光譜儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)

光譜學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)是測(cè)量光輻射與波長的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般來說，光譜學(xué)測(cè)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(cè)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(hào)變化）；

3. 噪聲等效功率和動(dòng)態(tài)范圍（在Y軸上可以測(cè)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(hào)變化）；

5. 雜散光與穩(wěn)定性（信號(hào)的測(cè)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(cè)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(cè)可見光和一部分近紅外的光。使用新型探測(cè) 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(cè)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(hào)的值與噪聲的值相當(dāng)時(shí)，從噪聲中分辨信號(hào)就會(huì)非常困難。一般用與噪聲相當(dāng)?shù)男盘?hào)的值（光譜輻照度或光譜輻亮度）來表征能一個(gè)光譜儀所能夠測(cè)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(cè)量更弱的信號(hào)。狹縫的寬度、光柵的類型、探測(cè)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(duì)探測(cè)器制冷（Avantes公司的制冷型光譜儀）有助于減小探測(cè)器的熱噪音，優(yōu)化探測(cè)器檢測(cè)弱光的能力。 

   動(dòng)態(tài)范圍描述一個(gè)光譜儀所能夠測(cè)量到的強(qiáng)的信號(hào)與弱的信號(hào)的比值。強(qiáng)的信號(hào)為光譜儀在信號(hào)不飽和情況下，所能測(cè)量的大信號(hào)值，弱的信號(hào)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(cè)器的類型。傳統(tǒng)上，動(dòng)態(tài)范圍是影響測(cè)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(duì)用戶的測(cè)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(hào)變成電子學(xué)信號(hào)的能力，高的靈敏度有助于減小電路本身的噪聲對(duì)結(jié)果影響。狹縫的寬度、光柵的類型、探測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)的平均值與信號(hào)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(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。光譜儀的信噪比主要受探測(cè)器限制。通過光譜儀電路的平均功能累加信號(hào)，可以提高實(shí)際測(cè)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(hào)的性，并對(duì)測(cè)量弱信號(hào)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(cè)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(duì)光路和探測(cè)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(hào)。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(jí)的時(shí)間精度，而性能差的只能到毫秒量級(jí)的時(shí)間精度。

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