光譜儀各項性能分析

光譜學(xué)測量的基礎是測量光輻射與波長(cháng)的對應關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，光譜學(xué)測量的直接結果是由很多個(gè)離散的點(diǎn)構成曲線(xiàn)，每個(gè)點(diǎn)的橫坐標（X軸）是波長(cháng)，縱坐標（Y軸）是在這個(gè)波長(cháng)處的強度。因此，一個(gè)光譜儀的性能，可以粗略地分為下面幾個(gè)大類(lèi)：
1. 波長(cháng)范圍（在X軸上的可以測量的范圍）； 
2. 波長(cháng)分辨率（在X軸上可以分辨到什么程度的信號變化）；
3. 噪聲等效功率和動(dòng)態(tài)范圍（在Y軸上可以測量的范圍）； 
4. 靈敏度與信噪比（在Y軸上可以分辨到什么程度的信號變化）；
5. 雜散光與穩定性（信號的測量是否可靠？是否可重現）； 
6. 采樣速度和時(shí)序精度（一秒鐘可以采集多少個(gè)完整的光譜？采集光譜的時(shí)刻是否精確？）
如果用戶(hù)對這些性能指標有任何問(wèn)題，請咨詢(xún)廣州深華公司的產(chǎn)品工程師。

1. 波長(cháng)范圍
波長(cháng)范圍是光譜儀所能測量的波長(cháng)區間。最常見(jiàn)的光纖光譜儀的波長(cháng)范圍是200-1100nm，也就是可以探測紫外光、可見(jiàn)光和短波近紅外光，可以擴展至200-2500nm，覆蓋整個(gè)紫外-可見(jiàn)-近紅外波段。光柵及探測器的類(lèi)型會(huì )影響波長(cháng)范圍。一般來(lái)說(shuō)，寬的波長(cháng)范圍意味著(zhù)低的光譜分辨率，所以用戶(hù)需要在波長(cháng)范圍和光譜分辨率兩個(gè)參數間做權衡。如果同時(shí)需要寬的波長(cháng)范圍和高的波長(cháng)分辨率，則需要組合使用多個(gè)光譜儀通道 （多通道光譜儀）。

2. 光譜分辨率 
顧名思義，光譜分辨率描述了光譜儀能夠分辨波長(cháng)的能力，最常用的光譜儀的波長(cháng)分辨率大約為1nm（FWHM值），即可以區分間隔1nm的兩條譜線(xiàn)。光譜分辨率與光譜采樣間隔（數據在x坐標上的間隔）是兩個(gè)不同概念。一般來(lái)說(shuō)，高的光譜分辨率意味著(zhù)窄的波長(cháng)范圍，所以用戶(hù)需要在波長(cháng)范圍和光譜分辨率兩個(gè)參數間做權衡。如果同時(shí)需要寬的波長(cháng)范圍和高的光譜分辨率，則需要組合使用多個(gè)光譜儀通道（多通道光譜儀）。

3. 噪聲等效功率和動(dòng)態(tài)范圍 
當信號的強度值與噪聲的強度值相當時(shí)，從噪聲中分辨信號就會(huì )非常困難。一般用與噪聲相當的信號的值（光譜輻照度或光譜輻亮度）來(lái)表征能一個(gè)光譜儀所能夠測量的最弱的光強(Y軸的最小值)。噪聲等效功率越小，光譜儀就可以測量更弱的信號。狹縫的寬度、光柵的類(lèi)型、探測器的類(lèi)型等參數都會(huì )影響噪聲等效功率。因為這些參數也會(huì )影響波長(cháng)范圍和波長(cháng)分辨率，用戶(hù)需要在這些指標間做出取舍。對探測器制冷有助于減小探測器的熱噪聲，提高探測器檢測弱光的能力。 
動(dòng)態(tài)范圍描述一個(gè)光譜儀所能夠測量到的最強的信號與最弱的信號的比值。最強的信號為光譜儀在信號不飽和情況下，測量到的最大值；最弱的信號用上述的噪聲等效功率衡量。動(dòng)態(tài)范圍主要受制于探測器。動(dòng)態(tài)范圍是影響測量方便性的一個(gè)比較關(guān)鍵的指標。目前，光纖光譜儀都是通過(guò)調整積分時(shí)間的方式等效地擴大動(dòng)態(tài)范圍，因此，動(dòng)態(tài)范圍一般不會(huì )對用戶(hù)的測量帶來(lái)困擾。 

4. 靈敏度與信噪比(S/N)
靈敏度描述了光譜儀把光信號轉換為電信號的能力，高的靈敏度有助于減小電路自身的噪聲對結果的影響。狹縫的寬度、光柵的類(lèi)型、探測器的類(lèi)型以及電路板的性能都會(huì )影響靈敏度。衍射效率高的光柵和量子效率高的探測器都有利于提高光譜儀的靈敏度。人為地調高前置放大電路的放大倍數（也稱(chēng)增益）也會(huì )提高名義上的靈敏度，但同時(shí)也放大了噪聲的影響，并不一定有助于實(shí)際的測量。寬的狹縫會(huì )改善靈敏度，但也會(huì )降低分辨率，因此，需要用戶(hù)綜合考慮和權衡。
光譜儀的信噪比定義為：光譜儀在強光照射下，接近飽和時(shí)的信號的平均值與信號偏離平均值的抖動(dòng)（以標準偏差橫向）的比。需要注意的是，因為定義中沒(méi)有對光源做任何限制，使用這個(gè)定義所測量到的信噪比并不能等同于用戶(hù)在實(shí)際實(shí)驗中所能實(shí)現的信噪比。光譜儀的信噪比主要受制于探測器。此外，通過(guò)增加測量的平均次數，也可以提高信噪比，它們之間是開(kāi)方的關(guān)系，如平均100次，信噪比提高10倍。

5. 干擾與穩定性 
實(shí)際光譜儀與理想光譜儀的重要區別之一是其內部存在雜散光等干擾。雜散光會(huì )影響信號的準確性，并對測量弱信號帶來(lái)麻煩。超低雜散光平臺（ULS）能夠降低光路中的雜散光3-5倍。
光譜儀的光路和探測器都不可避免地隨著(zhù)環(huán)境而變化，例如，環(huán)境溫度的變化會(huì )導致光譜儀波長(cháng)（X軸）的漂移。對光路和探測器做特殊處理能夠增強光譜儀的長(cháng)期穩定性。然而，這些特殊處理會(huì )增加光譜儀的硬件成本。

6. 采樣速度和時(shí)序精度 
當需要研究在更短時(shí)間內的光譜變化時(shí)，更快速的光譜儀可以在一秒鐘內采集高達8000幅光譜。然而，這些光譜儀往往在光譜分辨率等指標上不能與標準光譜儀媲美，用戶(hù)也需綜合考慮各項指標。
光譜儀必須具備好的時(shí)序性能方能捕捉到很短的脈沖信號。不同類(lèi)型的光譜儀的時(shí)序精度差別很大，性能好的可以到納秒量級的時(shí)間精度，而性能差的只能到毫秒量級的時(shí)間精度。