光纤光谱仪术语大揭秘|信号|光栅|光纤光谱|光谱仪|检测器|波长

在科学研究与工业生产的前沿领域，便携式高光谱仪凭借其对光的精准解析能力，成为了洞察物质微观世界的关键工具。为深入理解便携式高光谱仪的工作原理、技术特性及其在各行业的应用价值，我们将从便携式高光谱仪的核心技术参数入手，逐步剖析其在不同场景下的应用优势。

便携式高光谱仪核心技术参数解析光学基础参数

像差：在实际的光学系统中，非近轴光线与近轴光线的传播路径存在偏差，这与高斯光学的理想模型不符，这种偏差即为像差。在便携式高光谱仪中，像差表现为单点光源发出的光线经光学系统后无法聚焦于一点，导致光谱出现“模糊”或“变形”现象。像差主要包括色差、慧差、像散和球差。色差是由于不同波长的光线在镜头中聚焦位置不同，使光谱出现条纹图案；慧差是轴外物点以宽光束成像时的失对称垂轴像差；像散是两个垂直面传播的光线被镜头聚焦在不同距离，导致图像部分聚焦、部分模糊；球差是镜头边缘光线与中心光线的聚焦程度不同，使物体边缘变模糊。通过采用精密光学仪器和薄膜涂层技术，可以有效减少像差对光谱测量的影响。像差会导致小狭缝光谱峰值形状偏离高斯分布，当便携式高光谱仪入口狭缝尺寸较小时，会限制光学分辨率。

带隙：在半导体探测器中，如硅探测器，带隙是指价带顶部与导带底部之间的电子能量差。当光子的能量与带隙匹配时，电子会从价带跃迁至导带，并存储在像素“池”中进行处理。电子在像素井中累积，直至电荷被移除并传输至 A/D 转换器，经处理后形成光谱。然而，电子也可能因受热而跃迁，这些多余的电子会产生暗噪。由于红外光子的能量随波长增加而减小，波长大于 1100 纳米的红外光子无法被硅 CCD 检测。因此，红外便携式高光谱仪通常采用 InGaAs 检测器，其带隙较小，波长截止点更高，但较小的带隙会导致“热噪音”电子产生的暗噪较高。

色散：色散是指光的波长分离现象，在便携式高光谱仪中，光的分离可通过棱镜或衍射光栅实现。这种色散作用使不同波长的光能够照射到探测器的不同像素上。衍射光栅的光谱范围与探测器元件数量之比称为色散度，单位为纳米/像素，它与像素分辨率共同决定了便携式高光谱仪的光学分辨率。

探测器相关参数

电荷耦合器件（CCD）：CCD 是一种将入射光子转换为电荷的电气元件，便携式高光谱仪中的探测器通常采用 CCD 技术。当光子照射到 CCD 的不同像素上时，会产生并存储电子。记录样本后，累积的电荷从芯片转移、数字化并传输至计算机进行分析，最终输出光谱。

CMOS 探测器：CMOS 探测器与 CCD 探测器的功能相同，都是将入射光子转换为电荷。与 CCD 相比，CMOS 探测器是一种较新的技术，源于智能手机摄像头。CMOS 探测器每个像素都附有放大器，用于将测量后的累积电荷传输至 A/D 转换器，而 CCD 则是将每个像素的电荷单独传输至一个放大器。CMOS 探测器可能存在更多的固定模式噪声，需要对每个像素进行单独的线性校正，但它减少了像素间的电荷泄漏，提高了峰值清晰度，且运行速度通常比 CCD 快得多。

量子效率：量子效率用于衡量探测器对入射光子产生电子的响应能力，其值越高，表明探测器越灵敏。由于探测器对不同波长的入射光灵敏度不同，量子效率通常用曲线表示。对于便携式高光谱仪而言，量子效率只是决定其整体性能的指标之一。

光谱处理与校正参数

绝对辐照度校准：绝对辐照度校准是使用已知光谱输出功率的灯对便携式高光谱仪每个像元的响应强度进行校准的过程。该过程会改变整个光谱的形状和大小，校正仪器的单个仪器响应函数（IRF）。校准后的光谱单位为单位面积单位波长的功率输出，通常为µW/cm² *nm，准确地说，该量值应称为绝对光谱辐照度。

吸光度：吸光度是指光线通过溶液或物质前的入射光强度与通过后的透射光强度比值的以 10 为底的对数（lg(I₀/ Iₜ)），其中 I₀ 为入射光强，Iₜ 为透射光强。吸光度受溶剂、浓度、温度等因素影响。在波长固定的情况下，同一种物质吸光系数不变。当平行单色光垂直通过均匀非散射吸光物质时，吸光度 A 与吸光物质浓度 c 及吸收层厚度 l 成正比，与透光度 T 成反比。透过率 T 是透射光强度与入射光强度的比值，会随光程长度和浓度的增加而降低，可通过透过率计算吸光度。在多组分体系中，若各组分吸光质点互不作用，吸光度等于各组分吸光度之和，可据此进行多组分同时测定及某些化学反应平衡常数的测定。

仪器响应函数（IRF）：每台便携式高光谱仪都有其独特的仪器响应函数，它描述了便携式高光谱仪在波长范围内对光的响应情况。由于光路中光学效率低下的累积效应，如光纤中光的衰减、反射镜对光的吸收、光栅效率和探测器响应等，IRF 不均匀，每个像素的响应不同。虽然无法精确测量 IRF，但可通过相对辐照度和绝对辐照度计算进行补偿。

制冷型光谱仪的技术优势对比

性能指标优势

动态范围：动态范围体现了制冷型光谱仪分解不同强度单元的能力，分为单次信号采集动态范围和系统动态范围。单次信号采集动态范围是最短积分时间内的最大可能动态范围，系统动态范围是最长积分时间下最大信号与最小信号的比乘以最长与最短积分时间的比。制冷型光谱仪采用高速 16 位 AD 转换技术，具有较大的动态范围，能够更准确地测量不同强度的光信号。

光学分辨率：制冷型光谱仪的光学分辨率指测量曲线的半峰宽（FWHM），由光栅刻线密度和入射光口径（光纤或狭缝）决定。光栅刻线密度增大，分辨率提高，但光谱范围变窄；狭缝宽度或光纤直径减小，分辨率增大，但信号强度降低。制冷型光谱仪在设计上优化了光栅和狭缝的参数，在保证一定信号强度的前提下，实现了较高的光学分辨率。

信噪比：信噪比是特定信号水平下信号强度与噪声强度的比值，会随测量条件的不同而变化。通过不同类型的信号平均方法可提高信噪比，但会影响不同制冷型光谱仪之间的比较。制冷型光谱仪在设计和制造过程中，通过优化探测器和电路设计，有效降低了噪声水平，提高了信噪比，能够更清晰地检测到微弱信号。

灵敏度：制冷型光谱仪的灵敏度衡量了可见光输入与光谱输出的关系，可通过单位入射辐射功率的输出电流（A/W）或单位入射曝光量的输出电压（V/lux.s）表示。制冷型光谱仪采用高量子效率的线阵 CCD 探测器，提高了对不同波长光的响应能力，具有较高的灵敏度。

杂散光：杂散光是指光意外落到检测器上导致错误读数的现象，会影响系统的动态范围和信噪比。其来源包括二阶和三阶衍射、衍射光栅缺陷、制冷型光谱仪内部反射和外壳漏光等。制冷型光谱仪在设计上采取了一系列措施，如内部涂覆黑色涂层、优化光栅设计等，有效减少了杂散光的影响。

波长范围：制冷型光谱仪的波长范围取决于探测器的波长范围和衍射光栅的光谱范围。制冷型光谱仪的波段为紫外 - 可见（200 - 850nm）或者可见 - 近红外（400 - 1100nm），还可根据用户需求进行定制，能够满足不同用户在不同波长范围内的测量需求。

热稳定性：制冷型光谱仪的热稳定性衡量了其光谱响应随环境温度变化的程度。由于制冷型光谱仪金属外壳和玻璃光学元件的热胀冷缩，波长峰值会随温度变化而漂移。热稳定性值越低，温度变化时波长漂移越小。制冷型光谱仪在结构设计和材料选择上进行了优化，具有较好的热稳定性，能够在不同温度环境下稳定工作。

其他技术优势

触发功能：制冷型光谱仪具备多种触发模式，包括外部硬件边缘触发、外部硬件水平触发、外部软件触发、外部同步触发和正常/随机/连续模式。这些触发模式可满足不同实验和应用场景的需求，使制冷型光谱仪能够与外部设备同步工作，提高测量的准确性和效率。

热电制冷（TEC）：在对低噪声要求极高的情况下，制冷型光谱仪的检测器采用热电制冷技术，用于降低因环境温度产生的暗电流和暗噪声，获得更稳定的读数，尤其在红外测量等光子能量较低的应用中具有重要优势。

数据传输与处理：制冷型光谱仪通过通信总线（如 USB、RS - 232、SPI、I²C 或以太网）与计算机连接，实现快速的数据传输。同时，配备的固件指示制冷型光谱仪控制内部电子设备，允许设备与用户计算机连接，并保留控制制冷型光谱仪性能的操作参数，如波长校准系数等，方便用户进行数据处理和分析。

光谱仪的行业应用场景光谱测量分析

在科研领域，光谱仪可对各种物质的光谱进行精确分析，帮助研究人员了解物质的成分和结构。通过对光谱的解析，能够确定物质中所含元素和化合物的种类及含量。例如，在材料科学研究中，光谱仪可用于分析新型材料的成分和结构，为材料的研发和优化提供依据。