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光包含多種不同的波長(zhǎng)形式。光譜是復(fù)色光經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后，被色散開(kāi)的單色光按波長(zhǎng)(或頻率)大小而依次排列的圖案。當(dāng)光照射或者穿透物質(zhì)時(shí)，光的性質(zhì)被物質(zhì)的屬性調(diào)制，其反射/透射光的光譜會(huì)展現(xiàn)不同的變化曲線，表現(xiàn)為隨著橫坐標(biāo)波長(zhǎng)的變化，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度也隨之變換。對(duì)于波長(zhǎng)強(qiáng)度信息的獲取與應(yīng)用稱之為光譜技術(shù)，可據(jù)此來(lái)分析該物質(zhì)的化學(xué)/分子組成等，而能夠獲得光譜信息的儀器，即為光譜儀，如今光譜儀已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物、化學(xué)、地質(zhì)、食品安全、色度計(jì)算、環(huán)境檢測(cè)、半導(dǎo)體工業(yè)等行業(yè)。

其中，光纖光譜儀使用光纖作為接受和輸出光信號(hào)的介質(zhì)，更具有靈活性和便攜性，對(duì)樣品環(huán)境要求低、體積小、內(nèi)部元件封閉性更好，極大程度上促進(jìn)了光譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

1   光譜儀基本知識(shí)

光譜儀的基本原理是復(fù)色光通過(guò)狹縫后，準(zhǔn)直入射至光柵上，由于閃耀光柵的色散效應(yīng)，不同顏色的光衍射角不同，將會(huì)彼此分開(kāi)，最后聚焦成像在線陣CCD的不同位置。通過(guò)標(biāo)定，可以通過(guò)獲取對(duì)應(yīng)像素的波長(zhǎng)和強(qiáng)度值，得到光源的譜線信息。

由這些元件決定的光譜儀關(guān)鍵參數(shù)有：

波長(zhǎng)范圍：波長(zhǎng)范圍是光譜儀所能測(cè)量的波長(zhǎng)區(qū)間，光纖光譜儀的探測(cè)區(qū)間在200-2500 nm。通常，使用CCD或CMOS探測(cè)器的光纖光譜儀范圍在200-1100 nm，即包含紫外光、可見(jiàn)光和短波近紅外光。而使用銦鎵砷(InGaAs)探測(cè)器的近紅外光譜儀探測(cè)范圍在1000-2500 nm。光柵的刻線數(shù)及探測(cè)器的類型會(huì)影響波長(zhǎng)范圍，一般來(lái)說(shuō)，寬波長(zhǎng)范圍意味著低光譜分辨率，所以用戶需要在波長(zhǎng)范圍和光譜分辨率兩個(gè)參數(shù)間做權(quán)衡。如果同時(shí)需要寬的波長(zhǎng)范圍和高的波長(zhǎng)分辨率，則需要組合使用多個(gè)光譜儀 (多通道光譜儀)。

光譜分辨率：光譜分辨率描述了光譜儀能夠分辨波長(zhǎng)的能力，是光譜儀的重要指標(biāo)。高光譜分辨率可以獲得更準(zhǔn)確的譜峰位置，并能區(qū)分彼此靠近的譜峰。光譜儀分辨率取決于光柵刻線數(shù)、系統(tǒng)的有效焦長(zhǎng)、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù)。在實(shí)際中，我們通常以光譜儀測(cè)得的單個(gè)譜線的半高寬(FWHM)作為光譜儀的分辨率。

信噪比：光譜儀的信噪比定義為：光譜儀在強(qiáng)光照射下，接近飽和時(shí)的信號(hào)的平均值與信號(hào)偏離平均值的抖動(dòng)(以標(biāo)準(zhǔn)偏差橫向)的比。信噪比(S/N)描述了光譜儀把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力，高的信噪比有助于減小電路自身的噪聲對(duì)結(jié)果的影響。需要注意的是，因?yàn)槎x中沒(méi)有對(duì)光源做任何限制，使用這個(gè)定義所測(cè)量到的信噪比并不能等同于用戶在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所能實(shí)現(xiàn)的信噪比。狹縫的寬度、光柵的性能、探測(cè)器的類型以及電路設(shè)計(jì)都會(huì)影響信噪比。高衍射效率光柵和高量子效率的探測(cè)器都有利于提高光譜儀的信噪比。人為地調(diào)高前置放大電路的放大倍數(shù)(也稱增益)也會(huì)提高名義上的靈敏度，但同時(shí)也放大了噪聲的影響，并不一定有助于實(shí)際的測(cè)量。此外，通過(guò)增加測(cè)量的平均次數(shù)，也可以提高信噪比，它們之間是開(kāi)方的關(guān)系，如平均100次，信噪比提高10倍。

動(dòng)態(tài)范圍：光譜儀輸出的信號(hào)是0到2N-1之間的數(shù)字信號(hào)，其中N是電子設(shè)備上的模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換器中的位數(shù)。N 的典型數(shù)字范圍為10到16.對(duì)應(yīng)最大信號(hào)強(qiáng)度值介于1023到65535計(jì)數(shù)之間。噪聲是信號(hào)圍繞平均值的隨機(jī)變化，由于電子設(shè)備的噪聲，峰值信號(hào)電平將在平均值附近小幅波動(dòng)， 噪聲可以通過(guò)隨時(shí)間波動(dòng)的均方根(RMS)值來(lái)衡量。SNR定義為峰值信號(hào)隨時(shí)間的平均值除以同一時(shí)間內(nèi)峰值信號(hào)的RMS噪聲。為了獲得準(zhǔn)確的SNR結(jié)果，通常需要測(cè)量超過(guò)25-50個(gè)時(shí)間的頻譜樣本。在SNR測(cè)量期間，光譜儀的輸入信號(hào)即光源的穩(wěn)定性非常重要，否則將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。

線性校正度：非線性的具體表現(xiàn)為當(dāng)保持光源強(qiáng)度不變時(shí)，隨著積分時(shí)間的增加，探測(cè)器的響應(yīng)強(qiáng)度與時(shí)間并不全成線性關(guān)系。所有CCD檢測(cè)器對(duì)光的反應(yīng)都會(huì)出現(xiàn)非線性。如果不加以校正，非線性將在計(jì)算歸一化值(吸光度、透射率或輻照度)時(shí)產(chǎn)生誤差。光譜儀中使用的探測(cè)器型號(hào)不同，非線性模式也不同。不同探測(cè)器的非線性程度不同，但探測(cè)器中所有像素的非線性程度相同。由于探測(cè)器中的所有像素都是一樣的。因此，可以測(cè)量線性度并在軟件中修正誤差。

何選擇合適的光纖

用戶在使用光譜儀搭建系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)光譜儀參數(shù)和系統(tǒng)情況選擇合適的光纖，用于接收光信號(hào)并且傳遞到光譜儀的狹縫位置。

在選擇光纖時(shí)，主要考慮三個(gè)參數(shù)：第一是纖芯直徑（芯徑）。芯徑有多種規(guī)格可選，一般有5μm、50μm、105μm、200μm、400μm、600μm等，更粗可以到1mm以上。需要注意的是，增加芯徑雖然可以提高光纖前端接收到的能量，但由于前端狹縫寬度以及后端探測(cè)器感光面高度限制了光譜儀的接收能力，所以芯徑并不是越粗越好。

不同的光纖芯徑

多芯光纖，一端為圓形排列(用于接收)，一端為線形排列(用于耦合到光譜儀)

光纖信號(hào)耦合到狹縫

第二是光纖的工作波段和材料。光纖材料一般有高羥基(High-OH)、低羥基(Low-OH)、抗紫外光纖。不同材料的波長(zhǎng)透過(guò)率不同，一般高羥基光纖用于紫外/可見(jiàn)光波段(UV/VIS)，低羥其用于近紅外(NIR) 波段，紫外波段還要考慮采用特殊的抗紫外光纖，用戶要根據(jù)工作波段來(lái)選擇合適的光纖。

第三是光纖的數(shù)值孔徑（NA）值。由于光纖的發(fā)光原理，光纖端面的出射光被限制在一定的發(fā)散角范圍內(nèi)，這個(gè)角度以NA值來(lái)表征。多模光纖的NA一般有0.1、0.22、0.39、0.5幾種可選，以最為常見(jiàn)0.22NA為例，意味著光纖經(jīng)過(guò)50mm后的光斑直徑約為22mm，100mm后的直徑為44mm。光纖光譜儀廠商在設(shè)計(jì)光譜儀時(shí)也通常考慮盡量匹配光纖的NA值0.22.以保證能量盡可能地接收。另外，光纖的NA值還關(guān)系到——當(dāng)光纖前端有透鏡耦合時(shí)，透鏡的NA值要盡量和光纖的NA值匹配，避免光信號(hào)的損失。

光纖的NA值決定了光纖的光束發(fā)散角

光纖在和透鏡或凹面鏡配合時(shí)，NA值要盡量匹配，避免能量損失

光纖光譜儀的NA值參數(shù)代表了光譜儀可以接收的角度。如果信號(hào)光入射NA(即入射光纖NA)小于或等于光譜儀的NA，表示入射的信號(hào)會(huì)被全利用，如果信號(hào)光入射NA大于光譜儀NA值，表示存在一部分能量損失。鑒知的透射光譜儀系列有較大的數(shù)值孔徑，NA值為0.25.可以全接收0.22NA的多模光纖信號(hào)。

光譜儀的NA值即內(nèi)部凹面反射鏡的NA值

用戶在收集光信號(hào)時(shí)，除了利用光纖傳導(dǎo)以外，還可以采用自由空間光耦合的方法，即利用透鏡將平行光匯聚到光譜儀內(nèi)部。采用自由空間光路時(shí)，透鏡的NA值要和光譜儀的NA值匹配，同時(shí)還要保證光譜儀的狹縫位于透鏡的焦點(diǎn)處，以實(shí)現(xiàn)最大的光通量。

自由空間光路耦合

參數(shù)信息