探針臺(tái)
Probe Stations
光譜儀是一種用于測(cè)量光與物質(zhì)相互作用的儀器，能夠分析光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度等特性。其核心工作原理是通過分光系統(tǒng)將復(fù)合光分解為不同波長(zhǎng)的單色光，并通過探測(cè)器記錄各波長(zhǎng)的強(qiáng)度信息，最終形成光譜圖。
三棱鏡分光示意圖
1666年，牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽光在通過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。在光譜儀內(nèi)部，也是利用色散組件的分光作用，通過不同的光路形式，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。
二、工作原理
系統(tǒng)流程分析示意圖
光纖光譜儀采用對(duì)稱交叉Czerny-Turner光路，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，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)。
光譜儀對(duì)稱交叉Czerny-Turner光路示意圖
Czerny-Turner光路原理圖
光纖通過 SMA 905或者FC接口，把光子引入到光譜儀內(nèi)部，然后通過狹縫成像之后到達(dá)準(zhǔn)直鏡，對(duì)光路進(jìn)行準(zhǔn)直，之后到達(dá)光柵部分做分光。光柵主要是將光波四散成不同的光束，最終到達(dá)檢測(cè)器。然后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
三、組件介紹
1、光纖
光纖用來將需要測(cè)量的光信號(hào)耦合到光譜儀中，光譜儀的光纖通常采用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。
SMA905光纖不同芯徑接口示意圖
SMA905光纖示意圖
2、 狹縫
狹縫的作用是控制入射光線的寬度，其大小直接影響到光譜儀的分辨率。狹縫越小對(duì)應(yīng)的光譜帶寬較小，波長(zhǎng)分辨率就越高，但是過小的狹縫通過的光線微弱，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。狹縫的寬度從5um到200um不等，可根據(jù)客戶要求選擇。
3、光柵
光柵也稱為衍射光柵，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。
4、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光譜儀的光譜覆蓋范圍、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。
按陣列結(jié)構(gòu)分為線陣和面陣兩種：
線陣光電探測(cè)器示意圖
面陣光電探測(cè)器示意圖
四、光譜儀的性能參數(shù)
1、光譜分辨率
光譜分辨率指能被光譜儀分辨開的最小波長(zhǎng)差，光譜儀中有實(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。
2、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。
3、 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、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。對(duì)于光纖光譜儀來說，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。
譜量光電 光纖光譜儀外型小巧，即插即用，操作方便。光譜儀主要分高分辨光纖光譜儀、高靈敏光纖光譜儀、微型光纖光譜儀和制冷型光纖光譜儀4種可選，光纖光譜儀均采用對(duì)稱交叉Czerny-Turner光路。工作波段覆蓋：200-1550nm，狹縫寬度25μm時(shí)，光學(xué)分辨率：0.1-1.33nm；光學(xué)分辨率最小可＜0.1nm，光學(xué)分辨率取決于光柵刻線密度和狹縫大小可提供多種選擇定制。我司光纖光譜儀具有高分辨率、高靈敏度、波長(zhǎng)覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于激光光譜檢測(cè)、熒光光譜檢測(cè)、拉曼光譜檢測(cè)、LIBS光譜檢測(cè)等光譜測(cè)量。
還有紅外光譜儀采用二級(jí)制冷 InGaAs 探測(cè)器，適用于近紅外波段范圍的光譜探測(cè)與分析。外型小巧，即插即用，操作方便。采用芯片級(jí)的內(nèi)制冷技術(shù)，有效地降低了暗噪聲，信噪比更高，弱光探測(cè)能力大幅提升。波長(zhǎng)范圍：900-1700nm、1000-2500nm2種可選，可根據(jù)客戶需求（狹縫、分辨率等）進(jìn)行定制化服務(wù)，廣泛應(yīng)用于透過率光譜檢測(cè)檢測(cè)、反射率光譜檢測(cè)等參數(shù)的檢測(cè)。
六、應(yīng)用領(lǐng)域
1、透反射光譜檢測(cè)
2、拉曼光譜檢測(cè)
3、激光光譜檢測(cè)
4、LIBS光譜檢測(cè)
5、光致發(fā)光測(cè)試
6、電致發(fā)光測(cè)試
透過率光譜檢測(cè)系統(tǒng)示意圖
反射率光譜檢測(cè)示意圖
拉曼光譜檢測(cè)系統(tǒng)示意圖
透反射光譜檢測(cè)示意圖
