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光纤光谱仪的介绍
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发布时间:2014-05-17 23:41:11 阅读:13253

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。

 

广州标旗电子科技有限公司是海洋光学光纤光谱仪全国总代理,精通光纤光谱仪的拉曼,近红外等应用,咨询电话(020)38319602 38319620 38319595


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(Wd)密切相关。其计算公式为:DL = Wd × 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) 
× (Ws/Wd)> × 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。 Ws为狭缝宽度,Wd为检测器宽度,RF为分辨率因子,由WsWd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。
: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InGaAsPbS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。

 
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