光谱仪重要参数定义

光谱仪重要参数定义

◆CCD

电荷耦合器件（Charger Coupled Device，缩写为CCD ），硅基光敏元件的响应范围在短波近红外区域。

◆PDA

二极管阵列（Photodiode Array，缩写为PDA）.光电二极管阵列是由多个二极管单元（象素）组成的阵列，单元数可以是102，256或1024。当信号光照射到光电二极管上时，光信号就会转换成电信号。大部分光电二极管阵列都包括读出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。光电二极管的优点是在近红外灵敏度高，响应速度快；缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。

◆薄型背照式

薄型背照式电荷耦合器件（BT—CCD，Back Thinned Charge Coupled Device)，采用了特殊的制造工艺和特殊的锁相技术。首先，与一般CCD相比，硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下；其次，它采用背照射结构，因此紫外光不必再穿越钝化层。因此，不仅具有固体摄像器件的一般优点，而且具有噪声低，灵敏度高、动态范围大的优点。

BTCCD有很高的紫外光灵敏度，它在紫外波段的量子效率可以看到，在紫外波段，量子效率超过40％，可见光部分超过80％，甚至可以达到90％左右。可见，BTCCD不仅可工作于紫外光，也可工作于可见光，是一种很优秀的宽波段检测器件。

◆狭缝

光源入口。狭缝面积影响通过的光强度。狭缝宽度影响光学分辨率。

◆暗电流

未打开光谱仪激发光源时，感光器件接收到的光电信号。主要影响因素有温度，电子辐射等。

◆分辨率

光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。要把两个光谱线分开至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。光栅决定了波长在探测器上可分开的程度（色散），这对于分辨率来说是一个非常重要的变量。另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤芯径（当没有安装狭缝时）。狭缝的尺寸有：10，25或50μm×1000μm（高）或100，200或500μm×2000μm（高）。在指定波长处，狭缝成象到探测器阵列上时会覆盖几个象元。而如果要分开两条光谱线，就必须把它们色散到这个象尺寸加上一个象元。当入射光纤的芯径大于狭缝的宽度时，分辨率就要由狭缝的宽度（有效宽度）来决定。

光谱仪分辨率可近似如下度量：R∝M·F/W

其中M为光栅线数,F为谱仪焦距, W为狭缝宽度。

◆色散

光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到：沿光谱仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化，即：Δλ/Δχ=dcosβ/mF

这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，m为衍射级次。由方程可见，倒线色散不是常数，它随波长变化。在所用波长范围内，变化可能超过2倍。

◆光栅和闪耀波长

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。

光栅主要参数：

1. 闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。

2. 光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。

3. 光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

闪耀光栅

非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，大部分能量集中在没有被色散的“零级光谱”中，小部分能量分散在其它各级光谱。零级光谱不起分光作用，不能用于光谱分析。而色散越来越大的一级、二级光谱，强度却越来越小。

为了降低零级光谱的强度，将辐射能集中于所要求的波长范围，近代的光栅采用定向闪耀的办法。即将光栅刻痕刻成一定的形状，使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度，使衍射光强主最大从原来与不分光的零级主最大重合的方向，转移至由刻痕形状决定的反射方向。结果使反射光方向光谱变强，这种现象称为闪耀。辐射能量最大的波长称为闪耀波长。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角，称为闪耀角。每一个小反射面与光栅平面的夹角b保持一定，以控制每一小反射面对光的反射方向，使光能集中在所需要的一级光谱上，这种光栅称为闪耀光栅。

◆带宽

带宽是不考虑光学像差、衍射、狭缝高度、扫描方法、检测器像素宽度等因素，在给定波长从光谱仪输出的波长宽度。它是倒线色散和狭缝宽度的乘积。

◆波长精度、重复性和准确度

波长精度是光谱仪确定波长的刻度等级，单位为nm。通常，波长精度随波长变化。

波长重复性是光谱仪返回原波长的能力。这体现了波长驱动机械和整个仪器的稳定性。

波长准确度是光谱仪设定波长与实际波长的差值。

◆F/#

F/#定义为光谱仪准直凹面反射镜的直径与焦距的比值。光通过效率与F/#的平方成反比，F/#愈小，光通过率愈高。

光谱仪各项性能指标

光谱学测量的基础是测量光辐射与波长的对应关系。一般来说，光谱学测量的直接结果是由很多个离散的点构成曲线，每个点的横坐标（X轴）是波长，纵坐标（Y轴）是在这个波长处的强度。因此，一个光谱仪的性能，可以粗略地分为下面几个大类：

1. 波长范围（在X轴上的可以测量的范围）；

2. 波长分辨率（在X轴上可以分辨到什么程度的信号变化）；

3. 噪声等效功率和动态范围（在Y轴上可以测量的范围）；

4. 灵敏度与信噪比（在Y轴上可以分辨到什么程度的信号变化）；

5. 杂散光与稳定性（信号的测量是否可靠？是否可重现）；

6. 采样速度和时序精度（一秒钟可以采集多少个完整的光谱？采集光谱的时刻是否精确？）

如果用户对这些性能指标有任何问题，请咨询Avantes公司的产品工程师。

1. 波长范围

波长范围是光谱仪所能测量的波长区间。最常见的光纤光谱仪的波长范围是200-1100nm，也就是可以探测紫外光、可见光和短波近红外光，可以扩展至200-2500nm，覆盖整个紫外-可见-近红外波段。光栅及探测器的类型会影响波长范围。一般来说，宽的波长范围意味着低的光谱分辨率，所以用户需要在波长范围和光谱分辨率两个参数间做权衡。如果同时需要宽的波长范围和高的波长分辨率，则需要组合使用多个光谱仪通道（多通道光谱仪）。

2. 光谱分辨率

顾名思义，光谱分辨率描述了光谱仪能够分辨波长的能力，最常用的光谱仪的波长分辨率大约为1nm（FWHM值），即可以区分间隔1nm的两条谱线。Avantes公司可以提供的最高光谱分辨率为0.04nm。光谱分辨率与光谱采样间隔（数据在x坐标上的间隔）是两个不同概念。一般来说，高的光谱分辨率意味着窄的波长范围，所以用户需要在波长范围和光谱分辨率两个参数间做权衡。如果同时需要宽的波长范围和高的光谱分辨率，则需要组合使用多个光谱仪通道（多通道光谱仪）。

3. 噪声等效功率和动态范围

当信号的强度值与噪声的强度值相当时，从噪声中分辨信号就会非常困难。一般用与噪声相当的信号的值（光谱辐照度或光谱辐亮度）来表征能一个光谱仪所能够测量的最弱的光强(Y 轴的最小值)。噪声等效功率越小，光谱仪就可以测量更弱的信号。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型等参数都会影响噪声等效功率。因为这些参数也会影响波长范围和波长分辨率，用户需要在这些指标间做出取舍。对探测器制冷（Avantes公司的制冷型光谱仪）有助于减小探测