光譜儀是一種用于測量光與物質(zhì)相互作用的儀器，能夠分析光的波長、強度等特性。其核心工作原理是通過分光系統(tǒng)將復(fù)合光分解為不同波長的單色光，并通過探測器記錄各波長的強度信息，最終形成光譜圖。

三棱鏡分光示意圖

1666年，牛頓在研究三棱鏡時發(fā)現(xiàn)，太陽光在通過三棱鏡后被分解成了七色光，這就是三棱鏡對光線的色散現(xiàn)象。在光譜儀內(nèi)部，也是利用色散組件的分光作用，通過不同的光路形式，將復(fù)色光分解成一系列獨立的單色光，然后進行測量和計算。

二、工作原理

系統(tǒng)流程分析示意圖

光纖光譜儀采用對稱交叉Czerny-Turner光路，一般由分光系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其工作原理是將光源發(fā)出的復(fù)色光按照不同的波長分離出來，配合各種光電探測器件對譜線強度進行測量，獲得光譜功率（輻射）分布，再計算出色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、光通量、輻射通量等光色性能參數(shù)。

光譜儀對稱交叉Czerny-Turner光路示意圖

Czerny-Turner光路原理圖

光纖通過 SMA 905或者FC接口，把光子引入到光譜儀內(nèi)部，然后通過狹縫成像之后到達準(zhǔn)直鏡，對光路進行準(zhǔn)直，之后到達光柵部分做分光。光柵主要是將光波四散成不同的光束，最終到達檢測器。然后，進行數(shù)據(jù)分析。

三、組件介紹

1、光纖

光纖用來將需要測量的光信號耦合到光譜儀中，光譜儀的光纖通常采用SMA905接口設(shè)計，可與不同的光學(xué)附件結(jié)合使用，具有很好的通用性。

SMA905光纖不同芯徑接口示意圖

SMA905光纖示意圖

2、 狹縫

狹縫的作用是控制入射光線的寬度，其大小直接影響到光譜儀的分辨率。狹縫越小對應(yīng)的光譜帶寬較小，波長分辨率就越高，但是過小的狹縫通過的光線微弱，必須增大后級儀器的增益，導(dǎo)致儀器噪聲增大。較大的狹縫可以增加光通量，提高信噪比，但狹縫越大對應(yīng)的光譜帶寬也較大，因入射光的單色光降低而使波長分辨率降低。狹縫的寬度從5um到200um不等，可根據(jù)客戶要求選擇。

3、光柵

光柵也稱為衍射光柵，是利用衍射原理使平行光發(fā)生色散、分解為光譜的光學(xué)器件。光柵是一種多狹縫部件，光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉和單狹縫衍射兩者聯(lián)合作用的結(jié)果，多縫干涉決定光譜線出現(xiàn)的位置，單縫衍射決定譜線的強度分布。

4、光電探測器

光電探測器是光譜儀最核心的部分，其制作材料、制造方法及摻雜成分直接決定了光譜儀的光譜覆蓋范圍、靈敏度、分辨率和信噪比等指標(biāo)。硅基探測器的波長覆蓋范圍一般為190nm-1100nm，而InGaAs和PbS探測器的波長覆蓋范圍一般為900nm-2900nm。

按陣列結(jié)構(gòu)分為線陣和面陣兩種：

線陣光電探測器示意圖

面陣光電探測器示意圖

四、光譜儀的性能參數(shù)

1、光譜分辨率

光譜分辨率指能被光譜儀分辨開的最小波長差，光譜儀中有實際意義的分辨率定義是測量單個譜線的半高寬(FWHM)，即最大峰值光強50%處所對應(yīng)的譜線寬度。分辨率依賴于狹縫寬度、光柵的分辨能力、系統(tǒng)的有效焦長、系統(tǒng)的光學(xué)像差等參數(shù)。入射狹縫決定了進入到光譜儀的光束寬度，狹縫越窄分辨率也越高；光柵刻劃線數(shù)越多，色散效應(yīng)隨波長變化就會越明顯，在最長波長處會得到最高分辨率；高像素的 CCD 探測器也可以獲得更高的光譜分辨率。但是，分辨率越高，光信號越弱，噪聲比也會變差，因此二者要適當(dāng)兼顧。

2、靈敏度

靈敏度定義為某一特定波長照射到像元上的單位輻射度所產(chǎn)生的電信號輸出，主要影響因素有光柵的效率、探測器材料等因素。探測器的靈敏度在很大程度上由其材料特性決定，在CCD探測器上安裝靈敏度增強透鏡可以提高系統(tǒng)的靈敏度。適當(dāng)增大狹縫，增加入射光通量，也能提高靈敏度。

3、 動態(tài)范圍

動態(tài)范圍指光譜儀能測量到的最大與最小光能量的比值，比值越大性能越好。探測器的動態(tài)范圍越大，所探測的光強度范圍越大，光譜儀的信噪比與穩(wěn)定性也就更好。增大動態(tài)范圍的途徑是降低探測器的暗電流和噪聲，可采用制冷型CCD，或選擇量子效率更高、像素更大的CCD器件。

4、信噪比

信噪比指測得的信號能量水平與疊加在信號上的噪聲水平的比值，信噪比越高，其測量值的偏差就越小。對于光纖光譜儀來說，靈敏度越高，檢測到的噪聲信號越高，信噪比也就越低。CCD探測器的噪聲包括自身的隨機噪聲、因溫度引起的熱噪聲、讀數(shù)時產(chǎn)生的讀出噪聲等幾種。

五、譜量光電光譜儀產(chǎn)品

譜量光電 光纖光譜儀外型小巧，即插即用，操作方便。光譜儀主要分高分辨光纖光譜儀、高靈敏光纖光譜儀、微型光纖光譜儀和制冷型光纖光譜儀4種可選，光纖光譜儀均采用對稱交叉Czerny-Turner光路。工作波段覆蓋：200-1550nm，狹縫寬度25μm時，光學(xué)分辨率：0.1-1.33nm；光學(xué)分辨率最小可＜0.1nm，光學(xué)分辨率取決于光柵刻線密度和狹縫大小可提供多種選擇定制。我司光纖光譜儀具有高分辨率、高靈敏度、波長覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于激光光譜檢測、熒光光譜檢測、拉曼光譜檢測、LIBS光譜檢測等光譜測量。

還有紅外光譜儀采用二級制冷 InGaAs 探測器，適用于近紅外波段范圍的光譜探測與分析。外型小巧，即插即用，操作方便。采用芯片級的內(nèi)制冷技術(shù)，有效地降低了暗噪聲，信噪比更高，弱光探測能力大幅提升。波長范圍：900-1700nm、1000-2500nm2種可選，可根據(jù)客戶需求（狹縫、分辨率等）進行定制化服務(wù)，廣泛應(yīng)用于透過率光譜檢測檢測、反射率光譜檢測等參數(shù)的檢測。

六、應(yīng)用領(lǐng)域

1、透反射光譜檢測

2、拉曼光譜檢測

3、激光光譜檢測

4、LIBS光譜檢測

5、光致發(fā)光測試

6、電致發(fā)光測試

透過率光譜檢測系統(tǒng)示意圖

反射率光譜檢測示意圖

拉曼光譜檢測系統(tǒng)示意圖

透反射光譜檢測示意圖