光譜儀各項(xiàng)性能分析

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光譜學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)是測(cè)量光輻射與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)，縱坐標(biāo)（Y軸）是在這個(gè)波長(zhǎng)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(lèi)：

1. 波長(zhǎng)范圍（在X軸上的可以測(cè)量的范圍）；

2. 波長(zhǎng)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？）

如果用戶對(duì)這些性能指標(biāo)有任何問(wèn)題，請(qǐng)咨詢Avantes公司的產(chǎn)品工程師。

1. 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。常見(jiàn)的光纖光譜儀的波長(zhǎng)范圍是200-1100nm，也就是可以探測(cè)紫外光、可見(jiàn)光和短波近紅外光，可以擴(kuò)展至200-2500nm，覆蓋整個(gè)紫外-可見(jiàn)-近紅外波段。光柵及探測(cè)器的類(lèi)型會(huì)影響波長(zhǎng)范圍。一般來(lái)說(shuō)，寬的波長(zhǎng)范圍意味著低的光譜分辨率，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)光譜儀通道（多通道光譜儀）。

2. 光譜分辨率

顧名思義，光譜分辨率描述了光譜儀能夠分辨波長(zhǎng)的能力，常用的光譜儀的波長(zhǎng)分辨率大約為1nm（FWHM值），即可以區(qū)分間隔1nm的兩條譜線。Avantes公司可以提供的高光譜分辨率為0.04nm。光譜分辨率與光譜采樣間隔（數(shù)據(jù)在x坐標(biāo)上的間隔）是兩個(gè)不同概念。一般來(lái)說(shuō)，高的光譜分辨率意味著窄的波長(zhǎng)范圍，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)范圍和高的光譜分辨率，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)的強(qiáng)度值與噪聲的強(qiáng)度值相當(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(lái)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(lèi)型、探測(cè)器的類(lèi)型等參數(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(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)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)器的熱噪聲，提高探測(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，測(cè)量到的大值；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。動(dòng)態(tài)范圍是影響測(cè)量方便性的一個(gè)比較關(guān)鍵的指標(biāo)。目前，光纖光譜儀都是通過(guò)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(lái)困擾。

4. 靈敏度與信噪比(S/N)

靈敏度描述了光譜儀把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力，高的靈敏度有助于減小電路自身的噪聲對(duì)結(jié)果的影響。狹縫的寬度、光柵的類(lèi)型、探測(cè)器的類(lèi)型以及電路板的性能都會(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。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)（以標(biāo)準(zhǔn)偏差橫向）的比。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。光譜儀的信噪比主要受制于探測(cè)器。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。

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(lái)麻煩。超低雜散光平臺(tái)（ULS）能夠降低光路中的雜散光3-5倍。

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(zhǎng)（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，這些光譜儀往往在光譜分辨率等指標(biāo)上不能與標(biāo)準(zhǔn)光譜儀媲美，用戶也需綜合考慮各項(xiàng)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(lèi)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。