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光包含多種不同的波長形式。光譜是復色光經過色散系統(如棱鏡、光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案。當光照射或者穿透物質時，光的性質被物質的屬性調制，其反射/透射光的光譜會展現不同的變化曲線，表現為隨著橫坐標波長的變化，不同波長對應的光強度也隨之變換。對于波長強度信息的獲取與應用稱之為光譜技術，可據此來分析該物質的化學/分子組成等，而能夠獲得光譜信息的儀器，即為光譜儀，如今光譜儀已廣泛應用于農業、生物、化學、地質、食品安全、色度計算、環境檢測、半導體工業等行業。

其中，光纖(xian)光譜儀使用光纖作為接受和輸出光信號的介質，更具有靈活性和便攜性，對樣品環境要求低、體積小、內部元件封閉性更好，極大程度上促進了光譜測量技術的發展。

1   光譜(pu)儀基本知識

光(guang)譜儀的(de)基本原理是復(fu)色(se)光(guang)通過(guo)狹縫后(hou)，準直入射至光(guang)柵上，由于閃耀光(guang)柵的(de)色(se)散效應(ying)，不同顏色(se)的(de)光(guang)衍射角不同，將(jiang)會(hui)彼此分開，最后(hou)聚焦(jiao)成像在線陣CCD的(de)不同位(wei)置。通過(guo)標定，可以通過(guo)獲取對應(ying)像素的(de)波長(chang)和(he)強度(du)值，得到光(guang)源的(de)譜線信息(xi)。

由這些元(yuan)件決定的光(guang)譜儀關鍵參數(shu)有：

波(bo)長(chang)范(fan)圍(wei)(wei)(wei)：波(bo)長(chang)范(fan)圍(wei)(wei)(wei)是光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀(yi)所能測(ce)量的(de)(de)(de)波(bo)長(chang)區(qu)間，光(guang)(guang)纖光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀(yi)的(de)(de)(de)探測(ce)區(qu)間在(zai)200-2500 nm。通常，使(shi)用(yong)(yong)CCD或CMOS探測(ce)器(qi)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)纖光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀(yi)范(fan)圍(wei)(wei)(wei)在(zai)200-1100 nm，即(ji)包(bao)含紫外(wai)(wai)光(guang)(guang)、可見光(guang)(guang)和短(duan)波(bo)近紅外(wai)(wai)光(guang)(guang)。而使(shi)用(yong)(yong)銦鎵砷(InGaAs)探測(ce)器(qi)的(de)(de)(de)近紅外(wai)(wai)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀(yi)探測(ce)范(fan)圍(wei)(wei)(wei)在(zai)1000-2500 nm。光(guang)(guang)柵的(de)(de)(de)刻線數及探測(ce)器(qi)的(de)(de)(de)類型(xing)會影響波(bo)長(chang)范(fan)圍(wei)(wei)(wei)，一(yi)般來說，寬(kuan)波(bo)長(chang)范(fan)圍(wei)(wei)(wei)意味(wei)著低光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)分(fen)辨率(lv)(lv)，所以用(yong)(yong)戶需(xu)要在(zai)波(bo)長(chang)范(fan)圍(wei)(wei)(wei)和光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)分(fen)辨率(lv)(lv)兩個參數間做權衡。如果同時(shi)需(xu)要寬(kuan)的(de)(de)(de)波(bo)長(chang)范(fan)圍(wei)(wei)(wei)和高(gao)的(de)(de)(de)波(bo)長(chang)分(fen)辨率(lv)(lv)，則需(xu)要組合使(shi)用(yong)(yong)多(duo)個光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀(yi) (多(duo)通道光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀(yi))。

光譜分辨率：光譜分辨率描述了光譜儀能夠分辨波長的能力，是光譜儀的重要指標。高光譜分辨率可以獲得更準確的譜峰位置，并能區分彼此靠近的譜峰。光譜儀分辨率取決于光柵刻線數、系統的有效焦長、設定的狹縫寬度、系統的光學像差以及其它參數。在實際中，我們通常以光譜儀測得的單個譜線的半高寬(FWHM)作為光譜儀的分辨率。

信噪比：光譜儀的信噪比定義為：光譜儀在強光照射下，接近飽和時的信號的平均值與信號偏離平均值的抖動(以標準偏差橫向)的比。信噪比(S/N)描述了光譜儀把光信號轉換為電信號的能力，高的信噪比有助于減小電路自身的噪聲對結果的影響。需要注意的是，因為定義中沒有對光源做任何限制，使用這個定義所測量到的信噪比并不能等同于用戶在實際實驗中所能實現的信噪比。狹縫的寬度、光柵的性能、探測器的類型以及電路設計都會影響信噪比。高衍射效率光柵和高量子效率的探測器都有利于提高光譜儀的信噪比。人為地調高前置放大電路的放大倍數(也稱增益)也會提高名義上的靈敏度，但同時也放大了噪聲的影響，并不一定有助于實際的測量。此外，通過增加測量的平均次數，也可以提高信噪比，它們之間是開方的關系，如平均100次，信噪比提高10倍。

動態范圍：光譜儀輸出的信號是0到2N-1之間的數字信號，其中N是電子設備上的模數 (A/D)轉換器中的位數。N 的典型數字范圍為10到16.對應最大信號強度值介于1023到65535計數之間。噪聲是信號圍繞平均值的隨機變化，由于電子設備的噪聲，峰值信號電平將在平均值附近小幅波動， 噪聲可以通過隨時間波動的均方根(RMS)值來衡量。SNR定義為峰值信號隨時間的平均值除以同一時間內峰值信號的RMS噪聲。為了獲得準確的SNR結果，通常需要測量超過25-50個時間的頻譜樣本。在SNR測量期間，光譜儀的輸入信號即光源的穩定性非常重要，否則將會導致測量錯誤。

線性校正度：非線性的具體表現為當保持光源強度不變時，隨著積分時間的增加，探測器的響應強度與時間并不全成線性關系。所有CCD檢測器對光的反應都會出現非線性。如果不加以校正，非線性將在計算歸一化值(吸光度、透射率或輻照度)時產生誤差。光譜儀中使用的探測器型號不同，非線性模式也不同。不同探測器的非線性程度不同，但探測器中所有像素的非線性程度相同。由于探測器中的所有像素都是一樣的。因此，可以測量線性度并在軟件中修正誤差。

何選擇(ze)合適的(de)光纖

用戶在使用光譜儀(yi)搭(da)建系統時(shi)，要根據(ju)光譜儀(yi)參(can)數和系統情況選擇合適(shi)的(de)光纖，用于接收光信(xin)號并且傳遞到光譜儀(yi)的(de)狹縫位置。

在選擇光纖時，主要考慮三個參數：第一是纖芯直徑（芯徑）。芯徑有多種規格可選，一般有5μm、50μm、105μm、200μm、400μm、600μm等，更粗可以到1mm以上。需要注意的是，增加芯徑雖然可以提高光纖前端接收到的能量，但由于前端狹縫寬度以及后端探測器感光面高度限制了光譜儀的接收能力，所以芯徑并不是越粗越好。

不同的光纖(xian)芯(xin)徑

多芯光纖，一端(duan)為圓形排(pai)列(用(yong)于接收(shou))，一端(duan)為線形排(pai)列(用(yong)于耦合到(dao)光譜(pu)儀)

光(guang)纖信號耦合(he)到狹縫

第二(er)是光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)的工(gong)作波(bo)段(duan)和材料(liao)。光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)材料(liao)一(yi)般(ban)有高羥(qian)基(ji)(High-OH)、低(di)羥(qian)基(ji)(Low-OH)、抗(kang)(kang)紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)。不同材料(liao)的波(bo)長(chang)透過(guo)率不同，一(yi)般(ban)高羥(qian)基(ji)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)用于(yu)紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)/可見光(guang)(guang)波(bo)段(duan)(UV/VIS)，低(di)羥(qian)其(qi)用于(yu)近紅(hong)外(wai)(wai)(wai)(NIR) 波(bo)段(duan)，紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)波(bo)段(duan)還要(yao)考慮采用特殊(shu)的抗(kang)(kang)紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)，用戶(hu)要(yao)根據工(gong)作波(bo)段(duan)來選(xuan)擇合(he)適的光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)。

第(di)三是光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)數值(zhi)孔徑（NA）值(zhi)。由于(yu)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)發光(guang)(guang)原理，光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)端(duan)(duan)面的(de)(de)(de)(de)(de)出射光(guang)(guang)被限制在一定的(de)(de)(de)(de)(de)發散(san)角范圍內，這個角度以(yi)NA值(zhi)來(lai)表征。多模光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)NA一般有0.1、0.22、0.39、0.5幾種可選，以(yi)最為(wei)常見0.22NA為(wei)例(li)，意(yi)味(wei)著(zhu)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)經(jing)過(guo)50mm后的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)斑直(zhi)徑約為(wei)22mm，100mm后的(de)(de)(de)(de)(de)直(zhi)徑為(wei)44mm。光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)光(guang)(guang)譜儀(yi)廠商在設計光(guang)(guang)譜儀(yi)時(shi)(shi)也通常考(kao)慮(lv)盡量匹配光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)NA值(zhi)0.22.以(yi)保證能量盡可能地接(jie)收(shou)。另外(wai)，光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)NA值(zhi)還關(guan)系(xi)到——當(dang)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)前端(duan)(duan)有透鏡(jing)耦(ou)合時(shi)(shi)，透鏡(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)NA值(zhi)要盡量和光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)NA值(zhi)匹配，避(bi)免光(guang)(guang)信號的(de)(de)(de)(de)(de)損失。

光纖的(de)NA值決定了光纖的(de)光束發散(san)角

光纖在(zai)和透鏡(jing)或凹面鏡(jing)配合時(shi)，NA值要盡量匹配，避免能量損(sun)失(shi)

光(guang)纖光(guang)譜(pu)儀的(de)NA值參(can)數(shu)代表了光(guang)譜(pu)儀可(ke)以接收(shou)的(de)角度。如(ru)果(guo)信(xin)號(hao)光(guang)入(ru)射NA(即入(ru)射光(guang)纖NA)小于(yu)或等于(yu)光(guang)譜(pu)儀的(de)NA，表示入(ru)射的(de)信(xin)號(hao)會被全利用，如(ru)果(guo)信(xin)號(hao)光(guang)入(ru)射NA大于(yu)光(guang)譜(pu)儀NA值，表示存(cun)在一部分能量損失。鑒(jian)知的(de)透射光(guang)譜(pu)儀系列(lie)有較大的(de)數(shu)值孔徑，NA值為(wei)0.25.可(ke)以全接收(shou)0.22NA的(de)多(duo)模光(guang)纖信(xin)號(hao)。

光(guang)譜儀的(de)NA值即內部凹面反射鏡的(de)NA值

用(yong)(yong)戶在(zai)收集光(guang)(guang)信號時(shi)(shi)，除(chu)了(le)利(li)用(yong)(yong)光(guang)(guang)纖(xian)傳導(dao)以(yi)外，還(huan)可以(yi)采用(yong)(yong)自由空(kong)(kong)間(jian)光(guang)(guang)耦合的方(fang)法，即(ji)利(li)用(yong)(yong)透鏡將平行光(guang)(guang)匯聚(ju)到光(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)內部。采用(yong)(yong)自由空(kong)(kong)間(jian)光(guang)(guang)路時(shi)(shi)，透鏡的NA值(zhi)(zhi)要(yao)和光(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)的NA值(zhi)(zhi)匹配，同時(shi)(shi)還(huan)要(yao)保證光(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)的狹縫(feng)位于透鏡的焦點處，以(yi)實現最大(da)的光(guang)(guang)通量。

自由(you)空間(jian)光(guang)路耦(ou)合

參數信息