光谱仪工作原理+图

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1、海洋光纤光谱特有的信息1.光谱仪的工作原理CCD探测器型的海洋光学光谱仪的工作原理如动画展示。光通过光纤有效的耦合到光谱仪中，经球面镜将进入光谱仪中的发散光束会聚准直到衍射光栅上，衍射分光后又经第二面球面镜会聚聚焦，光谱像投射到线性CCD阵列上，数据信号经A/D转换传至计算机上。光子撞击CCD像素上的光敏二极管后，这些反向偏置的二极管释放出与光通量成比例的电容器，当探测器积分时间结束，一系列开关关闭并传输电荷至移位寄存器中。当传输完成，开关打开并且与二极管关联的电容器又重新充电开始一个新的积分周期。同时

2、，光能被累积，通过A/D转换数据被读出移位寄存器。数字化的数据最后显示在计算机上。2.光学分辨率单色光源的光学分辨率以半高全宽值（FWHM）来表征，它依赖于光栅刻槽密度(mm-1)及光学入瞳直径（光纤或狭缝）。海洋光纤光谱配置客户所要求的系统时，必须平衡两个重要的因素：1)光栅刻槽密度增加，分辨率增大，但光谱范围及信号强度会减小。2)狭缝宽度或光纤直径变窄，分辨率增大，但信号强度会减小。如何估算光学分辨率（nm,FWHM）2.1.确定光栅光谱范围，找到光栅的光谱范围通过：选择光栅：“S”光学平台；选择光

3、栅：“HR”光学平台；选择光栅：“NIR”光学平台。（有想详细了解的，烦请光纤专家予以解释）2.2.光栅光谱范围除以探测器像元数，结果为Dispersion。Dispersion(nm/pixel)=光谱范围/像元数探测器像元素见图23.像素分辨率下表列出了不同狭缝（或光纤直径）尺寸下的像素分辨率。尽管狭缝入射宽度不同，但高度一致（1000um）。有想深入了解的版友直接向专家提问。4.计算光学分辨率（nm）Dispersion(Step2)xPixelResolution(Step3)举例：确定光学分辨

4、率，光谱仪型号：USB4000,光栅型号：#3，狭缝宽度：10um650nm(#3光栅光谱范围)/3648（USB4000探测器像元数）X5.6(像素分辨率)=0.18X5.6nm=1.0nm(FWHM)5.海洋光纤光谱仪的系统灵敏度海洋光纤光谱仪对系统灵敏度的定义打破常规，不需要对影响光谱幅度的各种因素进行校正。他们提供一种更有用的方法：NIST-traceable辐射标准（LS-1-CAL），它可以用能量项来标准化光谱数据。在他们的SpectraSuite操作软件中，可以使用“I”模式下相对能量分布

5、（0到1）或绝对值（以mW/cm2/nm或流明或勒克斯/单位面积为单位）来标准化光谱数据。对透射或反射实验，可以使一个物理标准来标准化（归一化）数据如利用空气中的传播或漫射白板来确定。6.海洋光纤光谱解决影响光谱幅度值的因素1）CCD探测器响应。各生产商提供原始硅探测器响应曲线，但这只是影响光谱幅度值的部分因素。在CCD上，海洋光纤光谱增加了一个镀层以破坏掉结构上由SIO2形成的光学腔。这样便极大的减小了各个波长下的光谱数据幅度不一致的情况。2）紫外响应。海洋光纤光谱增加了一个磷镀层。可以根据生产商提供

6、的数据，为自己的系统探测器响应提供比较好的近似。3）光纤衰减。在可见区，各波长下衰减比较平坦，但在紫外区急剧衰减；在近红外区，水吸收带750nm-900nm会影响光纤衰减，会有光谱衰减曲线。a光栅衍射效率。所有刻划及全息光栅，在特定波长区都会优化一阶光谱，取决于闪耀波长等因素。海洋光学提供14种光栅：每种都有其特定衍射效率。使用这些光栅图表来比较衍射效率；b光线采集器件。采样光学器件有其特定的光谱特性，比如用于样品池上的准直透镜。这些是简单的色差透镜，波长不同，焦距不同，可以查看UV样品池透射曲线来查看

7、这些色差；c光源及样品。光源及样品有他们特定的光谱响应。若光源自身作为样品，则测量的正是其光谱响应。若用于透射、反射实验，必须考虑光源的光谱响应。如海洋提供的LS-1卤钨灯光源的光谱。4）其它因素。CCD设计及电子等特性也会影响灵敏度，例如，探测器的电压信号包含一些补偿诸如暗电流及0点放大称之为“暗光谱”。这些值随像素点而变化，必须要从CCD像元中扣除。另外，不同像素点响应值也会不同，因此数据标准化，必须逐一像素进行校正。（称之为固定噪声），唯一有效可行的考虑所有因素的方法是进行校正实验及通过比对样品光

8、谱与参考光谱来标准化数据。a.%透射（i）或%反射（i）=[S(i)-D(i)]/[R(i)-D(i)],其中S是CCD像素点（i）上的样品光强值，D是像素点（i）上的暗噪声值，R是像素点（i）上的参考光强值。b.吸光度（i）=-log[T(i)]c.能量I(i)=B(i)[T(i)],其中B是标准辐射光谱值。（想详细了解的版友可以咨询光纤专家或者版主）四、海洋光纤光谱的应用自1992年以来,经过20年的历程，海洋光纤光谱已经出售了超过20