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光纖光譜儀的介紹
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發布時間:2014-05-17 23:41:11 閱讀:17378

什麽是光纖光譜儀 
光譜儀是一種用于檢測電磁譜中特定區域的光特性的儀器。它收集光,然後將其進行光譜色散,最後將光信號重構像爲一系列的單色影像,從而對其進行檢測。

 

廣州標旗電子科技有限公司是海洋光學光纖光譜儀全國總代理,精通光纖光譜儀的拉曼,近紅外等應用,咨詢電話(020)38319602 38319620 38319595


如下圖所示,一個典型的光纖光譜儀包括以下幾個主要部分:

1.入射狹縫: 將入射的光學信號構建成一個明確的物像;
2.
准直部分: 使光學信號的光線平行。該准直器可以爲透鏡、反射鏡、或色散元件的部分功能,如在凹面光柵光譜儀中的凹面光柵的部分功能;
3.
色散部分: 通常采用光柵,將平行光在空間上進行色散;
4.
聚焦部分: 收集色散的光學信號,使得大部分入射狹縫的單色影像聚焦于焦平面;
5.
陣列檢測器: 放置于焦平面,從而檢測大部分單色影像的光強度。該檢測器可以是CCD陣列或其它的光檢測陣列。   

 

如何評價光譜儀性能

一個光譜儀的性能可以用以下六個參數來體現:
  1. 光譜覆蓋範圍: 光信號能被光譜儀檢測到的波長範圍
  2.
光譜分辨率: 能被光譜儀分辨開的最小的波長差值。
  3.
靈敏度: 能被光譜儀檢測到的最小的光能量
  4.
動態範圍: 可被光譜儀測量到的最大與最小光能量的比值
  5.
信噪比: 光譜儀的信號能量水平與噪聲水平的比值
  6.
光譜獲取速度在一定的入射光能量水平下,光譜儀産生可測量到的信號並獲得譜圖所需的時間
 
對于光纖光譜儀來說,這六個參數是密切相關,互相影響的

 

光譜覆蓋範圍
光譜覆蓋範圍(DeltaLambda,DL)與光譜儀的有效焦距、衍射光柵的刻線數(groove/mm,g)、檢測器的寬度(Wd)密切相關。其計算公式爲:DL = Wd × 106× cos(B)/(k×g×F), 其中k是衍射光柵的衍射級數, B是衍射光柵的衍射角,F爲光譜儀聚焦部分的焦距。從公式可以看出,光譜儀的光譜覆蓋範圍與光譜儀的有效焦距和光柵刻線數(groove/mm, g)成反比,與光譜儀檢測器的長度成正比。另外,光譜覆蓋範圍的中心波長的選擇對光譜覆蓋範圍也有一定的影響。

 

光譜分辨率
陣列光譜儀的光譜分辨率與光譜儀的光譜覆蓋範圍、狹縫寬度、檢測器的像元寬度及像元數密切相關。其計算公式爲:
R= (DL/n) 
× (Ws/Wd)> × RF
其中DL爲光譜覆蓋範圍,n爲檢測器像元數, DL/n 表示了每個像素點所接收的波長範圍,因此常稱爲像素分辨率。 Ws爲狹縫寬度,Wd爲檢測器寬度,RF爲分辨率因子,由WsWd的比值決定。

 

靈敏度
光譜儀的靈敏度取決于光譜儀的光通量與檢測器的光感應靈敏度。光譜儀的光通量大小可通過光譜儀的f#來體現,f#越大,其光通量越小,f#越小,其光通量越大。另外光通量與光譜儀的狹縫成正比,狹縫越大,光通量越大,狹縫越小,光通量越小。而檢測器的光感應靈敏度與其材料特性和電子結構相關。
注:有些非科學級器件相對科學級器件來說,其量子阱更淺,這使得它與量阱更深的科學級器件相比,能在更短的時間內達到飽和,從而使人們誤以爲其具有更好的靈敏度。

動態範圍
檢測器陣列的動態範圍常常用來作爲衡量光譜儀性能規格的參考。一般來說,檢測器的動態範圍越大,其所檢測的光強度範圍越大,光譜儀的信噪比與穩定性也就相對更好。
:不同的器件制造廠家具有對動態範圍具有不同的定義。對于非科學級淺量阱的器件來說,常常使用飽和信號與暗噪聲信號的比值來定義。對于科學級器件來說,則常常采用量阱深度與讀出噪聲的比值來定義。比值越大,動態範圍越高,因此光譜儀性能也就越好。

 

信噪比
信噪比是測得的信號與疊加在信號上的噪聲的比值。信噪比與光譜儀的檢測器性能、電路噪聲和光路雜散光相關。對于實際應用來說,光譜儀的信噪比越高,其測量值的偏差就越小。而且測量的檢測限也與信噪比直接相關。一般來說,測量的檢測限就定義爲在信噪比爲3時可成功測量到的信號水平。

 

光譜獲取速度
 光譜獲取速度與光譜儀的靈敏度、光譜儀的讀出速度及PC接口速度成正比。光譜儀的讀出速度主要與光譜儀內置A/D轉換器相關,而PC接口速度是限制光譜獲取速度的一個重要因素,一般來說,采用USB2.0接口最快可達到100張譜圖/秒的獲取速度,而RS232接口最多只能達到2張譜圖/秒的速度(以上速度是基于最短積分時間的基礎上

光纖光譜儀三大核心部分一般來說,光纖光譜儀主要有三大核心部分,決定了光譜儀的主要性能指標:
1.
入射狹縫
2.
衍射光柵
3.檢測器

入射狹縫狹縫直接影響光譜儀的分辨率和光通量。光譜儀的檢測器最終檢測到的是狹縫投射到檢測器上的像,因此狹縫的大小直接影響到光譜儀的分辨率,狹縫越小,分辨率越高,狹縫越大,分辨率越低;另外狹縫是光進入光譜儀的門戶,其大小也直接影響到光譜儀的光通量。狹縫越大,光通量越大,狹縫越小,光通量越小。目前提供10um, 25um, 50um, 100um, 200um等標准狹縫,同時也提供狹縫定制服務

 

衍射光柵衍射光柵將從狹縫入射的光在空間上進行色散,使其光強度成爲波長的函數。它是光譜儀進行分光檢測的基礎,是光譜儀的核心部分。對于一個給定的光學平台和陣列式檢測器,我們可以通過選擇不同的衍射光柵來對光譜儀的光譜覆蓋範圍,光譜分辨率和雜散光水平進行額外的控制。廣州標旗電子提供多種衍射光柵供客戶選用。 

檢測器檢測器是光譜儀的最核心部分,直接決定了光譜儀的光譜覆蓋範圍、靈敏度、分辨率及信噪比等指標。一般來說,檢測器的材料決定了其光譜覆蓋範圍,硅基檢測器其波長覆蓋範圍一般爲190-1100nm,而InGaAsPbS檢測器覆蓋900-2900nm的波長範圍。而檢測器的工作原理、制造方法及摻雜材料決定了其靈敏度、覆蓋範圍和信噪比等指標。廣州標旗電子可提供前照式CCD陣列、背照薄型CCD陣列、光電二極管陣列(PDA)InGaAs陣列等檢測器以滿足不同的檢測需要。

 
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