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光包含多種不同的波長形式。光譜是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(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)波長的變化，不同波長對應(yīng)的光強(qiáng)度也隨之變換。對于波長強(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、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的介質(zhì)，更具有靈活性和便攜性，對樣品環(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)了光譜測量技術(shù)的發(fā)展。

1   光譜儀基本知識

光譜儀的基本原理是復(fù)色光通過狹縫后，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，最后聚焦成像在線陣CCD的不同位置。通過標(biāo)定，可以通過獲取對應(yīng)像素的波長和強(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：

波長范圍：波長范圍是光譜儀所能測量的波長區(qū)間，光纖光譜儀的探測區(qū)間在200-2500 nm。通常，使用CCD或CMOS探測器的光纖光譜儀范圍在200-1100 nm，即包含紫外光、可見光和短波近紅外光。而使用銦鎵砷(InGaAs)探測器的近紅外光譜儀探測范圍在1000-2500 nm。光柵的刻線數(shù)及探測器的類型會(huì)影響波長范圍，一般來說，寬波長范圍意味著低光譜分辨率，所以用戶需要在波長范圍和光譜分辨率兩個(gè)參數(shù)間做權(quán)衡。如果同時(shí)需要寬的波長范圍和高的波長分辨率，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、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)的信號的平均值與信號偏離平均值的抖動(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轉(zhuǎn)換為電信號的能力，高的信噪比有助于減小電路自身的噪聲對結(jié)果的影響。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。狹縫的寬度、光柵的性能、探測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)際的測量。此外，通過增加測量的平均次數(shù)，也可以提高信噪比，它們之間是開方的關(guān)系，如平均100次，信噪比提高10倍。

動(dòng)態(tài)范圍：光譜儀輸出的信號是0到2N-1之間的數(shù)字信號，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.對應(yīng)最大信號強(qiáng)度值介于1023到65535計(jì)數(shù)之間。噪聲是信號圍繞平均值的隨機(jī)變化，由于電子設(shè)備的噪聲，峰值信號電平將在平均值附近小幅波動(dòng)， 噪聲可以通過隨時(shí)間波動(dòng)的均方根(RMS)值來衡量。SNR定義為峰值信號隨時(shí)間的平均值除以同一時(shí)間內(nèi)峰值信號的RMS噪聲。為了獲得準(zhǔn)確的SNR結(jié)果，通常需要測量超過25-50個(gè)時(shí)間的頻譜樣本。在SNR測量期間，光譜儀的輸入信號即光源的穩(wěn)定性非常重要，否則將會(huì)導(dǎo)致測量錯(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檢測器對光的反應(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器型號不同，非線性模式也不同。不同探測器的非線性程度不同，但探測器中所有像素的非線性程度相同。由于探測器中的所有像素都是一樣的。因此，可以測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。不同材料的波長透過率不同，一般高羥基光纖用于紫外/可見光波段(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0.22NA為例，意味著光纖經(jīng)過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，表示入射的信號會(huì)被全利用，如果信號光入射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。

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