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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   光譜儀基(ji)本知識(shi)

光譜(pu)儀的(de)基本原理是(shi)復色光通(tong)過狹(xia)縫后(hou)，準直入射至(zhi)光柵(zha)(zha)上，由于閃耀光柵(zha)(zha)的(de)色散效(xiao)應(ying)(ying)，不(bu)同(tong)顏色的(de)光衍射角不(bu)同(tong)，將會彼此分開，最后(hou)聚焦成像在線(xian)陣CCD的(de)不(bu)同(tong)位置。通(tong)過標(biao)定，可以通(tong)過獲(huo)取對應(ying)(ying)像素的(de)波長和強度值，得到光源的(de)譜(pu)線(xian)信息(xi)。

由這些元件決定的光譜(pu)儀關鍵參數有：

波(bo)(bo)(bo)長(chang)范(fan)圍：波(bo)(bo)(bo)長(chang)范(fan)圍是光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)所能測(ce)量的(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)區間，光(guang)(guang)纖(xian)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)的(de)探(tan)測(ce)區間在200-2500 nm。通常，使用CCD或CMOS探(tan)測(ce)器的(de)光(guang)(guang)纖(xian)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)范(fan)圍在200-1100 nm，即包含紫外光(guang)(guang)、可見光(guang)(guang)和短波(bo)(bo)(bo)近紅(hong)外光(guang)(guang)。而使用銦鎵砷(InGaAs)探(tan)測(ce)器的(de)近紅(hong)外光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)探(tan)測(ce)范(fan)圍在1000-2500 nm。光(guang)(guang)柵的(de)刻(ke)線數及探(tan)測(ce)器的(de)類型會影響波(bo)(bo)(bo)長(chang)范(fan)圍，一般(ban)來說(shuo)，寬波(bo)(bo)(bo)長(chang)范(fan)圍意(yi)味著低光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)，所以用戶(hu)需要(yao)在波(bo)(bo)(bo)長(chang)范(fan)圍和光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)兩個(ge)參數間做權衡(heng)。如果同時需要(yao)寬的(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)范(fan)圍和高的(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)，則(ze)需要(yao)組合使用多個(ge)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi) (多通道光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(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。

何選擇合適的光纖

用戶(hu)在使用光譜(pu)儀搭(da)建系統(tong)時，要根(gen)據光譜(pu)儀參數(shu)和系統(tong)情況選擇(ze)合適的光纖，用于(yu)接收光信(xin)號并且傳遞(di)到(dao)光譜(pu)儀的狹(xia)縫(feng)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(de)光纖芯徑

多芯(xin)光纖，一(yi)端為圓形(xing)排列(lie)(lie)(用(yong)于(yu)接收)，一(yi)端為線形(xing)排列(lie)(lie)(用(yong)于(yu)耦合到光譜儀(yi))

光(guang)纖信號耦合到狹縫

第二是光(guang)(guang)(guang)纖(xian)的工作波(bo)(bo)段(duan)和(he)材料(liao)。光(guang)(guang)(guang)纖(xian)材料(liao)一般有高羥(qian)(qian)基(High-OH)、低羥(qian)(qian)基(Low-OH)、抗(kang)紫(zi)(zi)外光(guang)(guang)(guang)纖(xian)。不(bu)(bu)同(tong)材料(liao)的波(bo)(bo)長透過率不(bu)(bu)同(tong)，一般高羥(qian)(qian)基光(guang)(guang)(guang)纖(xian)用于紫(zi)(zi)外/可見光(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)段(duan)(UV/VIS)，低羥(qian)(qian)其用于近紅外(NIR) 波(bo)(bo)段(duan)，紫(zi)(zi)外波(bo)(bo)段(duan)還要(yao)考(kao)慮采用特殊的抗(kang)紫(zi)(zi)外光(guang)(guang)(guang)纖(xian)，用戶要(yao)根(gen)據(ju)工作波(bo)(bo)段(duan)來選(xuan)擇(ze)合適的光(guang)(guang)(guang)纖(xian)。

第(di)三(san)是(shi)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)數值(zhi)孔(kong)徑(jing)（NA）值(zhi)。由(you)于(yu)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)發(fa)光(guang)(guang)(guang)原理，光(guang)(guang)(guang)纖(xian)端(duan)面(mian)的(de)(de)(de)出射光(guang)(guang)(guang)被限(xian)制在一定的(de)(de)(de)發(fa)散角(jiao)范圍內，這(zhe)個角(jiao)度(du)以NA值(zhi)來表征。多模光(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)NA一般(ban)有(you)0.1、0.22、0.39、0.5幾種(zhong)可選，以最(zui)為(wei)常見0.22NA為(wei)例，意味(wei)著光(guang)(guang)(guang)纖(xian)經(jing)過50mm后(hou)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)斑直徑(jing)約為(wei)22mm，100mm后(hou)的(de)(de)(de)直徑(jing)為(wei)44mm。光(guang)(guang)(guang)纖(xian)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀廠商在設計(ji)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀時(shi)也(ye)通常考慮盡(jin)量(liang)匹配(pei)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)NA值(zhi)0.22.以保(bao)證能(neng)量(liang)盡(jin)可能(neng)地接收。另外，光(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)NA值(zhi)還(huan)關系(xi)到——當光(guang)(guang)(guang)纖(xian)前端(duan)有(you)透鏡耦合時(shi)，透鏡的(de)(de)(de)NA值(zhi)要盡(jin)量(liang)和光(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)NA值(zhi)匹配(pei)，避(bi)免光(guang)(guang)(guang)信號的(de)(de)(de)損失。

光纖(xian)(xian)的NA值(zhi)決定了光纖(xian)(xian)的光束發散(san)角(jiao)

光纖(xian)在(zai)和透鏡(jing)(jing)或凹面鏡(jing)(jing)配(pei)合時(shi)，NA值要(yao)盡量匹配(pei)，避免(mian)能(neng)量損失

光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀的NA值參(can)數(shu)代(dai)表了光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀可(ke)以接(jie)收(shou)的角度。如(ru)果(guo)信號(hao)光(guang)(guang)(guang)入射(she)NA(即入射(she)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)NA)小于(yu)或等于(yu)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀的NA，表示(shi)入射(she)的信號(hao)會被(bei)全利用，如(ru)果(guo)信號(hao)光(guang)(guang)(guang)入射(she)NA大(da)于(yu)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀NA值，表示(shi)存在(zai)一部分能(neng)量損失。鑒知的透射(she)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀系列有較(jiao)大(da)的數(shu)值孔徑(jing)，NA值為0.25.可(ke)以全接(jie)收(shou)0.22NA的多模光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)信號(hao)。

光譜儀的NA值即內部(bu)凹面反射鏡的NA值

用(yong)(yong)(yong)戶在收集光(guang)(guang)(guang)信號時(shi)，除了利用(yong)(yong)(yong)光(guang)(guang)(guang)纖傳導以(yi)外，還(huan)可以(yi)采用(yong)(yong)(yong)自由空間光(guang)(guang)(guang)耦合的方法，即利用(yong)(yong)(yong)透鏡(jing)將平(ping)行光(guang)(guang)(guang)匯聚到光(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)內部。采用(yong)(yong)(yong)自由空間光(guang)(guang)(guang)路時(shi)，透鏡(jing)的NA值要和光(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)的NA值匹配，同時(shi)還(huan)要保證光(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)的狹縫位于(yu)透鏡(jing)的焦(jiao)點處，以(yi)實(shi)現最大的光(guang)(guang)(guang)通量。

自由空間光路(lu)耦合

參(can)數信息(xi)