光谱仪参数说明

    光谱仪的基本原理是复色光通过狭缝后，准直入射至光栅上，由于闪耀光栅的色散效应，不同颜色的光衍射角不同，将会彼此分开，最后聚焦成像在线阵CCD的不同位置。通过标定，可以通过获取对应像素的波长和强度值，得到光源的谱线信息。谱线之间分开的程度、狭缝像的大小、像素尺寸共同决定了光谱仪的分辨率。

图1 光谱仪光路图

波长范围

    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200-2500 nm。通常，使用CCD或CMOS探测器的光纤光谱仪范围在200-1100 nm，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1000-2500 nm。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，所以用户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

    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。

信噪比

    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用户在实际实验中所能实现的信噪比。狭缝的宽度、光栅的性能、探测器的类型以及电路设计都会影响信噪比。高衍射效率光栅和高量子效率的探测器都有利于提高光谱仪的信噪比。人为地调高前置放大电路的放大倍数（也称增益）也会提高名义上的灵敏度，但同时也放大了噪声的影响，并不一定有助于实际的测量。此外，通过增加测量的平均次数，也可以提高信噪比，它们之间是开方的关系，如平均100次，信噪比提高10倍。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）。

    光谱仪信噪比具体测量如下：使用一个稳定的光源，在最低的积分时间或积分时间远低于热噪声限制的积分时间内使光谱峰值饱和（光谱仍需要有低于0 counts（计数值）或其左右的区域）；想要计算信噪比，需要取100个没有光入射的扫描，计算出每个像元的平均基线值记为D，再取100个有光入射的扫描，计算出每个像元输出值的平均值记为S和标准差σ，然后信噪比由以下公式给出：

\( SNR_\rho =(S-D)/\sigma _\rho \)

\( SNR_\rho \) ：信噪比，S：光照条件下样品信号强度平均值，D：黑暗条件下信号强度平均值，\( \sigma \) ：光照条件下样品信号强度标准偏差，\( \rho \) ：像素序号。想要获得完整的信噪比与信号图，画出计算得到的\( SNR_\rho \) 值（噪声）和像素/波长关系曲线，取其中的最大值记为光谱仪信噪比。

动态范围

    光谱仪输出的信号是0到\( 2^N-1 \) 之间的数字信号，其中N是电子设备上的模数 （A/D）转换器中的位数。 N 的典型数字范围为10到16，对应最大信号强度值介于1023到65535计数之间。 噪声是信号围绕平均值的随机变化，由于电子设备的噪声，峰值信号电平将在平均值附近小幅波动， 噪声可以通过随时间波动的均方根（RMS）值来衡量。 SNR定义为峰值信号随时间的平均值除以同一时间内峰值信号的RMS噪声。 为了获得准确的SNR结果，通常需要测量超过25-50个时间的频谱样本。在SNR测量期间，光谱仪的输入信号即光源的稳定性非常重要，否则将会导致测量错误。

杂散光

    使用陷波法测量光谱仪的杂散光，其具体方法为：使用均匀的扩展光源在测量装置中只放入陷波滤光片时，在光谱仪中读出陷波滤光片对应波长的灰度值，记为\( x_1 \) ；去掉陷波滤光片，放入中性密度滤光片，读出同一个的灰度值，再乘以相应的衰减比率，得到相应位置的白斑灰度值，记为\( x_2 \) ；遮住成像光谱仪入光口，测出本底噪声，记为\( x_0 \) 。则杂光系数为：

\( \eta =\frac{x_1-x_0}{x_2-x_0} \times 100\% \)

图2 光谱仪杂散光测试装置示意图

高阶光谱

    短波长的光通过光栅后会产生多级衍射像，比如200 nm的光会在400 nm处产生一个二阶衍射，对400 nm的光造成干扰。由此，为避免高阶衍射光谱的影响，通常会在CCD前面加滤光片进行滤除。消高阶衍射滤光片可以是两段式、三段式长波滤光片或者更为复杂的线性可变长波通滤光片。

图3 线性可变长波通滤光片

线性校正度

    非线性的具体表现为当保持光源强度不变时，随着积分时间的增加，探测器的响应强度与时间并不完全成线性关系。所有CCD检测器对光的反应都会出现非线性。如果不加以校正，非线性将在计算归一化值（吸光度、透射率或辐照度）时产生误差。光谱仪中使用的探测器型号不同，非线性模式也不同。不同探测器的非线性程度不同，但探测器中所有像素的非线性程度相同。由于探测器中的所有像素都是一样的。因此，可以测量线性度并在软件中修正误差。实际校正过程中，我们会通过采集不同积分时间下的多个数值点进行多项式拟合，得到相关的校正系数并写入光谱仪的ROM中。LBTEK 光谱仪每台光谱仪出厂时都会进行非线性校正，校正后的探测器响应的线性度通常>99.8%。

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