光譜儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)

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光譜學(xué)測量的基礎(chǔ)是測量光輻射與波長的對應(yīng)關(guān)系。一般來說，光譜學(xué)測量的直接結(jié)果是由很多個(gè)離散的點(diǎn)構(gòu)成曲線，每個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)（X軸）是波長，縱坐標(biāo)（Y軸）是在這個(gè)波長處的強(qiáng)度。因此，一個(gè)光譜儀的性能，可以粗略地分為下面幾個(gè)大類：

1. 波長范圍（在X軸上的可以測量的范圍）；

2. 波長分辨率（在X軸上可以分辨到什么程度的信號變化）；

3. 噪聲等效功率和動(dòng)態(tài)范圍（在Y軸上可以測量的范圍）；

4. 靈敏度與信噪比（在Y軸上可以分辨到什么程度的信號變化）；

5. 雜散光與穩(wěn)定性（信號的測量是否可靠？是否可重現(xiàn)）；

6. 采樣速度和時(shí)序精度（一秒鐘可以采集多少個(gè)完整的光譜？采集光譜的時(shí)刻是否？）

1. 波長范圍

波長范圍是光譜儀所能測量的波長區(qū)間。常見的光纖光譜儀的波長范圍是400nm-1100nm，也就是可以探測可見光和一部分近紅外的光。使用新型探測器可以使這個(gè)范圍拓展至200nm-2500nm，即覆蓋紫外、可見和近紅外波段。光柵的類型以及探測器的類型會(huì)影響波長范圍。一般來說，寬的波長范圍意味著低的波長分辨率，所以用戶需要在波長范圍和波長分辨率兩個(gè)參數(shù)間做權(quán)衡。如果同時(shí)需要寬的波長范圍和高的波長分辨率，則需要組合使用多個(gè)光譜儀通道（多通道光譜儀）。

2. 波長分辨率

顧名思義，波長分辨率描述了光譜儀能夠分辨波長的能力，常用的光譜儀的波長分辨率大約為1nm，即可以區(qū)分間隔1nm的兩條譜線。Avantes公司可以提供的高的波長分辨率為0.025nm。波長分辨率與波長的取樣間隔（數(shù)據(jù)的x坐標(biāo) 的間隔）是兩個(gè)不同概念。一般來說，高的波長分辨率意味著窄額度波長范圍，所以用戶需要在波長范圍和波長分辨率兩個(gè)參數(shù)間做權(quán)衡。如果同時(shí)需要寬的波長范圍和高的波長分辨率，則需要組合使用多個(gè)光譜儀通道（多通道光譜儀）。

3. 噪聲等效功率和動(dòng)態(tài)范圍

當(dāng)信號的值與噪聲的值相當(dāng)時(shí)，從噪聲中分辨信號就會(huì)非常困難。一般用與噪聲相當(dāng)?shù)男盘柕闹担ü庾V輻照度或光譜輻亮度）來表征能一個(gè)光譜儀所能夠測量的弱的光強(qiáng)(Y軸的小值)。噪聲等效功率越小，光譜儀就可以測量更弱的信號。狹縫的寬度、光柵的類型、探測器的類型等等參數(shù)都會(huì)影響噪聲等效功率。因?yàn)檫@些參數(shù)也會(huì)影響波長范圍和波長分辨率，用戶需要在這些指標(biāo)間做出取舍。對探測器制冷（Avantes公司的制冷型光譜儀）有助于減小探測器的熱噪音，優(yōu)化探測器檢測弱光的能力。

動(dòng)態(tài)范圍描述一個(gè)光譜儀所能夠測量到的強(qiáng)的信號與弱的信號的比值。強(qiáng)的信號為光譜儀在信號不飽和情況下，所能測量的大信號值，弱的信號用上述的噪聲等效功率衡量。動(dòng)態(tài)范圍主要受制于探測器的類型。傳統(tǒng)上，動(dòng)態(tài)范圍是影響測量方便性的一個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo)，但目前大部分光纖光譜儀都可以通過調(diào)整積分時(shí)間的方式等效地?cái)U(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，因此，動(dòng)態(tài)范圍一般不會(huì)對用戶的測量帶來困擾。

4. 靈敏度與信噪比

靈敏度描述了光譜儀把光信號變成電子學(xué)信號的能力，高的靈敏度有助于減小電路本身的噪聲對結(jié)果影響。狹縫的寬度、光柵的類型、探測器的類型以及電路的參數(shù)都會(huì)影響靈敏度。衍射效率高的光柵和量子效率高的探測器都有利于提高光譜儀的靈敏度。人為地調(diào)高前置放大電路的放大倍數(shù)也會(huì)提高名義上的靈敏度，但并不一定有助于實(shí)際的測量。寬的狹縫會(huì)改善靈敏度，但也會(huì)降低分辨率，因此，需要用戶綜合考慮和權(quán)衡。

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)的信號的平均值與信號偏離平均值的抖動(dòng)值（以標(biāo)準(zhǔn)偏差橫向）的比。需要注意的是，因?yàn)槎x中沒有對光源做任何限制，使用這個(gè)定義所測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。光譜儀的信噪比主要受探測器限制。通過光譜儀電路的平均功能累加信號，可以提高實(shí)際測量中的信噪比。

5. 干擾與穩(wěn)定性

實(shí)際光譜儀與理想光譜儀的重要區(qū)別之一是其內(nèi)部存在雜散光等干擾。雜散光會(huì)影響信號的性，并對測量弱信號帶來麻煩。特殊設(shè)計(jì)的低雜散光光路能夠降低光路中的雜散光。

光譜儀的光路和探測器都不可避免地隨著環(huán)境而變化，例如，環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致光譜儀波長（X軸）的漂移。對光路和探測器做特殊處理能夠增強(qiáng)光譜儀的穩(wěn)定性。然而，這些特殊處理會(huì)增加光譜儀的硬件成本。

6. 采樣速度和時(shí)序精度

Avantes公司的標(biāo)準(zhǔn)光譜儀可以在一秒鐘內(nèi)采集約900幅完整的光譜。當(dāng)需要研究在更短時(shí)間內(nèi)的光譜變化時(shí)，更快速的光譜儀可以在一秒鐘內(nèi)采集高達(dá)8000幅光譜。然而，這些光譜儀往往在波長分辨率等指標(biāo)上不能與標(biāo)準(zhǔn)光譜儀媲美，用戶也必須綜合考慮各個(gè)指標(biāo)。

光譜儀必須具備好的時(shí)序性能方能捕捉到很短的脈沖信號。不同類型的光譜儀的時(shí)序精度差別很大，性能好的可以到納秒量級的時(shí)間精度，而性能差的只能到毫秒量級的時(shí)間精度。