光纤光谱仪的介绍

什么是光纤光谱仪光谱仪是一种用于检测电磁谱中特定区域的光特性的仪器。它收集光，然后将其进行光谱色散，最后将光信号重构像为一系列的单色影像，从而对其进行检测。如下图所示，一个典型的光纤光谱仪包括以下几个主要部分： 1.入射狭缝: 将入射的光学信号构建成一个明确的物像; 2.准直部分: 使光学信号的光线平行。该准直器可以为透镜、反射镜、或色散元件的部分功能，如在凹面光栅光谱仪中的凹面光栅的部分功能; 3.色散部分: 通常采用光栅，将平行光在空间上进行色散; 4.聚焦部分: 收集色散的光学信号，使得大部分入射狭缝的单色影像聚焦于焦平面; 5.阵列检测器: 放置于焦平面，从而检测大部分单色影像的光强度。该检测器可以是CCD阵列或其它的光检测阵列。如何评价光谱仪性能? 一个光谱仪的性能可以用以下六个参数来体现： 1. 光谱覆盖范围: 光信号能被光谱仪检测到的波长范围 2. 光谱分辨率: 能被光谱仪分辨开的最小的波长差值。 3. 灵敏度: 能被光谱仪检测到的最小的光能量 4. 动态范围: 可被光谱仪测量到的最大与最小光能量的比值 5. 信噪比: 光谱仪的信号能量水平与噪声水平的比值 6.光谱获取速度: 在一定的入射光能量水平下，光谱仪产生可测量到的信号并获得谱图所需的时间对于光纤光谱仪来说，这六个参数是密切相关，互相影响的光谱覆盖范围光谱覆盖范围(DeltaLambda,DL)与光谱仪的有效焦距、衍射光栅的刻线数(groove/mm,g)、检测器的宽度(W_d)密切相关。其计算公式为：DL = W_d× 10⁶× cos(B)/(k×g×F), 其中k是衍射光栅的衍射级数, B是衍射光栅的衍射角，F为光谱仪聚焦部分的焦距。从公式可以看出，光谱仪的光谱覆盖范围与光谱仪的有效焦距和光栅刻线数(groove/mm, g)成反比，与光谱仪检测器的长度成正比。另外，光谱覆盖范围的中心波长的选择对光谱覆盖范围也有一定的影响。光谱分辨率阵列光谱仪的光谱分辨率与光谱仪的光谱覆盖范围、狭缝宽度、检测器的像元宽度及像元数密切相关。其计算公式为: R= (DL/n) × (W_s/W_d)> × RF 其中DL为光谱覆盖范围，n为检测器像元数， DL/n 表示了每个像素点所接收的波长范围，因此常称为像素分辨率。 W_s为狭缝宽度，W_d为检测器宽度，RF为分辨率因子，由W_s与W_d的比值决定。灵敏度光谱仪的灵敏度取决于光谱仪的光通量与检测器的光感应灵敏度。光谱仪的光通量大小可通过光谱仪的f#来体现，f#越大，其光通量越小，f#越小，其光通量越大。另外光通量与光谱仪的狭缝成正比，狭缝越大，光通量越大，狭缝越小，光通量越小。而检测器的光感应灵敏度与其材料特性和电子结构相关。注：有些非科学级器件相对科学级器件来说，其量子阱更浅，这使得它与量阱更深的科学级器件相比，能在更短的时间内达到饱和，从而使人们误以为其具有更好的灵敏度。动态范围检测器阵列的动态范围常常用来作为衡量光谱仪性能规格的参考。一般来说，检测器的动态范围越大，其所检测的光强度范围越大，光谱仪的信噪比与稳定性也就相对更好。注:不同的器件制造厂家具有对动态范围具有不同的定义。对于非科学级浅量阱的器件来说，常常使用饱和信号与暗噪声信号的比值来定义。对于科学级器件来说，则常常采用量阱深度与读出噪声的比值来定义。比值越大，动态范围越高，因此光谱仪性能也就越好。信噪比信噪比是测得的信号与叠加在信号上的噪声的比值。信噪比与光谱仪的检测器性能、电路噪声和光路杂散光相关。对于实际应用来说，光谱仪的信噪比越高，其测量值的偏差就越小。而且测量的检测限也与信噪比直接相关。一般来说，测量的检测限就定义为在信噪比为3时可成功测量到的信号水平。光谱获取速度光谱获取速度与光谱仪的灵敏度、光谱仪的读出速度及PC接口速度成正比。光谱仪的读出速度主要与光谱仪内置A/D转换器相关，而PC接口速度是限制光谱获取速度的一个重要因素，一般来说，采用USB2.0接口最快可达到100张谱图/秒的获取速度，而RS232接口最多只能达到2张谱图/秒的速度(以上速度是基于最短积分时间的基础上) 光纤光谱仪三大核心部分一般来说，光纤光谱仪主要有三大核心部分，决定了光谱仪的主要性能指标: 1.入射狭缝 2.衍射光栅 3.检测器入射狭缝狭缝直接影响光谱仪的分辨率和光通量。光谱仪的检测器最终检测到的是狭缝投射到检测器上的像，因此狭缝的大小直接影响到光谱仪的分辨率，狭缝越小，分辨率越高，狭缝越大，分辨率越低；另外狭缝是光进入光谱仪的门户，其大小也直接影响到光谱仪的光通量。狭缝越大，光通量越大，狭缝越小，光通量越小。目前提供10um, 25um, 50um, 100um, 200um等标准狭缝，同时也提供狭缝定制服务衍射光栅衍射光栅将从狭缝入射的光在空间上进行色散，使其光强度成为波长的函数。它是光谱仪进行分光检测的基础，是光谱仪的核心部分。对于一个给定的光学平台和阵列式检测器，我们可以通过选择不同的衍射光栅来对光谱仪的光谱覆盖范围，光谱分辨率和杂散光水平进行额外的控制。广州标旗电子提供多种衍射光栅供客户选用。检测器检测器是光谱仪的最核心部分，直接决定了光谱仪的光谱覆盖范围、灵敏度、分辨率及信噪比等指标。一般来说，检测器的材料决定了其光谱覆盖范围，硅基检测器其波长覆盖范围一般为190-1100nm，而InGaAs和PbS检测器覆盖900-2900nm的波长范围。而检测器的工作原理、制造方法及掺杂材料决定了其灵敏度、覆盖范围和信噪比等指标。广州标旗电子可提供前照式CCD阵列、背照薄型CCD阵列、光电二极管阵列(PDA)、InGaAs阵列等检测器以满足不同的检测需要。

光纤光谱仪的介绍