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光谱仪的性能主要有哪些方面决定的

2015-1-23 16:47:50点击:
  光谱仪器的主要特性有:光谱覆盖范围、 色散率、分辨率、灵敏度 、动态范围 、信噪比,光谱获取速度等。对于阵列式光谱仪来说,这七个参数是密切相关,互相影响的。

       一,光谱仪的光谱覆盖范围(DL)

  指能被光谱仪检测到的光信号的波长范围。它主要取决于光谱仪器所使用光学元件的透射或反射光谱及探测器的光谱响应范围。例如,玻璃棱镜的光谱仪光谱范围在400-1000nm;低于400nm就需要使用萤石或石英,大于1000nm需要使用红外晶体材料。而对光栅光谱仪来说,理论上改变光栅表面反射膜层的光谱反射率,就能覆盖整个光学光谱;实际光栅光谱仪的光谱覆盖范围与光谱仪的有效焦距、衍射光栅的刻线数(groove/mm,g)、检测器的宽度(Wd)密切相关,其计算公式如下。
  DL = Wd × 106× cos(B)/(m×g×F)
  式中m是衍射光栅的衍射级数
  B是衍射光栅的衍射角
  F为聚焦部分的焦距。
  从公式可以看出,光谱仪的光谱覆盖范围与光谱仪的有效焦距和光栅刻线数成反比,与光谱仪检测器的长度成正比。另外,光谱覆盖范围的中心波长的选择对光谱覆盖范围也有一定的影响。
  
       二,光谱仪的色散率

  对于经典光谱仪,色散率表明从光谱仪器色散系统中射出的不同波长的光在空间彼此分开的程度,或者会聚到焦平面上彼此分开的距离。前者称为角色散率,后者称为线色散率。角色散率表明两不同波长的光彼此分开的角距离,定义为。光栅光谱仪的角色散率表达式如式所示。
  光谱仪器的主要性能指标
  式中 为两不同波长的光经色散系统后的偏向角之差;
  为两不同波长的差;
  m是衍射光栅的衍射级数;
  d为光栅常数;
  为光栅衍射角;
  其单位为rad/nm;角色散率的大小由色散系统的几何尺寸和安放位置决定。
  如果入射光的衍射角 很小,则 值近似为1,那么角色散率 近似为常数,即与成近似的线性关系;通常把这种色散率近似等于常数的光谱称着“正常光谱”或“匀排光谱”,这是光栅光谱仪的一个重要特点。在应用中直接近似为线性关系,按线性比例关系能够大概算出谱线的空间位置。
  线色散率表明不同波长的两条谱线在成像系统的焦平面上彼此分开的距离,定义为,单位为mm/nm。在光栅光谱仪中,角色散率与线色散率的关系如下式所示。
  光谱仪器的主要性能指标
  式中f为聚焦成像系统的焦距;
  为两不同波长的谱线之间的距离;
  为两不同波长谱线的差。
  
       三,光谱仪的分辨率

  指能被光谱仪分辨开的最小波长差值,是光谱仪器极为重要的性能参数。色散率只表明两不同波长的光谱分开的角度、距离程度,没有考虑光谱线的宽度;它并不能表征两不同波长谱线能否被分辨开来。为了描述两不同波长谱线能否被分辨出来,需在考虑色散率的基础上,再考虑其谱线强度发布轮廓。光谱线的强度发布轮廓是一个复杂函数,它与谱线的真实轮廓、仪器的色散系统、所用狭缝宽度及光学系统的像差等因素有密切关系,在实际应用中难以作为指标使用;因此,一般采用理论分辨率的概念。瑞利认为,当两条强度发布轮廓相同的谱线的最大值和最小值相重叠时,它们就能够被分辨出来。此时,瑞利准则有两个前提条件:一是假设两条谱线通过光谱仪器以后,其强度发布轮廓是完全相同的;二是假设接收系统的灵敏度大于或等于20%。
  
       实验证明,瑞利准则是很严格的。所以在实际应用中,通常定义半峰全宽值(FWHM)作为光谱分辨率,即一窄带谱线在光谱仪中所测得的谱线轮廓下降到最大值的一半时所对应的轮廓宽度。

  在采用固态传感器的微小型光纤光谱仪中,其光谱分辨率与光谱仪的光谱覆盖范围、狭缝宽度、检测器的像元宽度及像元数密切相关,其计算公式如式所示。
  R= (DL/n) × (Ws/Wd)× RF
  式中DL为光谱覆盖范围,
  n为检测器像元数,
  DL/n 表示了每个像素点所接收的波长范围,因此常称为像素分辨率。
  Ws为狭缝宽度,
  Wd为检测器宽度,
  RF为分辨率因子,由Ws与Wd的比值决定。

  四.光谱仪的灵敏度

  指能被光谱仪检测到的最小光能量。光谱仪的灵敏度取决于光谱仪的光通量与检测器的光感应灵敏度。光谱仪的光通量大小可通过光谱仪的f来体现,f越大,其光通量越小,f越小,其光通量越大;另外光通量与光谱仪的狭缝成正比,狭缝越大,光通量越大,狭缝越小,光通量越小。而检测器的光感应灵敏度与其材料特性和电子结构相关。
光谱仪的动态范围
  指可被光谱仪测量到的最大与最小光能量的比值。探测器阵列的动态范围常常用来作为衡量光谱仪性能规格的参考。一般来说,检测器的动态范围越大,其所检测的光强度范围越大,光谱仪的信噪比与稳定性也就相对更好。
  注:不同的器件制造厂家具有对动态范围具有不同的定义。对于非科学级浅量阱的器件来说,常常使用饱和信号与暗噪声信号的比值来定义。对于科学级器件来说,则常常采用量阱深度与读出噪声的比值来定义。比值越大,动态范围越高,因此光谱仪性能也就越好。
  
       五,光谱仪的信噪比

  指光谱仪的光信号能量水平与噪声水平的比值。它与光谱仪的探测器性能、电路噪声和光路杂散光相关。对于实际应用来说,光谱仪的信噪比越高,其测量值的偏差就越小。而且测量的检测限也与信噪比直接相关。一般来说,测量的检测限就定义为在信噪比为3时可成功测量到的信号水平。
  
       ,光谱仪的光谱获取速度

  指在一定的入射光能量水平下,光谱仪产生可测量到的光信号并获得光谱图所需的时间。光谱获取速度与光谱仪的灵敏度、光谱仪的读出速度及PC接口速度成正比。光谱仪的读出速度主要与光谱仪内置A/D转换器相关,而PC接口速度是限制光谱获取速度的一个重要因素,一般来说,采用USB2.0接口最快可达到100张谱图/秒的获取速度,而RS232接口最多只能达到2张谱图/秒的速度(以上速度是基于最短积分时间的基础上)
  
       从上述分析可知微小型光纤光谱仪主要有三大核心部分,决定了光谱仪的主要性能指标:

  (1)光谱仪的入射狭缝
  入射狭缝直接影响光谱仪的分辨率和光通量。光谱仪的检测器最终检测到的是狭缝投射到检测器上的像,因此狭缝的大小直接影响到光谱仪的分辨率,狭缝越小,分辨率越高,狭缝越大,分辨率越低;另外狭缝是光进入光谱仪的门户,其大小也直接影响到光谱仪的光通量。狭缝越大,光通量越大,狭缝越小,光通量越小。

  (2)光谱仪的衍射光栅
  衍射光栅将从狭缝入射的光在空间上进行色散,使其光强度成为波长的函数。它是光谱仪进行分光检测的基础,是光谱仪的核心部分。对于一个给定的光学平台和阵列式检测器,我们可以通过选择不同的衍射光栅来对光谱仪的光谱覆盖范围,光谱分辨率和杂散光水平进行额外的控制。
  (3)光谱仪的探测器
  光谱仪常用的进口Si-Pin探测器
        探测器是光谱仪的最核心部分,直接决定了光谱仪的光谱覆盖范围、灵敏度、分辨率及信噪比等指标。一般来说,探测器的材料决定了其光谱覆盖范围,硅基检测器其波长覆盖范围一般为190-1100nm,而InGaAs和PbS检测器覆盖900-2900nm的波长范围。而探测器的工作原理、制造方法及掺杂材料决定了其灵敏度、覆盖范围和信噪比等指标。