如何选配微型光纤光谱仪

作者：Avantes

欢迎访问e展厅 展厅 4 光学仪器展厅 显微镜, 金相显微镜, CCD摄像机, 水准仪, 光谱仪, ... 测量光谱选择多少像素探测器的光谱仪合适？大部分用户的回答是越多越好。但事实上真的如此吗？正如您可能预料到，这种说法不完全正确。对于一个特定的应用，在选择最合适的光谱仪时，需要考虑很多因素。 光学分辨率是配置光谱仪时经常被考虑的主要因素之一，正是追求高分辨率导致用户要求尽可能多的探测器象素数。而实际上光学分辨率是由探测器的像素数与狭缝宽度和光栅线对数共同决定的。当讨论分辨率时，通常色散或用波长范围除以像素数。半高全宽值（FWHM），即最大峰值光强一半处所对应的谱线宽度是一种表述分辨率更好的方法（见图）。用FWHM可以对不同光谱仪的实际光学性能进行直接对比。用这种表示方法可以避免一些缺陷，例如：有的光栅并没有用到全部像素；采用交叉式 Czerny-Turner光路设计的光谱仪中，光学系统不能把狭缝清晰地成像在探测器上，这是由于光路中过大的反射角和固有的系统放大倍率造成的。 灵敏度是配置光谱仪时所需要考虑的另一个因素。现在的主流微型光谱仪都采用线阵探测器，所以灵敏度跟像素数没有任何关系。但面阵探测器例外，因为面阵探测器在垂直方向的每个像素都会被累积，在某种意义上垂直方向上的所有像素的累积可以被看成一个更大的像素。因此，在考虑某种应用对灵敏度的要求时，更重要的是看探测器的响应曲线。右图中给出了几种典型探测器的灵敏度响应曲线。如果是应用在可见光区，可以选用几种不同品牌的CCD探测器而无须考虑其象素数。而越靠近近红外区，CCD的灵敏度越低，这时就需要选择在近红外区灵敏度高的探测器。 信噪比也是选配光谱仪的一个因素。对于CCD光谱仪，较高的灵敏度导致了较低的信噪比。在一定范围内，可以通过对光谱进行多次平均来提高信噪比。平均次数的平方根恰好是信噪比提高的倍数。例如，光谱平均100 次，信噪比能提高10 倍。有些应用需要较高的信噪比，此时用户应当比较在光谱仪中的光学平台和探测器的综合信噪比。需要强调的是，用户一定要搞清楚厂家给出的信噪比是不是整个光谱仪系统的信噪比，因为只有整个光谱仪系统的信噪比才是最重要的。一个信噪比高的探测器配一个性能不高的光路，那么它的高信噪比就没有实际意义。比较不同探测器和光谱仪间的信噪比的比较好的方法是：测量100 次，然后对每个像素计算平均值和标准偏差，信噪比等于平均值除以标准偏差。测量信噪比时，信号强度应当接近饱和，并设置正确的平滑值（如果需要的话）。 光栅选择是最比较复杂的。通常有两个因素决定了光栅的选择：波长范围和光学分辨率。波长范围受限于所选择的探测器或光栅，或二者都有。光学分辨率不仅受限于光栅，还受限于狭缝宽度和探测器的像素数和像元尺寸）。还要考虑第三个因素，即光栅还会影响系统的灵敏度，这是因为不同的光栅的闪耀波长（即最高效率）位置各不相同。当对系统进行最优化配置时，最好查看一下光栅的效率曲线。左图中是几种典型的600 线/mm光栅的效率曲线，效率最高点从紫外区到近红外区。如果您可能很难在光谱范围，光学分辨率和灵敏度间进行取舍，不要犹豫，请与我们联系。或许您可以选择双通道或多通道光谱仪，使得在很宽的光谱范围内的都得到很高的分辨率，并保持很高的效率。 我提到狭缝了吗？微型光谱仪有多种狭缝尺寸供您选择，狭缝安装在光纤接头处（见图4），并且被永久的固定在光谱仪上。有两点需要记住，狭缝越小，光学分辨率越高；狭缝越大，进入光学平台的光通量越多，即灵敏度越高。从本质上说，需要折中兼顾光谱仪的分辨率和灵敏度。 幸好，选择光谱仪的其他选项会相对容易一些。例如，对于波长小于360nm的紫外应用，必须要给普通的CCD探测器增加一种紫外增强镀膜-DUV。而其它探测器，比如薄型背照式CCD或CMOS则不需要这个选项。而为了避免二级衍射效应的影响，可以通过在探测器的保护窗上镀特殊膜层或安装一个长通滤光片。其它的选项则跟应用有关，比如非线性校准和辐射定标只有在进行辐射测量时才需要。 假设需要配置一套用于测量液体样品荧光的光谱系统，为简单起见假设样品被置于一个标准比色皿中，那么我们该如何考虑配置光谱仪呢？首先，我们应该考虑波长范围和光学分辨率。大多数荧光测量装置都选用紫外波段的激发光，而产生的荧光则在可见光区。如果我们想要同时测量激发光和荧光，最好选用能覆盖200-1100nm的宽光谱光谱仪。如果我们想避开激光发而只测量荧光，可以选择窄波段的光谱仪，比如360-1100nm或500-1100nm，这两种配置可以选用300线/mm或600 线/mm的光栅。 经验告诉我们荧光信号通常比较弱，峰宽或者半高全宽（FWHM）比较大。考虑到这些因素，我们应该选用一种灵敏度高的探测器，比如CCD探测器，同时使用一个相对较宽的狭缝，比如200 微米。宽狭缝可以保证更多的信号光进入光谱仪，当然另一方面降低了系统的分辨率。由于荧光的谱带通常较宽，分辨率的影响可以不用考虑。回顾前面提到的光栅选择（如300 线/mm或600 线/mm），所对应的光学分辨率分别是8nm和4nm，这个分辨率对于荧光测量来说已经足够了。 除了光谱仪，我们还需要考虑种类纷杂的光源和采样附件，但这已经超出了这篇文章的范畴。正如上面的例子所表明的，通过一些简单的步骤就就可以配置好满足您应用的微型光谱仪。最重要的是，不必犹豫尽管向我们咨询有关仪器的一切问题，我们将会给您一套最适合您应用的光谱仪配置。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/10/2010)