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光谱仪的关键性能指标

点击次数:1296 发布时间:2017-05-02

光谱学测量的基础是测量光辐射与波长的对应关系。一般来说,光谱学测量的直接结果是由很多个离散的点构成曲线,每个点的横坐标(X轴)是波长,纵坐标(Y轴)是在这个波长处的强度。因此,一个光谱仪的性能,可以粗略地分为下面几个大类:

1. 波长范围(在X轴上的可以测量的范围); 

2. 波长分辨率(在X轴上可以分辨到什么程度的信号变化);

3. 噪声等效功率和动态范围(在Y轴上可以测量的范围); 

4. 灵敏度与信噪比(在Y轴上可以分辨到什么程度的信号变化);

5. 杂散光与稳定性(信号的测量是否可靠?是否可重现); 

6. 采样速度和时序精度(一秒钟可以采集多少个完整的光谱?采集光谱的时刻是否?)


1. 波长范围

    波长范围是光谱仪所能测量的波长区间。常见的光纤光谱仪的波长范围是400nm-1100nm,也就是可以探测可见光和一部分近红外的光。使用新型探测 器可以使这个范围拓展至200nm-2500nm,即覆盖紫外、可见和近红外波段。光栅的类型以及探测器的类型会影响波长范围。一般来说,宽的波长范围意味着低的波长分辨率,所以用户需要在波长范围和波长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通道(多通道光谱仪)。

2. 波长分辨率 

    顾名思义,波长分辨率描述了光谱仪能够分辨波长的能力,常用的光谱仪的波长分辨率大约为1nm,即可以区分间隔1nm的两条谱线。Avantes公司可以提供的高的波长分辨率为0.025nm。波长分辨率与波长的取样间隔(数据的x坐标 的间隔)是两个不同概念。一般来说,高的波长分辨率意味着窄额度波长范围  ,所以用户需要在波长范围和波长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通道(多通道光谱仪)。

3. 噪声等效功率和动态范围 

    当信号的值与噪声的值相当时,从噪声中分辨信号就会非常困难。一般用与噪声相当的信号的值(光谱辐照度或光谱辐亮度)来表征能一个光谱仪所能够测量的弱的光强(Y轴的小值)。噪声等效功率越小,光谱仪就可以测量更弱的信号。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型等等参数都会影响噪声等效功率。因为这些参数也会影响波长范围和波长分辨率,用户需要在这些指标间做出取舍。对探测器制冷(Avantes公司的制冷型光谱仪)有助于减小探测器的热噪音,优化探测器检测弱光的能力。 

   动态范围描述一个光谱仪所能够测量到的强的信号与弱的信号的比值。强的信号为光谱仪在信号不饱和情况下,所能测量的大信号值,弱的信号用上述的噪声等效功率衡量。动态范围主要受制于探测器的类型。传统上,动态范围是影响测量方便性的一个很关键的指标,但目前大部分光纤光谱仪都可以通过调整积分时间的方式等效地扩大动态范围,因此,动态范围一般不会对用户的测量带来困扰。 

4. 灵敏度与信噪比

   灵敏度描述了光谱仪把光信号变成电子学信号的能力,高的灵敏度有助于减小电路本身的噪声对结果影响。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型以及电路的参数都会影响灵敏度。衍射效率高的光栅和量子效率高的探测器都有利于提高光谱仪的灵敏度。人为地调高前置放大电路的放大倍数也会提高名义上的灵敏度,但并不一定有助于实际的测量。宽的狭缝会改善灵敏度,但也会降低分辨率,因此,需要用户综合考虑和权衡。

   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值(以标准偏差横向)的比。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。光谱仪的信噪比主要受探测器限制。通过光谱仪电路的平均功能累加信号,可以提高实际测量中的信噪比。

5. 干扰与稳定性 

   实际光谱仪与理想光谱仪的重要区别之一是其内部存在杂散光等干扰。杂散光会影响信号的性,并对测量弱信号带来麻烦。特殊设计的低杂散光光路能够降低光路中的杂散光。

   光谱仪的光路和探测器都不可避免地随着环境而变化,例如,环境温度的变化会导致光谱仪波长(X轴)的漂移。对光路和探测器做特殊处理能够增强光谱仪的稳定性。然而,这些特殊处理会增加光谱仪的硬件成本。

6. 采样速度和时序精度 

    Avantes公司的标准光谱仪可以在一秒钟内采集约900幅完整的光谱。当需要研究在更短时间内的光谱变化时,更快速的光谱仪可以在一秒钟内采集高达8000幅光谱。然而,这些光谱仪往往在波长分辨率等指标上不能与标准光谱仪媲美,用户也必须综合考虑各个指标。

    光谱仪必须具备好的时序性能方能捕捉到很短的脉冲信号。不同类型的光谱仪的时序精度差别很大,性能好的可以到纳秒量级的时间精度,而性能差的只能到毫秒量级的时间精度。

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