​什么是C-T光纤光谱仪？

 

光纤光谱仪属于微型光谱仪的一种，它通常由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个探测器阵列组成 。

入射狭缝 : 在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。   

准直元件 : 使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。   

色散元件 : 通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。  

聚焦元件 : 聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。   

探测器阵列 ： 放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。 该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。

 

 

图1.典型的光谱仪模型

光纤光谱仪，普遍采用反射式的光路结构，又分为基本型切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构(非交叉式)和交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构。 基本型切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构因其形状酷似字母“M”，因此也常被称为M型光路结构，这便是M型光路的由来。

图2.基本型切尼-特纳(Czerny-Turner)光路

图3.交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner)光路

通常认为交叉式光路是一种折叠式的光路，所谓折叠式就是在整体的结构尺寸和空间利用上有必然的优势，结构更紧凑合理。 M型光路则是一种展开式光路，在整体的尺寸和空间利用上不及交叉式切尼-特纳光路。 因交叉式光路最为紧凑，所以在微型光谱仪中通常采用的是交叉式光路。 而针对于分辨率要求比较高的场合则更多的采用M型光路。光谱仪光路的光学性能，主要受数值孔径、球差、像散、慧差，及各种像差的综合性影响，从而决定了系统的光学灵敏度、杂散光和光学分辨率。 交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构相对于M型光谱仪表现更为突出的是慧差可以被校准到一个比较理想的数值，并且得到的光谱斑点较为规整。 而M型光谱仪可通过控制相对孔径来使球差小于像差容限，从而满足分辨率的要求，且在像散优化中具有明显的天然优势，可将像散校正到一个很低的水平。

 

光纤光谱仪的光学设计参数

 

光纤光谱仪的光学设计参数一般包括波长范围、分辨率、信噪比 等。 涉及到的元件参量有狭缝宽度、聚焦反射镜和准直反射镜的焦距、光栅常数、CCD长度与像素大小。

波长范围是光谱仪所能测量的波长区间， 光纤光谱仪的探测区间在200-2500nm。 通常，使用CCD或CMOS探测器的光纤光谱仪范围在200-1100nm，即包含紫外光、可见光和短波近红外光。 而使用铟镓砷（InGaAs）探测器的近红外光谱仪探测范围在1000-2500nm。 光栅的刻线数及探测器的类型会影响波长范围，一般来说，宽波长范围意味着低光谱分辨率，所以在选型时需要在波长范围和光谱分辨率两个参数间做权衡。 如果同时需要宽的波长范围和高的波长分辨率，则需要组合使用多个光谱仪 （多通道光谱仪）。

光谱分辨率描述了光谱仪能够分辨波长的能力 ，是光谱仪的重要指标。 高光谱分辨率可以获得更准确的谱峰位置，并能区分彼此靠近的谱峰。 光谱仪分辨率取决于光栅刻线数、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。 在实际中，我们通常以光谱仪测得的单个谱线的半高宽（FWHM）作为光谱仪的分辨率。

光谱仪的信噪比定义为： 光谱仪在强光照射下，接近饱和时的信号的平均值与信号偏离平均值的抖动（以标准偏差横向）的比。 信噪比(S/N)描述了光谱仪把光信号转换为电信号的能力，高的信噪比有助于减小电路自身的噪声对结果的影响。 需要注意的是，因为定义中没有对光源做任何限制，使用这个定义所测量到的信噪比并不能等同于在实际实验中所能实现的信噪比。 LBTEK光谱仪中描述的信噪比值是最大可能的信噪比值（在检测器饱和状态下获得）。

图4.LBTEK光谱仪连接方式

光谱仪在农业、天文、汽车、生物、化学等领域应用广泛，是在进行定性和定量光谱分析时不可缺少的工具。

在农业领域，可以使用光谱仪进行土壤分析、作物健康检测、食品品质检测； 在汽车领域，使用光谱仪监测汽车尾气中有害气体含量，如二氧化碳、一氧化碳等，也可以使用光谱技术评估汽车漆面的颜色和光泽度； 在生物领域，可用于临床诊断，通过血液、尿液等生物样本的光谱分析，辅助诊断疾病，也可使用光谱技术进行组织的无损检测和成像。

此外，光谱仪在镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、拉曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等众多场景下也发挥着重要作用。