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E+H光譜分析儀簡(jiǎn)稱(chēng)光譜儀，是將成分復(fù)雜的復(fù)合光分解為光譜線并進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算的科學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用于輻射度學(xué)分析、顏色測(cè)量、化學(xué)成份分析等領(lǐng)域，在冶金、地質(zhì)、水文、醫(yī)藥、石油化工、環(huán)境保護(hù)、宇宙探索等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。在照明行業(yè)，通常使用光譜儀來(lái)測(cè)量光源的光色參數(shù)。
1. E+H光譜分析儀的分類(lèi)
1666年，牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光在通過(guò)三棱鏡后被分解成了七色光，這就是三棱鏡對(duì)光線的色散現(xiàn)象。在E+H光譜分析儀內(nèi)部，也是利用色散組件的分光作用，通過(guò)不同的光路形式，將復(fù)色光分解成一系列獨(dú)立的單色光，然后進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。
E+H光譜分析儀一般由分光系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其工作原理是將光源發(fā)出的復(fù)色光按照不同的波長(zhǎng)分離出來(lái)，配合各種光電探測(cè)器件對(duì)譜線強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，獲得光譜功率(輻射)分布，再計(jì)算出色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、光通量、輻射通量等光色性能參數(shù)。
分光系統(tǒng)通常做成整體式結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為單色儀或多色儀。單色儀是輸出單色譜線的光學(xué)儀器，通常與PMT探測(cè)器為核心的接收系統(tǒng)配套工作，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，各部分相對(duì)獨(dú)立。多色儀在結(jié)構(gòu)上與探測(cè)器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)緊密結(jié)合，通常可以直接輸出光譜測(cè)量數(shù)據(jù)。
E+H光譜分析儀的種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的分類(lèi)方法如下：
按工作光譜的區(qū)域分類(lèi)：紫外-可見(jiàn)光(UV-VIS)光譜儀、可見(jiàn)光(VIS)光譜儀、紫外-可見(jiàn)光-近紅外(VIR)光譜儀等類(lèi)型
按分光系統(tǒng)分類(lèi)：棱鏡分光光譜儀、光柵分光光譜儀、濾色片分光光譜儀
按光路數(shù)量分類(lèi)：?jiǎn)温饭庾V儀、多路光譜儀
按探測(cè)器分類(lèi)：在可見(jiàn)光范圍內(nèi)主要有PMT光譜儀和CCD光譜儀兩種，在紫外、近紅外范圍內(nèi)還有專(zhuān)門(mén)的探測(cè)器類(lèi)型
按掃描方式分類(lèi)：機(jī)械掃描式光譜儀、快速掃描式光譜儀
按測(cè)量對(duì)象和測(cè)量結(jié)果的用途分類(lèi)：分析用光譜儀、光色測(cè)量用光譜儀
在照明行業(yè)，通常使用的都是可見(jiàn)光光色測(cè)量光譜儀，又細(xì)分為機(jī)械掃描式和陣列掃描式兩種。
2. 機(jī)械掃描式光譜儀
機(jī)械掃描式光譜儀通常由單色儀、光電倍增管探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成。其特點(diǎn)是測(cè)量精度高，但儀器龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掃描時(shí)間較長(zhǎng)。主要用于各種高精度光色測(cè)量領(lǐng)域，不適合測(cè)量對(duì)時(shí)間敏感的光源或其他快速測(cè)量應(yīng)用。
2.1 單色儀
單色儀的光路如下圖所示，光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的復(fù)合光線經(jīng)光纖引導(dǎo)至入射狹縫并投射到準(zhǔn)直反射鏡上，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡將發(fā)散光變換為平行光束再照射到衍射光柵，利用每個(gè)波長(zhǎng)離開(kāi)光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再把某一波長(zhǎng)的單色光反射到出射狹縫，光電倍增管(PMT)就可以測(cè)定這個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)值和強(qiáng)度。光柵在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，出射狹縫就可以得到不同波長(zhǎng)的單色光，通過(guò)同步讀取光柵角度和光電倍增管的輸出信號(hào)，就可以得到復(fù)合光的全部光譜信息。
單色儀有入射和出射兩個(gè)狹縫，入射狹縫用來(lái)限制雜散光的進(jìn)入，一般位于準(zhǔn)直鏡的焦點(diǎn)上。出射狹縫用來(lái)限制光譜帶寬，一般位于物鏡的焦點(diǎn)上。狹縫通常由兩個(gè)具有銳利刀口的精密金屬片構(gòu)成，分為固定狹縫、單邊可調(diào)非對(duì)稱(chēng)式狹縫和雙邊可調(diào)對(duì)稱(chēng)狹縫幾種。用于光色測(cè)量的亮度計(jì)中，兩個(gè)狹縫通常設(shè)計(jì)為等寬，且不能自行調(diào)節(jié)。在用于材料分析的亮度計(jì)中，狹縫往往設(shè)計(jì)成可由儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)寬度。
機(jī)械掃描式光譜儀的特點(diǎn)是光電探測(cè)器固定不動(dòng)，通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式改變衍射光柵的角度，將不同波長(zhǎng)的單色光逐一投射到探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)光譜范圍的掃描。由于整個(gè)可見(jiàn)光譜是按波長(zhǎng)逐一測(cè)量，機(jī)械掃描式光譜儀的讀數(shù)時(shí)間很長(zhǎng)，通常需要數(shù)十秒鐘，所以這類(lèi)E+H光譜分析儀并不適用于測(cè)量光源的瞬時(shí)輸出。
作為一種改良技術(shù)，有些掃描式光譜儀將兩個(gè)或多個(gè)衍射光柵安裝在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，配合一個(gè)精準(zhǔn)的角度編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)角度同時(shí)采集兩個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量值，以此縮短掃描時(shí)間并保證整個(gè)光譜范圍內(nèi)的波長(zhǎng)精準(zhǔn)性。
2.2 光電倍增管探測(cè)器
接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，主要包括光電探測(cè)器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換等部分。不同的光譜頻段需要選用不同類(lèi)型的光電探測(cè)器，以確保光譜響應(yīng)度。
機(jī)械掃描式光譜儀通常使用光電倍增管(PMT)作為光電探測(cè)器，PMT是一種對(duì)紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光極其敏感的特殊電子管，它能將微弱光信號(hào)通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出，使光信號(hào)能夠被測(cè)量。
光電倍增管分為頂窗型(Head-on)和側(cè)窗型(Side-on)兩種結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含光電陰極、聚焦極、多個(gè)倍增極(二次發(fā)射極)和陽(yáng)極，每個(gè)倍增電極上的電壓都高過(guò)它前面一個(gè)電極，使得電子能夠逐級(jí)加速。入射光子撞擊光電陰極產(chǎn)生光電效應(yīng)，激發(fā)出的光電子被聚焦到倍增系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一連串的二次發(fā)射使得電子倍增，最后到達(dá)陽(yáng)極作為信號(hào)輸出。
光電倍增管具有高靈敏度和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高能物理、天體觀測(cè)、醫(yī)療儀器、石油勘探、工業(yè)檢測(cè)、天文等多種弱光檢測(cè)領(lǐng)域的研究工作。著名的制造商包括英國(guó)ET公司(Enterprises Limited)、 日本濱松公司(Hamamatsu Photonics)等。
2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可讀數(shù)據(jù)，對(duì)于高精度的復(fù)雜運(yùn)算，通常采用專(zhuān)業(yè)軟件在外部計(jì)算機(jī)上運(yùn)行處理。
3. 陣列掃描式光譜儀
傳統(tǒng)的機(jī)械掃描式光譜儀需要旋轉(zhuǎn)光柵來(lái)對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，測(cè)量速度慢。隨著光電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，基于陣列式光電探測(cè)器的快速掃描光譜儀得到廣泛應(yīng)用。陣列式光譜儀不必移動(dòng)光柵即可完成對(duì)光譜的掃描，可瞬態(tài)采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)輸出。同時(shí)，陣列式光譜儀系統(tǒng)具有模塊化的特點(diǎn)，可根據(jù)不同的應(yīng)用需要來(lái)選擇組件，采用各種不同類(lèi)型的采樣光纖探頭，色散器件，聚焦光學(xué)系統(tǒng)和檢測(cè)器來(lái)搭建光學(xué)測(cè)量平臺(tái)，主要分為微型E+H光譜分析儀和高精度E+H光譜分析儀兩大類(lèi)。
陣列掃描式光譜儀通常由多色儀、陣列式光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成，其中多色儀與單色儀最大的不同在于沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，保證了儀器長(zhǎng)久運(yùn)行的穩(wěn)定性和測(cè)量重復(fù)性，在結(jié)構(gòu)上也可以設(shè)計(jì)得非常小巧緊湊。陣列探測(cè)器采用全光譜同步探測(cè)方式，具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、重復(fù)性好、分辨率高等特點(diǎn)。
3.1 多色儀
典型的多色儀的光路如下圖所示，光線經(jīng)光纖引導(dǎo)至入射狹縫并投射到準(zhǔn)直物鏡上，準(zhǔn)直物鏡將發(fā)散光變成平行光再反射到衍射光柵上，經(jīng)光柵分光形成光譜光束，然后經(jīng)聚焦鏡后在焦平面上形成光譜帶。置于焦平面上的探測(cè)器的不同像素位置對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，并且感應(yīng)的電壓大小對(duì)應(yīng)于該像素接收光強(qiáng)的大小。這樣，通過(guò)掃描探測(cè)器各像素點(diǎn)的輸出電壓，就可以得到光譜的功率分布P(λ)，然后據(jù)此計(jì)算相關(guān)光色參數(shù)。
下圖是另一種結(jié)構(gòu)的多色儀光路，入射光經(jīng)入射狹縫和反射鏡后投射到平場(chǎng)凹面光柵上，凹面光柵將光線色散并匯聚到焦平面，然后由陣列探測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出。平場(chǎng)凹面光柵是像差校正光柵，它把入射狹縫的光譜會(huì)聚到一個(gè)平面上，探測(cè)器陳列就能同時(shí)探測(cè)到不同波長(zhǎng)的信號(hào)強(qiáng)度。
3.2 光纖
光纖用來(lái)將需要測(cè)量的光信號(hào)耦合到E+H光譜分析儀中，E+H光譜分析儀的光纖通常采用SMA905接口設(shè)計(jì)，可與不同的光學(xué)附件結(jié)合使用，具有很好的通用性。
3.3 狹縫
狹縫的作用是控制入射光線的寬度，其大小直接影響到E+H光譜分析儀的分辨率。狹縫越小對(duì)應(yīng)的光譜帶寬較小，波長(zhǎng)分辨率就越高，但是過(guò)小的狹縫通過(guò)的光線微弱，必須增大后級(jí)儀器的增益，導(dǎo)致儀器噪聲增大。較大的狹縫可以增加光通量，提高信噪比，但狹縫越大對(duì)應(yīng)的光譜帶寬也較大，因入射光的單色光降低而使波長(zhǎng)分辨率降低。
3.4 光柵
光柵也稱(chēng)為衍射光柵，是利用衍射原理使平行光發(fā)生色散、分解為光譜的光學(xué)器件。光柵是一種多狹縫部件，光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉和單狹縫衍射兩者聯(lián)合作用的結(jié)果，多縫干涉決定光譜線出現(xiàn)的位置，單縫衍射決定譜線的強(qiáng)度分布。法國(guó)Jobin- Yvon公司、美國(guó)Newport公司是行業(yè)領(lǐng)先的光柵制造商。
3.4.1光柵的分類(lèi)
光柵按作用類(lèi)型分為透射式光柵和反射式光柵。透射式光柵是在透明玻璃上刻痕制成，刻痕處相當(dāng)于毛玻璃，大部分光將不會(huì)透過(guò)，而兩條刻痕之間可以透光，利用這一特性可以得到衍射分光效果。透射式光柵的性能較差，實(shí)際應(yīng)用較少。
反射式光柵是在鍍膜的高反射玻璃或金屬基材上刻劃出一系列相互平行、等距、等寬的平行刻線(凹槽)制成，其刻線數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。反射式光柵能對(duì)入射光起到色散和反射的作用，光柵刻線多時(shí)光譜分辨率高，刻線少時(shí)光譜覆蓋范圍寬。由于鋁在近紅外區(qū)域和可見(jiàn)區(qū)域的反射系數(shù)都比較大，而且?guī)缀跏浅?shù)，更重要的是它在紫外區(qū)域的反射系數(shù)比金和銀都大，再加上它材質(zhì)較軟，便于刻劃，所以通常反射光柵都用鋁來(lái)做鍍層材料。
3.4.2平面反射光柵和凹面反射光柵
平面反射光柵是在平面基材上刻槽制成，只有色散功能，在光柵散射前后必須安裝準(zhǔn)直鏡和聚光鏡。如果光柵上存在周期性刻劃失誤，在衍射平面上就會(huì)出現(xiàn)鬼線。
凹面反射光柵是在高反射金屬凹面基材內(nèi)刻槽制成，由羅蘭(Rowland)在1882年提出，所以又稱(chēng)為羅蘭光柵。這種光柵能使光線既衍射又能聚焦，不僅簡(jiǎn)化了光譜儀器的結(jié)構(gòu)，還將E+H光譜分析儀的應(yīng)用擴(kuò)展到遠(yuǎn)紫外光譜及遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域，解決了當(dāng)時(shí)棱鏡光譜儀不可克服的一些缺陷。使用凹面反射光柵設(shè)計(jì)的光譜儀不需要準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡，所以光路緊湊，光損失和吸收現(xiàn)象低，并且大大減少了雜散光和色差，增加了光通率，提高了儀器的信噪比。
3.4.3 閃耀光柵和全息光柵
當(dāng)反射式光柵的刻槽為鋸齒形時(shí)，光柵的光能量便集中在預(yù)定的方向上，即光譜強(qiáng)度在這個(gè)方向最大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為閃耀，這種光柵稱(chēng)為閃耀光柵。閃耀光柵中起衍射作用的平面與光柵底面的夾角稱(chēng)為閃耀角，最大光強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為閃耀波長(zhǎng)。閃耀光柵在指定波長(zhǎng)可以有很高的衍射效率，光柵效率愈高，信號(hào)損失愈小。目前在微型光譜儀中使用的幾乎都是反射式閃耀光柵。
全息光柵的刻槽通常為近似正弦波形，刻槽等寬平行或者為優(yōu)化性能而特別設(shè)計(jì)的不等寬平行。其線槽密度高，刻劃面積大，因此雜散光低，同時(shí)分辨率也得到大幅度提高。全息光柵在較寬光譜范圍內(nèi)的衍射效率變化平緩，衍射效率最高的波長(zhǎng)由刻痕的深度確定。全息光柵的衍射效率通常比閃耀光柵低，但是通過(guò)改變刻痕深度和刻痕周期的比率以及采用“離子蝕刻”等技術(shù)，也可以獲得比閃耀光柵更高的效率。另外，全息光柵不會(huì)出現(xiàn)周期性的刻劃失誤，所以不會(huì)產(chǎn)生鬼線。采用全息光柵的E+H光譜分析儀具有很高的測(cè)量精度。
3.4.4光柵的加工方法
常見(jiàn)的光柵的加工方法有機(jī)械刻劃法和全息照相法兩種。機(jī)械刻劃法即用帶鉆石刀頭的刻劃?rùn)C(jī)在基材上刻出溝槽，是制作光柵的經(jīng)典方法，可用于紫外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)。全息照相法是用兩束激光形成干涉條紋和光刻過(guò)程來(lái)刻劃溝槽，可在平面或球型的表面生成光柵，可用于近紫外、可見(jiàn)和近紅外光區(qū)。
3.5陣列式光電探測(cè)器
光電探測(cè)器是光譜儀最核心的部分，其制作材料、制造方法及摻雜成分直接決定了E+H光譜分析儀的光譜覆蓋范圍、靈敏度、分辨率和信噪比等指標(biāo)。硅基探測(cè)器的波長(zhǎng)覆蓋范圍一般為190nm-1100nm，而InGaAs和PbS探測(cè)器的波長(zhǎng)覆蓋范圍一般為900nm-2900nm。
在上世紀(jì)九十年代，微電子領(lǐng)域中的多象元光學(xué)探測(cè)器迅猛發(fā)展，如硅光電倍增管( Silicon Photomultiplier，SPM)、CMOS 傳感器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)、CCD探測(cè)器(Charge-coupled Device)、InGaAs探測(cè)器等器件的出現(xiàn)使生產(chǎn)低成本、高精度的光譜儀成為可能。在照明行業(yè)，積分球測(cè)量系統(tǒng)中使用的快速掃描式光譜儀幾乎都是CCD探測(cè)器。
CCD探測(cè)器上由許多排列整齊的電容單元組成，當(dāng)光線照射到光敏面時(shí)就會(huì)釋放電荷，這個(gè)電信號(hào)傳送到A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理后就可以獲得測(cè)量結(jié)果。CCD上包含的單元(像素，Pixel)越多，分辨率也就越高。CCD具有自然積分的特性，因此具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍。
CCD的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是存在暗(熱)電流，信噪比低，對(duì)350nm以下的光信號(hào)的響應(yīng)很低，采用DUV 鍍膜工藝可以適當(dāng)提高150-350nm 的響應(yīng)度。
3.5.1 CCD探測(cè)器的分類(lèi)
按陣列結(jié)構(gòu)分為線陣和面陣兩種
CCD上的探測(cè)單元呈直線排列時(shí)，稱(chēng)為線陣CCD，呈縱橫排列時(shí)，稱(chēng)為面陣CCD。線陣CCD探測(cè)器信噪比低，但體積較小，特別適合小型或移動(dòng)式E+H光譜分析儀，通常應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、在線檢測(cè)等場(chǎng)合。面陣CCD探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍大，噪聲低，適用于高精度測(cè)量場(chǎng)合。
按受光方式分為前照式和背照式兩種
前照式CCD由于正面布置著很多電極，光線經(jīng)電極反射和散射后，不僅使得響應(yīng)度大大降低，并且多次反射的干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)馬鞍形的起伏。背照式CCD采用了特殊的制造工藝，避免了上述問(wèn)題，因而響應(yīng)度大大提高。以薄型背照式電荷耦合器件(Back Thinned Charge Coupled Device，BTCCD)為例，其硅層厚度從一般CCD的數(shù)百微米減薄到20μm以下，背照式結(jié)構(gòu)又避免穿越鈍化層，因而具有噪聲低、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。其量子效率在紫外波段超過(guò)40%，在可見(jiàn)光波段可達(dá)到80%-90%，是一種性能優(yōu)異的寬波段探測(cè)器件。
CCD探測(cè)器的制冷方式
CCD探測(cè)器的溫升會(huì)導(dǎo)致熱噪聲，溫度越高，熱噪聲越大。解決方法是給探測(cè)器增加冷卻措施，常用的制冷方式主要有TE半導(dǎo)體制冷和液氮制冷兩種。制冷型CCD探測(cè)器對(duì)溫度的影響不再敏感，可以采用長(zhǎng)積分時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，以降低噪聲和提高動(dòng)態(tài)范圍。紅外測(cè)量應(yīng)用時(shí)必須選擇制冷型探測(cè)器。
4. E+H光譜分析儀的性能參數(shù)
4.1 光譜范圍
波長(zhǎng)范圍指光譜儀所能測(cè)量的波長(zhǎng)區(qū)間，通常測(cè)量可見(jiàn)光選擇380nm-780nm的范圍，測(cè)量紫外光譜選擇250nm–850nm，測(cè)量紅外光譜選擇350nm–1100nm。光柵及探測(cè)器的類(lèi)型會(huì)影響波長(zhǎng)范圍，通常寬的波長(zhǎng)范圍意味著低的光譜分辨率。
4.2 光譜分辨率
光譜分辨率指能被光譜儀分辨開(kāi)的最小波長(zhǎng)差，E+H光譜分析儀中有實(shí)際意義的分辨率定義是測(cè)量單個(gè)譜線的半高寬(FWHM)，即最大峰值光強(qiáng)50%處所對(duì)應(yīng)的譜線寬度。
分辨率依賴于狹縫寬度、光柵的分辨能力、系統(tǒng)的有效焦長(zhǎng)、系統(tǒng)的光學(xué)像差等參數(shù)。入射狹縫決定了進(jìn)入到光譜儀的光束寬度，狹縫越窄分辨率也越高;光柵刻劃線數(shù)越多，色散效應(yīng)隨波長(zhǎng)變化就會(huì)越明顯，在最長(zhǎng)波長(zhǎng)處會(huì)得到最高分辨率;高像素的 CCD 探測(cè)器也可以獲得更高的光譜分辨率。但是，分辨率越高，光信號(hào)越弱，噪聲比也會(huì)變差，因此二者要適當(dāng)兼顧。
4.3 靈敏度
靈敏度定義為某一特定波長(zhǎng)照射到像元上的單位輻射度所產(chǎn)生的電信號(hào)輸出，主要影響因素有光柵的效率、探測(cè)器材料等因素。
探測(cè)器的靈敏度在很大程度上由其材料特性決定，在CCD探測(cè)器上安裝靈敏度增強(qiáng)透鏡可以提高系統(tǒng)的靈敏度。適當(dāng)增大狹縫，增加入射光通量，也能提高靈敏度。
4.4 動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍指光譜儀能測(cè)量到的最大與最小光能量的比值，比值越大性能越好。探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍越大，所探測(cè)的光強(qiáng)度范圍越大，光譜儀的信噪比與穩(wěn)定性也就更好。
增大動(dòng)態(tài)范圍的途徑是降低探測(cè)器的暗電流和噪聲，可采用制冷型CCD，或選擇量子效率更高、像素更大的CCD器件。
4.5 信噪比
信噪比指測(cè)得的信號(hào)能量水平與疊加在信號(hào)上的噪聲水平的比值，信噪比越高，其測(cè)量值的偏差就越小。信噪比與光譜儀的探測(cè)器性能、電路噪聲和光路雜散光相關(guān)。光譜儀的檢測(cè)限也與信噪比直接相關(guān)，通常將測(cè)量的檢測(cè)限定義為在信噪比為3時(shí)可成功測(cè)量到的信號(hào)水平。
對(duì)于CCD光譜儀，靈敏度越高，檢測(cè)到的噪聲信號(hào)越高，信噪比也就越低。CCD探測(cè)器的噪聲包括自身的隨機(jī)噪聲、因溫度引起的熱噪聲、讀數(shù)時(shí)產(chǎn)生的讀出噪聲等幾種。其中讀出噪聲與讀取的速度有關(guān)，它發(fā)生在每次電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中，因此讀取速度越快，讀出噪聲也越高。在一定范圍內(nèi)，可以通過(guò)對(duì)多次讀數(shù)進(jìn)行平均來(lái)提高信噪比。另外，在犧牲分辨率的前提下，通過(guò)像素打包(BINNING)技術(shù)，將CCD探測(cè)器的多個(gè)像素綁定后對(duì)積累的電荷求和，也可以提高讀取速度及信噪比。
4.6 讀出速度
讀出速度指在一定的入射光水平下，光譜儀輸出譜圖信號(hào)所需的時(shí)間，用來(lái)表征單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)處理速度的快慢。讀出速度越快，單位時(shí)間內(nèi)獲得的信息越多，但同時(shí)讀出噪聲也越高。
讀出速度與光譜儀的靈敏度、光譜儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及PC接口速度相關(guān)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器速率越高，光譜儀的讀出速度越快。USB2.0接口的最快速度可達(dá)到100張譜圖/s，而RS232接口的最快速度只能達(dá)到2張譜圖/s。
4.7 重復(fù)性
重復(fù)性是指光譜儀對(duì)多次測(cè)量同一樣品的一致性。在機(jī)械掃描式光譜儀中，由于步進(jìn)電機(jī)帶來(lái)的機(jī)械定位問(wèn)題，重復(fù)定位到同一波長(zhǎng)有可能會(huì)出現(xiàn)誤差，重復(fù)性可以用來(lái)衡量光譜儀返回原波長(zhǎng)的能力。在陣列式光譜儀中，因?yàn)闆](méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此不存在波長(zhǎng)定位問(wèn)題，其測(cè)量重復(fù)性主要取決于探測(cè)器類(lèi)型、暗電流噪聲、測(cè)試電路的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的空間抗干擾能力等因素。
4.8 雜散光
在E+H光譜分析儀中，雜散光指被測(cè)波長(zhǎng)之外，探測(cè)器接收到的其他無(wú)用波長(zhǎng)信號(hào)。雜散光會(huì)導(dǎo)致一定的背景光譜，影響測(cè)量信號(hào)的單色性，造成系統(tǒng)信噪比降低，導(dǎo)致分光測(cè)量誤差增大，嚴(yán)重降低測(cè)量結(jié)果的精確度。
絕大多數(shù)光學(xué)參數(shù)都是通過(guò)對(duì)全譜段所測(cè)信號(hào)積分以后獲得，尤其在測(cè)量窄波段LED的時(shí)候，測(cè)量結(jié)果很容易受到背景光(雜散光、探測(cè)器噪聲等)的嚴(yán)重干擾，高精度光譜儀有較高的動(dòng)態(tài)信號(hào)范圍，能保證在全部光譜范圍測(cè)量精度，而廉價(jià)光譜儀因?yàn)閯?dòng)態(tài)范圍低而雜散光的水平高，在測(cè)量紅光、藍(lán)光尤其是白光LED的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。
4.9 CCD的暗電流
CCD的暗電流指沒(méi)有入射光時(shí)，像元內(nèi)部因熱激勵(lì)載流子產(chǎn)生的電荷噪音。暗電流是CCD探測(cè)器固有的特性，它的存在限制了器件的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
由于CCD各像元的缺陷不完全一致，像元之間的的暗電流也呈現(xiàn)非均勻性，導(dǎo)致CCD輸出帶有固定背景噪音。通過(guò)關(guān)閉入射光，有意延長(zhǎng)曝光時(shí)間，在探測(cè)器表面沒(méi)有受到光子撞擊時(shí)讀取輸出，可以求得各像元的修正系數(shù)，以此補(bǔ)償測(cè)量值。另外，將CCD器件置于恒定的低溫環(huán)境中，噪聲影響將大大降低。
5. 高精度CCD光譜儀
高精度CCD光譜儀具有更高的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比，主要應(yīng)用于需要高穩(wěn)定性和高精度的科學(xué)研究領(lǐng)域，以下介紹幾款在照明領(lǐng)域使用較多的光譜儀設(shè)備。
5.1. G&H OL770-LED高速光譜輻射度計(jì)
美國(guó)Optronic Laboratory是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)的兩位光度和輻射度領(lǐng)域的計(jì)量測(cè)試科學(xué)家于1970年創(chuàng)建，提供各種光譜輻射度測(cè)試儀器、標(biāo)準(zhǔn)燈及校正服務(wù)，是世界享有盛譽(yù)的光學(xué)計(jì)量測(cè)試儀器生產(chǎn)廠家，在2010年1月被英國(guó)Gooch & Housego公司收購(gòu)。G&H成立于1948年，其聲光器件和射頻驅(qū)動(dòng)、電光器件、光纖器件、光學(xué)拋光及鍍膜、光譜儀、高光譜成像系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和制造均處于世界領(lǐng)先地位。
OL770-LED光譜儀是一套基于CCD的高速光譜輻射度計(jì)系統(tǒng)，并針對(duì)LED測(cè)試進(jìn)行了優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)LED芯片、單管、模塊、陣列等產(chǎn)品的所有光學(xué)參數(shù)的嚴(yán)格測(cè)試，完全兼容CIE 127文件的要求。L770-LED光譜儀能給LED的各種研發(fā)和生產(chǎn)提供科學(xué)級(jí)測(cè)量數(shù)據(jù)，是全球知名的高精度快速光譜測(cè)量?jī)x。
主要特點(diǎn)：
基于熱電制冷背照式CCD探測(cè)器，具有極低的雜散光和極高的精度，極低的光譜分辨率和出色的波長(zhǎng)精度。
采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的基于像差修正技術(shù)的凹面平場(chǎng)衍射光柵，高精度的光譜光學(xué)組件保證了較低的雜散光水平、高光譜分辨率和極佳的光譜波長(zhǎng)精度。
內(nèi)部控制電路、光譜模塊以及探測(cè)器完全集成在一個(gè)封閉、牢固的箱體中，并配置RS-232 和USB數(shù)據(jù)采集接口，可使用筆記本電腦進(jìn)行控制和操作。
內(nèi)置有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鹵鎢燈光源，當(dāng)由于LED的2π測(cè)量時(shí)，可作為標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)進(jìn)行設(shè)備校正，同時(shí)也可作為輔助燈用于自吸收校正，為L(zhǎng)ED測(cè)量帶來(lái)便利和精度保證。
光學(xué)狹縫安裝在前部面板的入口處，可更換為其他寬度，便于改變光學(xué)帶寬。
5.2. IS CAS140CT高動(dòng)態(tài)范圍快速光譜儀
德國(guó)Instrument Systems公司創(chuàng)建于1986年，主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域是汽車(chē)和航空工業(yè)，是國(guó)際光譜測(cè)量市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。 研制和生產(chǎn)各光譜儀、成像亮度計(jì)、色度計(jì)和偏光分析儀等光測(cè)量設(shè)備，同時(shí)在LED快速檢測(cè)領(lǐng)域樹(shù)立了標(biāo)準(zhǔn)。
CAS140CT 是IS公司在全球銷(xiāo)量極高的耐用型CCD陣列式光譜儀的第三代產(chǎn)品，它集測(cè)量的精準(zhǔn)性、設(shè)計(jì)的耐用性和操作的便捷性為一身，廣泛用于LCD顯示屏、閃光燈、LED照明等產(chǎn)品的生產(chǎn)線或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試。
主要特點(diǎn)：
光譜范圍覆蓋200 -2150 nm
集成的暗電流快門(mén)
毫秒時(shí)級(jí)的測(cè)量時(shí)間
帶制冷的高端背照式CCD探測(cè)器，使用交叉Czerny-Turner光路，能夠高效抑制雜散光，使光譜儀無(wú)論在信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍還是測(cè)量精準(zhǔn)性上均有極明顯改善，可獲得最高的測(cè)量靈敏度和信號(hào)穩(wěn)定性
集成的輪式光學(xué)濾光片，根據(jù)光源強(qiáng)弱不同，自動(dòng)調(diào)用合適的濾光片，使光譜儀的強(qiáng)度測(cè)量范圍擴(kuò)大了 4 個(gè)等級(jí)，使無(wú)論是弱光源還是強(qiáng)光源都可以全自動(dòng)測(cè)量，帶來(lái)極大的光譜強(qiáng)度測(cè)量范圍
可在 USB 和 PCI 接口之間選擇
配有用于實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)應(yīng)用的軟件
5.3. Labsphere CDS2100 快速E+H光譜分析儀
藍(lán)菲光學(xué)(Labsphere)于1979年成立于美國(guó)，曾經(jīng)是著名的顏色測(cè)量?jī)x器商X-rite的子公司，目前是英國(guó)豪邁(Halma)集團(tuán)旗下成員。Labsphere專(zhuān)精于光學(xué)檢測(cè)、感應(yīng)器校正、分光附屬品、材料等領(lǐng)域，是全球照明測(cè)試和測(cè)量、探測(cè)器校準(zhǔn)以及光學(xué)漫反射涂料領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)軍企業(yè)。英國(guó)豪邁集團(tuán)(HALMA p.l.c.)創(chuàng)立于1894年，是國(guó)際安全、健康及傳感器技術(shù)方面的領(lǐng)軍企業(yè)，倫敦證券交易所的上市公司，在全球擁有 3700 多名員工，36 家子公司。
CDS 2100光譜儀是一款經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的交叉C-T結(jié)構(gòu)光譜儀。該光譜儀內(nèi)置的電制冷、薄型背照式CCD探測(cè)器可高效地抑制雜散光，具有極高的精度和穩(wěn)定性，符合最新 CIE 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)并得到能源之星第三方實(shí)驗(yàn)室的廣泛認(rèn)可。
主要特點(diǎn)：
動(dòng)態(tài)范圍廣，應(yīng)用廣泛
搭配的LightMtrX軟件提供了多重光譜范圍
快速、低噪音
可選用3m長(zhǎng)的光纖輸入電纜
設(shè)計(jì)緊湊
適合藍(lán)菲光學(xué)所有的光譜測(cè)試系統(tǒng)，可溯源至NIST
5.4 EVERFINE HAAS-2000高精度快速E+H光譜分析儀
中國(guó)杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司(EVERFINE Corporation)創(chuàng)建于1993年，是全球著名的照明領(lǐng)域光電檢測(cè)儀器供應(yīng)商，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率和出口量均遙遙領(lǐng)先。遠(yuǎn)方公司是國(guó)內(nèi)最早從事光電測(cè)試儀器開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)之一，產(chǎn)品包括各類(lèi)光源專(zhuān)用光色電綜合檢測(cè)儀器、光度/色度/輻射度探頭、光譜輻射計(jì)、亮度計(jì)、照度計(jì)/光度計(jì)、色度計(jì)、分布光度計(jì)、積分球、電子鎮(zhèn)流器/熒光燈/LED專(zhuān)用測(cè)試儀器、EMC電磁兼容測(cè)試儀器、數(shù)字功率計(jì)、變頻電源等光電測(cè)試儀器。
HAAS-2000采用獨(dú)特的雜散光控制技術(shù)、寬動(dòng)態(tài)線性技術(shù)、精密CCD電子驅(qū)動(dòng)技術(shù)和復(fù)變矩陣軟件技術(shù)，并成功應(yīng)用了帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)、分光積分結(jié)合技術(shù)(SBCT)，以及修正的NIST雜散光校正技術(shù)等多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了前所未有的5.00E-05的極低雜散光水平(在A光源嚴(yán)格條件下)和0.3%的全動(dòng)態(tài)光度線性性能，是一款世界領(lǐng)先的快速光譜輻射計(jì)，完全滿足美國(guó)IESNA LM-79和中國(guó)GB/T 24824等標(biāo)準(zhǔn)要求，可實(shí)現(xiàn)LED的瞬態(tài)光學(xué)特性測(cè)量(脈沖測(cè)量)及穩(wěn)態(tài)光學(xué)特性測(cè)量(直流測(cè)量)。
主要特點(diǎn)：
低雜散光。通過(guò)高精度全息凹面衍射光柵、線性可變?yōu)V色器(LVF)及帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)技術(shù)的應(yīng)用，HAAS-2000的雜散光是原有高精度快速光譜儀的十分之一。
寬線性動(dòng)態(tài)。帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)SBCT技術(shù)大大提高了HAAS-2000的線性動(dòng)態(tài)范圍，此外，與普通CCD相比，HAAS-2000中所使用的科學(xué)級(jí)高靈敏度CCD也很大地拓寬了線性動(dòng)態(tài)范圍;
快速。毫秒級(jí)測(cè)量速度，HAAS-2000采用科學(xué)級(jí)高性能CCD陣列探測(cè)器代替機(jī)械掃描系統(tǒng)，可以在實(shí)現(xiàn)極短的測(cè)量時(shí)間，精確測(cè)量整個(gè)光譜范圍。
高精度。HAAS-2000專(zhuān)為高精度應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)，采用世界頂級(jí)的科學(xué)級(jí)制冷型的陣列探測(cè)器和平場(chǎng)凹面光柵，配備精密的光學(xué)系統(tǒng)和電子線路設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度、低噪聲、低雜散光和寬動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)科學(xué)級(jí)的測(cè)試精度與極高的測(cè)試效率。
高重復(fù)性和穩(wěn)定性。儀器沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的掃描機(jī)構(gòu)，唯一會(huì)產(chǎn)生影響的溫度因素也被恒溫制冷技術(shù)控制到了±05℃的水平，熱穩(wěn)定性好，幾乎沒(méi)有波長(zhǎng)漂移，測(cè)量的重復(fù)性和穩(wěn)定性極高。
小巧。由于不含機(jī)械掃描裝置，HAAS-2000設(shè)計(jì)精巧，無(wú)機(jī)械磨損，相對(duì)壽命長(zhǎng)，可靠性高。HAAS設(shè)計(jì)輕巧，非常適合需要手提的應(yīng)用場(chǎng)合。
NIM和NIST溯源。儀器直接由美國(guó)NIST和國(guó)家計(jì)量院傳遞標(biāo)準(zhǔn)，量值準(zhǔn)確度高。
高靈敏度。采用平場(chǎng)凹面光柵和HAMAMATSU TE-制冷背射式CCD，使得儀器的靈敏度極高。
電話： 0755-83233703
