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)、光电二极管阵列就是由多个二极管单元(象素)组成的阵列,单元数可以就是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。光电二极管的优点就是在近红外灵敏度高,响应速度快;缺点就是象元数较少、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
艺与特殊的锁相技术。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瞧到,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,就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),这对于分辨率来说就是一个非常重要的变量。另一个重要参数就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分别就是光栅刻槽的间距、衍射角与系统的有效焦距,m为衍射级次。由方程可见,倒线色散不就是常数,它随波长变化。在所用波长范围内,变化可能超过2倍。
◆光栅与闪耀波长
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。刻划光栅就是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成;复制光栅就是用母光栅复制而成。典型刻划光栅与复制光栅的刻槽就是三角形。全息光栅就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,光栅效率就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
带宽就是不考虑光学像差、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。它就是倒线色散与狭缝宽度的乘积。
◆波长精度、重复性与准确度
波长精度就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。
波长重复性就是光谱仪返回原波长的能力。这体现了波长驱动机械与整个仪器的稳定性。
波长准确度就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
光谱学测量的基础就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就是由很多个离散的点构成曲线,每个点的横坐标(X轴)就是波长,纵坐标(Y轴)就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、噪声等效功率与动态范围(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(信号的测量就是否可靠？就是否可重现);
6、采样速度与时序精度(一秒钟可以采集多少个完整的光谱？采集光谱的时刻就是否精确？) 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
波长范围就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就是
200-1100nm,也就就是可以探测紫外光、可见光与短波近红外光,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与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与高的波长分辨率,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)就是两个不同概念。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与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与高的光谱分辨率,则需要组合使用多个光谱仪通道(多通道光谱仪)。
3、噪声等效功率与动态范围
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与波长分辨率,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)有助于减小探测器的热噪声,提高探测器检测弱光的能力。
动态范围描述一个光谱仪所能够测量到的最强的信号与最弱的信号的比值。最强的信号为光谱仪在信号不饱与情况下,测量到的最大值;最弱的信号用上述的噪声等效功率衡量。动态范围主要受制于探测器。动态范围就是影响测量方便性的一个比较关键的指标。目前,光纤光谱仪都就是通过调整积分时间的方式等效地扩大动态范围,因此,动态范围一般不会对用户的测量带来
困扰。
4、灵敏度与信噪比(S/N)
灵敏度描述了光谱仪把光信号转换为电信号的能力,高的灵敏度有助于减小电路自身的噪
声对结果的影响。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型以及电路板的性能都会影响灵敏度。衍射效率高的光栅与量子效率高的探测器都有利于提高光谱仪的灵敏度。人为地调高前置放大电路的放大倍数(也称增益)也会提高名义上的灵敏度,但同时也放大了噪声的影响,并不一定有助于实际的测量。宽的狭缝会改善灵敏度,但也会降低分辨率,因此,需要用户综合考虑与权衡。
光谱仪的信噪比定义为:光谱仪在强光照射下,接近饱与时的信号的平均值与信号偏离平均
值的抖动(以标准偏差横向)的比。需要注意的就是,因为定义中没有对光源做任何限制,使用这个定义所测量到的信噪比并不能等同于用户在实际实验中所能实现的信噪比。光谱仪的信噪比主要受制于探测器。此外,通过增加测量的平均次数,也可以提高信噪比,它们之间就是开方的关系,如平均100次,信噪比提高10倍。
5、干扰与稳定性
实际光谱仪与理想光谱仪的重要区别之一就是其内部存在杂散光等干扰。杂散光会影响信号的准确性,并对测量弱信号带来麻烦。超低杂散光平台(ULS)能够降低光路中的杂散光3-5倍。
光谱仪的光路与探测器都不可避免地随着环境而变化,例如,环境温度的变化会导致光谱仪
波长(X轴)的漂移。对光路与探测器做特殊处理能够增强光谱仪的长期稳定性。然而,这些特殊处理会增加光谱仪的硬件成本。
6、采样速度与时序精度
Avantes公司的标准光谱仪可以在一秒钟内采集约900幅完整的光谱。当需要研究在更短时间内的光谱变化时,更快速的光谱仪可以在一秒钟内采集高达8000幅光谱。然而,这些光谱仪往往在光谱分辨率等指标上不能与标准光谱仪媲美,用户也需综合考虑各项指标。
光谱仪必须具备好的时序性能方能捕捉到很短的脉冲信号。不同类型的光谱仪的时序精度差别很大,性能好的可以到纳秒量级的时间精度,而性能差的只能到毫秒量级的时间精度。