光譜儀各項性能分析

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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)果是由很多個離散的點構(gòu)成曲線，每個點的橫坐標(biāo)（X軸）是波長，縱坐標(biāo)（Y軸）是在這個波長處的強度。因此，一個光譜儀的性能，可以粗略地分為下面幾個大類：

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

如果用戶對這些性能指標(biāo)有任何問題，請咨詢Avantes公司的產(chǎn)品工程師。

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200-1100nm，也就是可以探測紫外光、可見光和短波近紅外光，可以擴展至200-2500nm，覆蓋整個紫外-可見-近紅外波段。光柵及探測器的類型會影響波長范圍。一般來說，寬的波長范圍意味著低的光譜分辨率，所以用戶需要在波長范圍和光譜分辨率兩個參數(shù)間做權(quán)衡。如果同時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的能力，常用的光譜儀的波長分辨率大約為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）是兩個不同概念。一般來說，高的光譜分辨率意味著窄的波長范圍，所以用戶需要在波長范圍和光譜分辨率兩個參數(shù)間做權(quán)衡。如果同時需要寬的波長范圍和高的光譜分辨率，則需要組合使用多個光譜儀通道（多通道光譜儀）。

3. 噪聲等效功率和動態(tài)范圍

當(dāng)信號的強度值與噪聲的強度值相當(dāng)時，從噪聲中分辨信號就會非常困難。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）來表征能一個光譜儀所能夠測量的弱的光強(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、探測器的類型等參數(shù)都會影響噪聲等效功率。因為這些參數(shù)也會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聲，提高探測器檢測弱光的能力。

動態(tài)范圍描述一個光譜儀所能夠測量到的強的信號與弱的信號的比值。強的信號為光譜儀在信號不飽和情況下，測量到的大值；弱的信號用上述的噪聲等效功率衡量。動態(tài)范圍主要受制于探測器。動態(tài)范圍是影響測量方便性的一個比較關(guān)鍵的指標(biāo)。目前，光纖光譜儀都是通過調(diào)整積分時間的方式等效地擴大動態(tài)范圍，因此，動態(tài)范圍一般不會對用戶的測量帶來困擾。

4. 靈敏度與信噪比(S/N)

靈敏度描述了光譜儀把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的能力，高的靈敏度有助于減小電路自身的噪聲對結(jié)果的影響。狹縫的寬度、光柵的類型、探測器的類型以及電路板的性能都會影響靈敏度。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)（也稱增益）也會提高名義上的靈敏度，但同時也放大了噪聲的影響，并不一定有助于實際的測量。寬的狹縫會改善靈敏度，但也會降低分辨率，因此，需要用戶綜合考慮和權(quán)衡。

光譜儀的信噪比定義為：光譜儀在強光照射下，接近飽和時的信號的平均值與信號偏離平均值的抖動（以標(biāo)準(zhǔn)偏差橫向）的比。需要注意的是，因為定義中沒有對光源做任何限制，使用這個定義所測量到的信噪比并不能等同于用戶在實際實驗中所能實現(xiàn)的信噪比。光譜儀的信噪比主要受制于探測器。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。

5. 干擾與穩(wěn)定性

實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。雜散光會影響信號的性，并對測量弱信號帶來麻煩。超低雜散光平臺（ULS）能夠降低光路中的雜散光3-5倍。

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光譜儀的穩(wěn)定性。然而，這些特殊處理會增加光譜儀的硬件成本。

6. 采樣速度和時序精度

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)需要研究在更短時間內(nèi)的光譜變化時，更快速的光譜儀可以在一秒鐘內(nèi)采集高達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指標(biāo)。

光譜儀必須具備好的時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序精度差別很大，性能好的可以到納秒量級的時間精度，而性能差的只能到毫秒量級的時間精度。