光谱仪工作过程及重要参数定义

光谱仪工作过程

CCD、PDA

电荷耦合器件（Charger Coupled Device，缩写为CCD），硅基光敏元件的响应范围在短波近红外区域。

二极管阵列（Photodiode Array，缩写为PDA），光电二极管阵列是由多个二极管单元（像素）组成的阵列，单元数可以是102，256或1024。
当信号光照射到光电二极管上时，光信号就会转换成电信号。光电二极管的优点是在近红外灵敏度高，响应速度快；缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。

薄型背照式BT-CCD

薄型背照式电荷耦合器件（BT-CCD，Back Thinned Charge Coupled Device)，首先，与一般CCD相比，硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下；其次，它采用背照射结构，紫外光不必再穿越钝化层。

因此，不仅具有固体摄像器件的一般优点，而且具有噪声低，灵敏度高、动态范围大的优点。

BT-CCD有很高的紫外光灵敏度，它在紫外波段的量子效率超过40％，可见光部分超过80％，
甚至可以达到90％左右。

可见，BT-CCD不仅可工作于紫外光，也可工作于可见光，是一种很优秀的宽波段检测器件。

狭缝Slit

光源入口，狭缝面积影响通过的光强度，狭缝宽度影响光学分辨率。

狭缝的像与CCD的像素平行，当狭缝成像焦点位于CCD表面时，光谱仪有最好分辨率。

暗电流Dark Current

未打开光谱仪激发光源时，感光器件接收到的光电信号。

分辨率Resolution

光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。
要把两个光谱线分开至少要把它们成像到探测器的两个相临象元上。

分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。

光栅决定了波长在探测器上可分开的程度（色散）。另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤芯径（当没有安装狭缝时）。

狭缝的尺寸有：10，25或50μm×1000μm（高）或100，200或500μm×2000μm（高）。

在指定波长处，狭缝成像到探测器阵列上时会覆盖几个象元。

而如果要分开两条光谱线，就必须把它们色散到这个像尺寸加上一个象元。

当入射光纤的芯径大于狭缝的宽度时，分辨率就要由狭缝的宽度（有效宽度）来决定。

光谱仪分辨率可近似如下度量：R∝ M·F/W
其中M为光栅线数，F为谱仪焦距，W为狭缝宽度。

色散Dispersion

光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到：沿光谱仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化，即：

Δλ/Δχ = dcosβ/mF

这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，m为衍射级次。由方程可见，倒线色散不是常数，它随波长变化。在所用波长范围内，变化可能超过2倍。

光栅和闪耀波长Grating

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光
栅、全息光栅等。

刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；
复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。
全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。

刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。刻线多分辨率高灵敏度低能量被分的更细，进入光谱仪的部分将减少

光栅主要参数：

闪耀波长：闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。

光栅刻线：光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。

光栅效率：光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，大部分能量集中在没有被色散的“零级光谱”中，小部分能量分散在其它各级光谱。

零级光谱不起分光作用，不能用于光谱分析。而色散越来越大的一级、二级光谱，强度却越来越小。

为了降低零级光谱的强度，将辐射能集中于所要求的波长范围，近代的光栅采用定向闪耀的办法。即将光栅刻痕刻成一定的形状，使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度，使衍射光强主最大从原来与不分光的零级主最大重合的方向，转移至由刻痕形状决定的反射方向。结果使反射光方向光谱变强，这种现象称为闪耀。

辐射能量最大的波长称为闪耀波长。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角，称为闪耀角。每一个小反射面与光栅平面的夹角β保持一定，以控制每一小反射面对光的反射方向，使光能集中在所需要的一级光谱上，这种光栅称为闪耀光栅。

波长精度、重复性和准确度Precision

波长精度是光谱仪确定波长的刻度等级，单位为nm。通常，波长精度随波长变化。

波长重复性是光谱仪返回原波长的能力，这体现了波长驱动机械和整个仪器的稳定性。

波长准确度是光谱仪设定波长与实际波长的差值。

带宽Band width

带宽是不考虑光学像差、衍射、狭缝高度、扫描方法、检测器像素宽度等因素，在给定波长从光谱仪输出的波长宽度。它是倒线色散和狭缝宽度的乘积。

F数F/#

F/#定义为光谱仪准直凹面反射镜的焦距与直径的比值（即张角）。光通过效率与F/#的平方成反比，
F/#愈小，光通过率愈高。长焦镜头视场角小，短焦镜头视场角大