sensible. Il est parfois possible d'obtenir des détecteurs plus petits et plus sensibles que les plus grands. Dans ce cas, la perte totale de débit peut être moins importante.
Si l'optique est trop remplie, on peut s'attendre à une combinaison de réflexions parasites sur les supports de miroirs, les têtes de vis, la fluorescence des pièces moulées anodisées, etc. La solution est simple : optimiser l'étendue du système avec des optiques d'entrée bien conçues et utiliser des lentilles de champ pour conjuguer les diaphragmes (pupilles). Pour ce faire, on projette une image du diaphragme de l'optique d'entrée sur le diaphragme du spectromètre (généralement le réseau) par l'intermédiaire d'une lentille "de champ" placée au niveau de la fente d'entrée, puis on projette l'image du réseau sur le diaphragme de l'optique de sortie à l'aide d'une lentille de champ placée au niveau de la fente de sortie.
Figure 2 : Lumière réentrante dans un monochromateur
Dans certaines configurations de monochromateurs CZ (en particulier les réseaux à faible densité de rainures utilisés dans le VIS ou l'UV), une longueur d'onde diffractée autre que celle sur laquelle l'instrument est réglé peut retourner au miroir de collimation et être réfléchie sur le réseau où elle peut être rediffractée et trouver son chemin jusqu'à la fente de sortie. Si ce problème est grave, une bonne solution consiste à placer un masque perpendiculaire aux rainures au centre du réseau. Le masque doit être de la même hauteur que les fentes. Si la longueur d'onde précise est connue, il est possible de calculer le point d'impact exact sur le réseau que la longueur d'onde réfléchie atteint. Dans ce cas, il suffit de masquer ce point.
Un exemple plus courant de ce problème se retrouve dans de nombreux spectromètres (quel que soit le type) lorsqu'un réseau linéaire ou matriciel est utilisé comme détecteur. Les réflexions vers le réseau peuvent être importantes. La solution consiste à incliner le réseau jusqu'au point où la résolution commence à se dégrader ou, si le système est conçu pour la première fois, à travailler hors du plan.
Les réseaux gravés de manière classique présentent des images fantômes (ghosts) et de la lumière parasite focalisée dans le plan de dispersion. Par conséquent, il n’existe pas d’autre solution que d’utiliser un réseau différent offrant de meilleures performances optiques. L’une des meilleures solutions consiste à employer un réseau holographique blazé gravé par faisceau d’ions, qui offre une bonne efficacité à la longueur d’onde d’intérêt et ne génère aucune image fantôme. Toute lumière parasite résiduelle est diffusée de manière aléatoire et n’est pas focalisée.
Cette section examine les effets des dimensions des fentes sur le rapport S/B pour un continuum ou une source de lumière monochromatique dans un monochromateur simple ou double. On suppose que les dimensions des fentes d'entrée et de sortie sont adaptées.
Observation : Le rapport S/B ne varie PAS en fonction de la largeur de la fente.
Explication : D'après l'équation (52), le débit du signal augmente comme le carré de la largeur de la fente (la largeur de la fente détermine l'étendue de l'entrée et la bande passante). La source lumineuse étant un continuum, l'augmentation du signal varie directement en fonction de la bande passante et de l'étendue.
Le "signal de bruit" varie également en fonction du carré de la largeur des fentes, comme le montre l'équation (63). Par conséquent, le signal et le bruit varient dans le même rapport.
Observation : Le rapport S/B varie inversement à la hauteur de la fente.
Explication : Le débit du signal varie linéairement avec la hauteur de la fente (d'après l'équation (52)).
Le bruit varie cependant comme le carré de la hauteur de la fente (d'après l'équation (63)). Par conséquent, le rapport S/B varie inversement à la hauteur de la fente.
Observation : Le rapport S/B varie inversement à la largeur de la fente.
Explication : Le débit du signal varie directement avec la largeur de la fente (même si la bande passante augmente, seule l'étendue régit le nombre de photons disponibles).
Le "bruit" est proportionnel au carré de la largeur de la fente. Par conséquent, le rapport S/B est inversement proportionnel à la largeur de la fente.
Observation : Le rapport S/B varie inversement à la hauteur de la fente.
Explication : Le débit du signal varie linéairement avec la hauteur de la fente. Le bruit varie comme le carré de la hauteur de la fente. Par conséquent, le rapport S/B varie inversement à la hauteur de la fente.
Observation : Le rapport S/B varie inversement à la largeur de la fente.
Explication : Le rapport S/B à la sortie du premier monochromateur ne varie pas en fonction de la largeur de la fente. Cependant, la lumière qui éclaire maintenant l'optique du second monochromateur est approximativement monochromatique et le rapport S/B varie maintenant inversement à la largeur de la fente dans le second monochromateur.
Observation : Le rapport S/B varie comme l'inverse du carré de la hauteur de la fente.
Explication : Le rapport S/B varie linéairement avec la hauteur de la fente à la sortie du premier monochromateur. Le second monochromateur qui observe la lumière "monochromatique" modifie également le rapport S/B en fonction inverse de la hauteur de la fente. Par conséquent, la variation totale du rapport S/B à la sortie du second monochromateur est égale au carré de la hauteur de la fente.
Observation : Le rapport S/B varie avec l'inverse du carré de la largeur de la fente.
Explication : À la sortie du premier monochromateur, le rapport S/B varie inversement à la largeur de la fente. Le second monochromateur, également éclairé par une lumière monochromatique, modifie à nouveau le rapport S/N en fonction de la largeur de la fente. Par conséquent, la variation totale du rapport S/B est proportionnelle à l'inverse du carré de la largeur de la fente.
Observation : Le rapport S/B varie avec l'inverse du carré de la hauteur de la fente.
Explication : Chacun des deux monochromateurs fait varier le rapport S/B inversement à la hauteur de la fente, de sorte que la variation totale du rapport S/B est égale à l'inverse du carré de la hauteur de la fente.
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