光纖光譜儀的工作原理及配置選擇考慮

在上世紀(jì)九十年代以來，微電子領(lǐng)域中的多象元光學(xué)探測器(例如CCD，光電二極管陣列)制造技術(shù)迅猛發(fā)展，使生產(chǎn)低成本掃描儀和CCD相機成為可能。我司的光譜儀使用了同樣的CCD(CCD光譜儀)和光電二極管陣列探測器，可以對整個光譜進行快速掃描，不需要轉(zhuǎn)動光柵。由于光纖的方便性，用戶可以非常靈活的搭建光譜采集系統(tǒng)。

光纖光譜儀的優(yōu)勢在于測量系統(tǒng)的模塊化和靈活性。微型光纖光譜儀的測量速度非?？?，可以用于在線分析。而且由于采用了低成本的通用探測器，降低了光譜儀的成本，從而也降低了整個測量系統(tǒng)的造價。

光纖光譜儀的工作原理是怎樣的呢?

用比較簡單的表述就是，將被測光耦合到光譜儀中進行光譜分析，因為光纖的便利性，使用儀器的用戶可以非常靈活的搭建光譜采集系統(tǒng)，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的模塊化和靈活性。

光纖光譜儀基本配置包括一個光柵，一個狹縫，和一個探測器。這些部件的參數(shù)在選購光譜儀時必須詳細(xì)說明。光譜儀的性能取決于這些部件的精確組合與校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后光纖光譜儀，原則上這些配件都不能有任何的變動。

那我們?nèi)绾芜x擇合適的光纖光譜儀配置呢？

光纖光譜儀光柵

光柵的選擇取決于光譜范圍以及分辨率的要求。對于光纖光譜儀而言，光譜范圍通常在200nm-2500nm之間。由于要求比較高的分辨率就很難得到較寬的光譜范圍;同時分辨率要求越高，其光通量就會偏少。對于較低分辨率和較寬光譜范圍的要求，300線/mm的光柵是通常的選擇。如果要求比較高的光譜分辨率，可以通過選擇3600線/mm的光柵，或者選擇更多像素分辨率的探測器來實現(xiàn)。

光纖光譜儀狹縫

較窄的狹縫可以提高分辨率，但光通量較小;另一方面，較寬的狹縫可以增加靈敏度，但會損失掉分辨率。在不同的應(yīng)用要求中，選擇合適的狹縫寬度以便優(yōu)化整個試驗結(jié)果。

光纖光譜儀探測器

探測器在某些方面決定了光纖光譜儀的分辨率和靈敏度，探測器上的光敏感區(qū)原則上是有限的，它被劃分為許多小像素用于高分辨率或劃分為較少但較大的像素用于高敏感度。通常背感光的CCD探測器靈敏度要更好一些，因此可以某個程度在不靈敏度的情況下獲得更好的分辨率。

光纖光譜儀濾光片

由于光譜本身的多級衍射影響，采用濾光片可以降低多級衍射的干擾。和常規(guī)光譜儀不同的是，光纖光譜儀是在探測器上鍍膜實現(xiàn)，此部分功能在出廠時需要安裝就位。同時此鍍膜還具有抗反射的功能，提高系統(tǒng)的信噪比。光譜儀的性能主要是由光譜范圍、光學(xué)分辨率和靈敏度來決定。對以上其中一項參數(shù)的變動通常將影響其它的參數(shù)的性能。光譜儀主要的挑戰(zhàn)不是在制造時使所有的參數(shù)指標(biāo)達(dá)到最高，而是使光譜儀的技術(shù)指標(biāo)在這個三維空間選擇上滿足針對不同應(yīng)用的性能需求。這一策略使光譜儀能夠滿足客戶以最小的投資獲取最大的回報。這個立方體的大小取決于光譜儀所需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，其大小與光譜儀的復(fù)雜程度以及光譜儀產(chǎn)品的價格相關(guān)。光譜儀產(chǎn)品應(yīng)該完全符合客戶所要求的技術(shù)參數(shù)。

光纖光譜儀光譜范圍

光譜范圍較小的光譜儀通常能給出詳細(xì)的光譜信息，相反大范圍光譜范圍有更寬的視覺范圍。因此光譜儀的光譜范圍是必須明確指定重要的參數(shù)之一。影響光譜范圍的因素主要是光柵和探測器，根據(jù)不同的要求來選擇相應(yīng)的光柵和探測器。

光纖光譜儀靈敏度

說起靈敏度，重要的是要區(qū)分開光度學(xué)中的靈敏度(光譜儀所能探測到的最小信號強度)還是化學(xué)計量學(xué)中的靈敏度(光譜儀能夠測量到的最小吸收率差)。

a.光度靈敏度

對于如熒光等需要高靈敏度光譜儀的應(yīng)用，我們建議選擇采用冷型光纖光譜儀，而且還要選擇探測器聚光透鏡、金反射鏡、較寬的狹縫(100μm或者更寬)，該型號可以采用長積分時間(從7毫秒到15分鐘)來提高信號強度，并可以降低噪聲和提高動態(tài)范圍。

b.化學(xué)計量靈敏度

為了能探測出兩個幅值很接近的吸收率數(shù)值，不但要求探測器的靈敏度高，還要求信噪比高。信噪比最高的探測器是冷型光纖光譜儀中的熱電制冷型1024像素二維面陣CCD探測器，信噪比是1000：1。而通過多幅光譜圖平均也可以提高信噪比，平均次數(shù)的增加，會導(dǎo)致信噪比以平方根的速度提高，比如，100次平均可以10倍提高信噪比，達(dá)到10000：1了。

光纖光譜儀分辨率

光學(xué)分辨率是衡量分光能力的重要參數(shù)。如果您需要很高的光學(xué)分辨率，我們建議您選擇1200線/毫米或者更高線對數(shù)的光柵，同時選擇窄狹縫和2048或3648像素的CCD探測器。

光纖光譜儀的運用還是很廣泛的:

如農(nóng)業(yè)、天文、汽車、生物、化學(xué)、鍍膜、色度計量、環(huán)境檢測、薄膜工業(yè)、食品、 寶石 檢測、LED檢測、印刷、造紙、喇曼光譜、半導(dǎo)體工業(yè)等。是“顏色測量”、“化學(xué)成分濃度測量”、“輻射度學(xué)分析”的重要工具。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。