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光纤光谱仪简介

发布日期:2019-07-01    

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光纤光谱仪简介

一、光纤光谱仪

光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件,将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性,用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。德国MUT的微型光纤光谱仪的测量速度非常快,可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器,降低了光谱仪的成本,从而也降低了整个测量系统的造价光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅,一个狭缝,和一个探测器。这些部件的参数在选购 光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件,将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性,用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。

光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。

光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅,一个狭缝,和一个探测器。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准,校准后光纤光谱仪,原则上这些配件都不能有任何的变动。

光栅光栅的选择取决于光谱范围以及分辨率的要求。对于光纤光谱仪而言,光谱范围通常在200nm-2200nm之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱范围;同时分辨率要求越高,其光通量就会偏少。对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求,300线/mm的光栅是通常的选择。如果要求比较高的光谱分辨率,可以通过选择3600线/mm的光栅,或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。

狭缝较窄的狭缝可以提高分辨率,但光通量较小;另一方面,较宽的狭缝可以增加灵敏度,但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中,选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。

探测器探测器在某些方面决定了光纤光谱仪的分辨率和灵敏度,探测器上的光敏感区原则上是有限的,它被划分为许多小像素用于高分辨率或划分为较少但较大的像素用于高敏感度。通常背感光的CCD探测器灵敏度要更好一些,因此可以某个程度在不灵敏度的情况下获得更好的分辨率。近红外的InGaAs探测器
由于本身灵敏度和热噪声较高,采用制冷的方式可以有效提高系统的信噪比

滤光片由于光谱本身的多级衍射影响,采用滤光片可以降低多级衍射的干扰。和常规光谱仪不同的是,光纤光谱仪是在探测器上镀膜实现,此部分功能在出厂时需要安装就位。同时此镀膜还具有抗反射的功能,提高系统的信噪比。 光谱仪的性能主要是由光谱范围、光学分辨率和灵敏度来决定。对以上其中一项参数的变动通常将影响其它的参数的性能。

分辨率光学分辨率是衡量分光能力的重要参数。它取决于在被热敏元件探测时单色光的带宽。三个部件对分辨率有影响:入射狭缝,光栅和探测器像素尺寸。细小的狭缝可以得到更好的分辨率,但降低了灵敏度;高刻划线的光栅增加了分辨率,但降低了光谱范围;较小的探测器像素尺寸增加了分辨率,但降低了灵敏度。

光谱范围光谱范围较小的光谱仪通常能给出详细的光谱信息,相反大范围光谱范围有更宽的视觉范围。因此光谱仪的光谱范围是必须明确指定重要的参数之一。

光谱仪主要的挑战不是在制造时使所有的参数指标达到最高,而是使光谱仪的技术指标在这个三维空间选择上满足针对不同应用的性能需求。这一策略使光谱仪能够满足客户以最小的投资获取最大的回报。这个立方体的大小取决于光谱仪所需要达到的技术指标,其大小与光谱仪的复杂程度以及光谱仪产品的价格相关。

 影响光谱范围的因素主要是光栅和探测器,根据不同的要求来选择相应的光栅和探测器。

 

二、成像原理

光纤的收集端和探测端中每根光纤一一对应,这种排列使图像的两个空间维压缩成为一个。样品发射的光因此而产生光谱色散并被CCD 探测器一次读取成像。也就是说,CCD上的每个像素(或区域)包含了三维(X/Y/λ)的位置信息,在CCD 获取的一帧图像中包含了来自样本的完整的光谱成像。3D数据立方体重建要求简单地将光纤在线性排列中的位置映射到圆形接收端的位置,之后具体的图像处理可采用任何图像处理软件即可。

FIC 方法的相对于可调滤波器(TF)和线形扫描(LS)成像方法的最大优点,在于它不需要为构建一幅光谱图像而重复扫描。此外,不同于TF 成像方法的是,FIC一次提供了视野区域样本所有点的一个完整的光谱,而不是特定某个波长的光谱。FIC方法的空间分辨率取决于显微放大后成像到FIC 光纤束端面的图像,即系统的光学衍射限制,这与TF 和LS 方法一致。另外,FIC方法在图像分辨率上还有严格的限制,即参与成像的像元数限制,这是由光纤束中所有单根的光纤数量决定的。这种约束依次为CCD 探测器的高度和光谱图像的分辨率指定,因为CCD 接收面必须对所有FIC 光纤束端面的光纤全部成像。

 


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