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光栅光谱仪基本原理与参数介绍

2023-10-10

浏览量(1517)

本文将从光栅光谱仪的种类、性能、参数解析以及具体的使用方法来展开介绍。

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通用类型
滨松的光栅光谱仪依照结构和体积分类,可以进行如下分类:
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* MEMS 工艺:主要使用透射式光栅(石英材料) 或反射式闪耀光栅,都由滨松自主设计生产
图1 光栅光谱仪分类

结构与原理

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图2 光谱仪基本原理
① 入射狭缝:限制入射光的范围,光一般是通过光纤输入到狭缝,或者是经过透镜汇聚到狭缝内部;
② 准直透镜:将狭缝出射的光均匀地照射在光栅上;
③ 光栅:将不同颜色的光分到不同的方向;
④ 聚焦透镜:将不同颜色的光汇聚到探测器的不同位置;
⑤ 传感器:探测不同波长光的强度 。


参数解析

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表1 参数表

① 光谱响应范围:根据要探测信号的波长选择光谱仪。取决于光栅设计和图像传感器的光谱响应曲线;
② 光谱分辨率:根据信号的FWHM选择光谱仪。取决于狭缝宽度,光栅刻线密度,光谱仪的像差;
③ 波长可重复性:重复测同一个光源时的波长结果波动,由机械设计决定;
④ 波长温度依赖性:测量同一个光源时的波长结果随温度变化,由内部材质温度膨胀决定;
⑤ 杂散光:由于散射光,光栅设计等,导致对应某个波长的像素也会探测其他波长的光。

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表2 参数表

① AD转化位数:决定最大的count值,如16bit就是65535;
② 积分时间范围:快速测量需要积分时间短,信号弱一般需要长积分时间。一般CMOS类型有更短的积分时间,制冷型CCD由于暗噪声很小所以可以允许使用很长的曝光时间来提高探测微弱信号的能力;
③ 接口:滨松主要是有USB1.1和USB2.0两种;
④ USB电源消耗电流;
⑤ 外部供电电压;
⑥ 外部电源消耗电流。

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3 参数表

① 尺寸;
② 重量;
③ 图像传感器型号;
④ 像素数;
⑤ 狭缝宽度:狭缝宽度宽,信号强,光谱分辨率低。狭缝宽度窄,信号弱,分辨率高;
⑥ 数值孔径:需要选择NA匹配的光纤,光纤NA小则信号弱,NA大则会有杂散光。也有的用F数表示,数值孔径大,光通过多,但是由于像差会降低分辨率;
⑦ 光纤连接器。

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图3(左) 不同波长光谱响应曲线  图4(右) 不同波长光谱分辨率曲线

响应波长范围:光谱仪可以响应的波长范围,以及响应随着波长的变化。取决于图像传感器本身,光栅选型,内部其他光学元件的光谱曲线(反射,透过等)。

分辨率:光谱仪能分辨相邻光谱峰的能力。取决于狭缝宽度、图像传感器像素尺寸、光栅刻线密度、光栅焦距等,不同波长有所不同(滨松datasheet中的值一般是最差情况)。光谱仪的分辨率表征可以测量最窄的光谱,滨松使用FWHM( full width at half maximum )定义:通过测量极窄的线光谱进行测试,对结果首先进行高斯拟合,然后测量得到FWHM。

补充参数解析:

①动态范围(Dynamic range):一般取决于光谱仪中传感器的读出噪声,与满肼容量,也取决于AD转化器位数。
②信噪比(Signal to noise ratio):一般取决于入射信号的散粒噪声。
③快门(Sutter):分为卷帘快门和全局快门。
④卷帘快门(Rolling shutter):不同像素的曝光起始时间不同。
⑤全局快门(Global shutter):所有像素同时开始曝光和停止曝光,适合搭配脉冲光源使用。


光谱仪使用
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光谱仪安装连接示意图
① 安装光谱仪程序,完成软件程序与驱动安装;
② 光谱仪如需额外供电,完成电源线连接;
③ 使用USB连接光谱仪与电脑;
④ 打开软件即可正常使用。
关于光谱仪的内容已经全部讲解完毕,如果有任何问题都可以在评论区提问,以下滨松中国产品技术工程师会第一时间为您解答。

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