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光谱仪重要参数定义

点击次数:2568 发布时间:2015-06-03

 CCD

    电荷耦合器件(Charger Coupled Device,缩写为CCD  ,硅基光敏元件的响应范围在短波近红外区域 

PDA

    二极管阵列(Photodiode Array,缩写为PDA.光电二极管阵列是由多个二极管单元(象素)组成的阵列,单元数可以是1022561024。当信号光照射到光电二极管上时,光信号就会转换成电信号。大部分光电二极管阵列都包括读出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。光电二极管的优点是在近红外灵敏度高,响应速度快;缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。

 

     薄型背照式

薄型背照式电荷耦合器件(BTCCDBack Thinned Charge Coupled Device),采用了特殊的制造工艺和特殊的锁相技术。首先,与一般CCD相比,硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下;其次,它采用背照射结构,因此紫外光不必再穿越钝化层。因此,不仅具有固体摄像器件的一般优点,而且具有噪声低,灵敏度高、动态范围大的优点。

  BTCCD有很高的紫外光灵敏度,它在紫外波段的量子效率可以看到,在紫外波段,量子效率超过40%,可见光部分超过80%,甚至可以达到90%左右。可见,BTCCD不仅可工作于紫外光,也可工作于可见光,是一种很的宽波段检测器件。

◆狭缝

     光源入口。狭缝面积影响通过的光强度。狭缝宽度影响光学分辨率。

◆暗电流

     未打开光谱仪激发光源时,感光器件接收到的光电信号。主要影响因素有温度,电子辐射等。

◆分辨率

    光学分辨率定义为光谱仪可以分开的小波长差。要把两个光谱线分开至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。分辨率依赖于光栅的分辨本领、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。光栅决定了波长在探测器上可分开的程度(色散),这对于分辨率来说是一个非常重要的变量。 另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度,它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤芯径(当没有安装狭缝时)。狭缝的尺寸有:102550μm×1000μm(高)或100200500μm×2000μm(高)。在指定波长处,狭缝成象到探测器阵列上时会覆盖几个象元。而如果要分开两条光谱线,就必须把它们色散到这个象尺寸加上一个象元。当入射光纤的芯径大于狭缝的宽度时,分辨率就要由狭缝的宽度(有效宽度)来决定。

    光谱仪分辨率可近似如下度量:    R M·F/W

其中M为光栅线数 ,F为谱仪焦距, W为狭缝宽度。

◆色散

    光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到:沿光谱仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化,即: Δλ/Δχ=dcosβ/mF

这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距,m为衍射级次。由方程可见,倒线色散不是常数,它随波长变化。在所用波长范围内,变化可能超过2倍。

     光栅和闪耀波长

光栅作为重要的分光器件,它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成;复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点,全息光栅光谱范围广,杂散光低,且可作到高光谱分辨率。 

光栅主要参数:

    1. 闪耀波长,闪耀波长为光栅大衍射效率点,因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围,可选择闪耀波长为500nm

    2. 光栅刻线,光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率,刻线多光谱分辨率高,刻线少光谱覆盖范围宽,两者要根据实验灵活选择。

    3. 光栅效率,光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高,信号损失愈小。为提高此效率,除提高光栅制作工艺外,还采用特殊镀膜,提高反射效率。

闪耀光栅

    非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似,大部分能量集中在没有被色散的“零级光谱”中,小部分能量分散在其它各级光谱。零级光谱不起分光作用,不能用于光谱分析。而色散越来越大的一级、二级光谱,强度却越来越小。

    为了降低零级光谱的强度,将辐射能集中于所要求的波长范围,近代的光栅采用定向闪耀的办法。即将光栅刻痕刻成一定的形状,使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度,使衍射光强主大从原来与不分光的零级主大重合的方向,转移至由刻痕形状决定的反射方向。结果使反射光方向光谱变强,这种现象称为闪耀。辐射能量大的波长称为闪耀波长。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角,称为闪耀角。每一个小反射面与光栅平面的夹角b保持一定,以控制每一小反射面对光的反射方向,使光能集中在所需要的一级光谱上,这种光栅称为闪耀光栅。

◆带宽

    带宽是不考虑光学像差、衍射、狭缝高度、扫描方法、检测器像素宽度等因素,在给定波长从光谱仪输出的波长宽度。它是倒线色散和狭缝宽度的乘积。

◆波长精度、重复性和度

     波长精度是光谱仪确定波长的刻度等级,单位为nm。通常,波长精度随波长变化。

     波长重复性是光谱仪返回原波长的能力。这体现了波长驱动机械和整个仪器的稳定性。

     波长度是光谱仪设定波长与实际波长的差值。

F/#

    F/#定义为光谱仪准直凹面反射镜的直径与焦距的比值。光通过效率与F/#的平方成反比,F/#愈小,光通过率愈高。

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