E+H光譜分析儀的工作原理

E+H光譜分析儀簡稱光譜儀，是將成分復(fù)雜的復(fù)合光分解為光譜線并進(jìn)行測量和計算的科學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用于輻射度學(xué)分析、顏色測量、化學(xué)成份分析等領(lǐng)域，在冶金、地質(zhì)、水文、醫(yī)藥、石油化工、環(huán)境保護(hù)、宇宙探索等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。在照明行業(yè)，通常使用光譜儀來測量光源的光色參數(shù)。

　　1. E+H光譜分析儀的分類

　　1666年，牛頓在研究三棱鏡時發(fā)現(xiàn)，太陽光在通過三棱鏡后被分解成了七色光，這就是三棱鏡對光線的色散現(xiàn)象。在E+H光譜分析儀內(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立的單色光，然后進(jìn)行測量和計算。

　　E+H光譜分析儀一般由分光系統(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分離出來，配合各種光電探測器件對譜線強(qiáng)度進(jìn)行測量，獲得光譜功率(輻射)分布，再計算出色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、光通量、輻射通量等光色性能參數(shù)。

　　分光系統(tǒng)通常做成整體式結(jié)構(gòu)，稱為單色儀或多色儀。單色儀是輸出單色譜線的光學(xué)儀器，通常與PMT探測器為核心的接收系統(tǒng)配套工作，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對測量信號進(jìn)行計算處理，各部分相對獨立。多色儀在結(jié)構(gòu)上與探測器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)緊密結(jié)合，通?？梢灾苯虞敵龉庾V測量數(shù)據(jù)。

　　E+H光譜分析儀的種類繁多，常見的分類方法如下：

　　按工作光譜的區(qū)域分類：紫外-可見光(UV-VIS)光譜儀、可見光(VIS)光譜儀、紫外-可見光-近紅外(VIR)光譜儀等類型

　　按分光系統(tǒng)分類：棱鏡分光光譜儀、光柵分光光譜儀、濾色片分光光譜儀

　　按光路數(shù)量分類：單路光譜儀、多路光譜儀

　　按探測器分類：在可見光范圍內(nèi)主要有PMT光譜儀和CCD光譜儀兩種，在紫外、近紅外范圍內(nèi)還有專門的探測器類型

　　按掃描方式分類：機(jī)械掃描式光譜儀、快速掃描式光譜儀

　　按測量對象和測量結(jié)果的用途分類：分析用光譜儀、光色測量用光譜儀

　　在照明行業(yè)，通常使用的都是可見光光色測量光譜儀，又細(xì)分為機(jī)械掃描式和陣列掃描式兩種。

　　2. 機(jī)械掃描式光譜儀

　　機(jī)械掃描式光譜儀通常由單色儀、光電倍增管探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成。其特點是測量精度高，但儀器龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掃描時間較長。主要用于各種高精度光色測量領(lǐng)域，不適合測量對時間敏感的光源或其他快速測量應(yīng)用。

　　2.1 單色儀

　　單色儀的光路如下圖所示，光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的復(fù)合光線經(jīng)光纖引導(dǎo)至入射狹縫并投射到準(zhǔn)直反射鏡上，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡將發(fā)散光變換為平行光束再照射到衍射光柵，利用每個波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再把某一波長的單色光反射到出射狹縫，光電倍增管(PMT)就可以測定這個波長的數(shù)值和強(qiáng)度。光柵在步進(jìn)電機(jī)的帶動下勻速轉(zhuǎn)動，出射狹縫就可以得到不同波長的單色光，通過同步讀取光柵角度和光電倍增管的輸出信號，就可以得到復(fù)合光的全部光譜信息。

　　單色儀有入射和出射兩個狹縫，入射狹縫用來限制雜散光的進(jìn)入，一般位于準(zhǔn)直鏡的焦點上。出射狹縫用來限制光譜帶寬，一般位于物鏡的焦點上。狹縫通常由兩個具有銳利刀口的精密金屬片構(gòu)成，分為固定狹縫、單邊可調(diào)非對稱式狹縫和雙邊可調(diào)對稱狹縫幾種。用于光色測量的亮度計中，兩個狹縫通常設(shè)計為等寬，且不能自行調(diào)節(jié)。在用于材料分析的亮度計中，狹縫往往設(shè)計成可由儀器自動調(diào)節(jié)寬度。

　　機(jī)械掃描式光譜儀的特點是光電探測器固定不動，通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式改變衍射光柵的角度，將不同波長的單色光逐一投射到探測器上，實現(xiàn)對整個光譜范圍的掃描。由于整個可見光譜是按波長逐一測量，機(jī)械掃描式光譜儀的讀數(shù)時間很長，通常需要數(shù)十秒鐘，所以這類E+H光譜分析儀并不適用于測量光源的瞬時輸出。

　　作為一種改良技術(shù)，有些掃描式光譜儀將兩個或多個衍射光柵安裝在同一個旋轉(zhuǎn)軸上，配合一個的角度編碼器來實現(xiàn)每個角度同時采集兩個或多個波長的測量值，以此縮短掃描時間并保證整個光譜范圍內(nèi)的波長性。

　　2.2 光電倍增管探測器

　　接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)為電信號，主要包括光電探測器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換等部分。不同的光譜頻段需要選用不同類型的光電探測器，以確保光譜響應(yīng)度。

　　機(jī)械掃描式光譜儀通常使用光電倍增管(PMT)作為光電探測器，PMT是一種對紫外光、可見光和近紅外光極其敏感的特殊電子管，它能將微弱光信號通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號輸出，使光信號能夠被測量。

　　光電倍增管分為頂窗型(Head-on)和側(cè)窗型(Side-on)兩種結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含光電陰極、聚焦極、多個倍增極(二次發(fā)射極)和陽極，每個倍增電極上的電壓都高過它前面一個電極，使得電子能夠逐級加速。入射光子撞擊光電陰極產(chǎn)生光電效應(yīng)，激發(fā)出的光電子被聚焦到倍增系統(tǒng)，經(jīng)過一連串的二次發(fā)射使得電子倍增，后到達(dá)陽極作為信號輸出。

　　光電倍增管具有高靈敏度和低噪聲的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高能物理、天體觀測、醫(yī)療儀器、石油勘探、工業(yè)檢測、天文等多種弱光檢測領(lǐng)域的研究工作。的制造商包括英國ET公司(Enterprises Limited)、 日本濱松公司(Hamamatsu Photonics)等。

　　2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光電探測器輸出的電信號轉(zhuǎn)換為可讀數(shù)據(jù)，對于高精度的復(fù)雜運(yùn)算，通常采用專業(yè)軟件在外部計算機(jī)上運(yùn)行處理。

　　3. 陣列掃描式光譜儀

　　傳統(tǒng)的機(jī)械掃描式光譜儀需要旋轉(zhuǎn)光柵來對整個光譜進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，測量速度慢。隨著光電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，基于陣列式光電探測器的快速掃描光譜儀得到廣泛應(yīng)用。陣列式光譜儀不必移動光柵即可完成對光譜的掃描，可瞬態(tài)采集數(shù)據(jù)，實時輸出。同時，陣列式光譜儀系統(tǒng)具有模塊化的特點，可根據(jù)不同的應(yīng)用需要來選擇組件，采用各種不同類型的采樣光纖探頭，色散器件，聚焦光學(xué)系統(tǒng)和檢測器來搭建光學(xué)測量平臺，主要分為微型E+H光譜分析儀和高精度E+H光譜分析儀兩大類。

　　陣列掃描式光譜儀通常由多色儀、陣列式光電探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成，其中多色儀與單色儀大的不同在于沒有機(jī)械運(yùn)動部件，保證了儀器長久運(yùn)行的穩(wěn)定性和測量重復(fù)性，在結(jié)構(gòu)上也可以設(shè)計得非常小巧緊湊。陣列探測器采用全光譜同步探測方式，具有檢測速度快、靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、重復(fù)性好、分辨率高等特點。

　　3.1 多色儀

　　典型的多色儀的光路如下圖所示，光線經(jīng)光纖引導(dǎo)至入射狹縫并投射到準(zhǔn)直物鏡上，準(zhǔn)直物鏡將發(fā)散光變成平行光再反射到衍射光柵上，經(jīng)光柵分光形成光譜光束，然后經(jīng)聚焦鏡后在焦平面上形成光譜帶。置于焦平面上的探測器的不同像素位置對應(yīng)不同的波長，并且感應(yīng)的電壓大小對應(yīng)于該像素接收光強(qiáng)的大小。這樣，通過掃描探測器各像素點的輸出電壓，就可以得到光譜的功率分布P(λ)，然后據(jù)此計算相關(guān)光色參數(shù)。

　　下圖是另一種結(jié)構(gòu)的多色儀光路，入射光經(jīng)入射狹縫和反射鏡后投射到平場凹面光柵上，凹面光柵將光線色散并匯聚到焦平面，然后由陣列探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出。平場凹面光柵是像差校正光柵，它把入射狹縫的光譜會聚到一個平面上，探測器陳列就能同時探測到不同波長的信號強(qiáng)度。

　　3.2 光纖

　　光纖用來將需要測量的光信號耦合到E+H光譜分析儀中，E+H光譜分析儀的光纖通常采用SMA905接口設(shè)計，可與不同的光學(xué)附件結(jié)合使用，具有很好的通用性。

　　3.3 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E+H光譜分析儀的分辨率。狹縫越小對應(yīng)的光譜帶寬較小，波長分辨率就越高，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，但狹縫越大對應(yīng)的光譜帶寬也較大，因入射光的單色光降低而使波長分辨率降低。

　　3.4 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。法國Jobin- Yvon公司、美國Newport公司是行業(yè)的光柵制造商。

　　3.4.1光柵的分類

　　光柵按作用類型分為透射式光柵和反射式光柵。透射式光柵是在透明玻璃上刻痕制成，刻痕處相當(dāng)于毛玻璃，大部分光將不會透過，而兩條刻痕之間可以透光，利用這一特性可以得到衍射分光效果。透射式光柵的性能較差，實際應(yīng)用較少。

　　反射式光柵是在鍍膜的高反射玻璃或金屬基材上刻劃出一系列相互平行、等距、等寬的平行刻線(凹槽)制成，其刻線數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。反射式光柵能對入射光起到色散和反射的作用，光柵刻線多時光譜分辨率高，刻線少時光譜覆蓋范圍寬。由于鋁在近紅外區(qū)域和可見區(qū)域的反射系數(shù)都比較大，而且?guī)缀跏浅?shù)，更重要的是它在紫外區(qū)域的反射系數(shù)比金和銀都大，再加上它材質(zhì)較軟，便于刻劃，所以通常反射光柵都用鋁來做鍍層材料。

　　3.4.2平面反射光柵和凹面反射光柵

　　平面反射光柵是在平面基材上刻槽制成，只有色散功能，在光柵散射前后必須安裝準(zhǔn)直鏡和聚光鏡。如果光柵上存在周期性刻劃失誤，在衍射平面上就會出現(xiàn)鬼線。

　　凹面反射光柵是在高反射金屬凹面基材內(nèi)刻槽制成，由羅蘭(Rowland)在1882年提出，所以又稱為羅蘭光柵。這種光柵能使光線既衍射又能聚焦，不僅簡化了光譜儀器的結(jié)構(gòu)，還將E+H光譜分析儀的應(yīng)用擴(kuò)展到遠(yuǎn)紫外光譜及遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域，解決了當(dāng)時棱鏡光譜儀不可克服的一些缺陷。使用凹面反射光柵設(shè)計的光譜儀不需要準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡，所以光路緊湊，光損失和吸收現(xiàn)象低，并且大大減少了雜散光和色差，增加了光通率，提高了儀器的信噪比。

　　3.4.3 閃耀光柵和全息光柵

　　當(dāng)反射式光柵的刻槽為鋸齒形時，光柵的光能量便集中在預(yù)定的方向上，即光譜強(qiáng)度在這個方向大，這種現(xiàn)象稱為閃耀，這種光柵稱為閃耀光柵。閃耀光柵中起衍射作用的平面與光柵底面的夾角稱為閃耀角，大光強(qiáng)度所對應(yīng)的波長稱為閃耀波長。閃耀光柵在波長可以有很高的衍射效率，光柵效率愈高，信號損失愈小。目前在微型光譜儀中使用的幾乎都是反射式閃耀光柵。

　　全息光柵的刻槽通常為近似正弦波形，刻槽等寬平行或者為優(yōu)化性能而特別設(shè)計的不等寬平行。其線槽密度高，刻劃面積大，因此雜散光低，同時分辨率也得到大幅度提高。全息光柵在較寬光譜范圍內(nèi)的衍射效率變化平緩，衍射效率高的波長由刻痕的深度確定。全息光柵的衍射效率通常比閃耀光柵低，但是通過改變刻痕深度和刻痕周期的比率以及采用“離子蝕刻”等技術(shù)，也可以獲得比閃耀光柵更高的效率。另外，全息光柵不會出現(xiàn)周期性的刻劃失誤，所以不會產(chǎn)生鬼線。采用全息光柵的E+H光譜分析儀具有很高的測量精度。

　　3.4.4光柵的加工方法

　　常見的光柵的加工方法有機(jī)械刻劃法和全息照相法兩種。機(jī)械刻劃法即用帶鉆石刀頭的刻劃機(jī)在基材上刻出溝槽，是制作光柵的經(jīng)典方法，可用于紫外區(qū)和可見光區(qū)。全息照相法是用兩束激光形成干涉條紋和光刻過程來刻劃溝槽，可在平面或球型的表面生成光柵，可用于近紫外、可見和近紅外光區(qū)。

　　3.5陣列式光電探測器

　　光電探測器是光譜儀核心的部分，其制作材料、制造方法及摻雜成分直接決定了E+H光譜分析儀的光譜覆蓋范圍、靈敏度、分辨率和信噪比等指標(biāo)。硅基探測器的波長覆蓋范圍一般為190nm-1100nm，而InGaAs和PbS探測器的波長覆蓋范圍一般為900nm-2900nm。

　　在上世紀(jì)九十年代，微電子領(lǐng)域中的多象元光學(xué)探測器迅猛發(fā)展，如硅光電倍增管( Silicon Photomultiplier，SPM)、CMOS 傳感器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)、CCD探測器(Charge-coupled Device)、InGaAs探測器等器件的出現(xiàn)使生產(chǎn)低成本、高精度的光譜儀成為可能。在照明行業(yè)，積分球測量系統(tǒng)中使用的快速掃描式光譜儀幾乎都是CCD探測器。

　　CCD探測器上由許多排列整齊的電容單元組成，當(dāng)光線照射到光敏面時就會釋放電荷，這個電信號傳送到A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理后就可以獲得測量結(jié)果。CCD上包含的單元(像素，Pixel)越多，分辨率也就越高。CCD具有自然積分的特性，因此具有非常大的動態(tài)范圍。

　　CCD的優(yōu)點是靈敏度高、響應(yīng)速度快，缺點是存在暗(熱)電流，信噪比低，對350nm以下的光信號的響應(yīng)很低，采用DUV 鍍膜工藝可以適當(dāng)提高150-350nm 的響應(yīng)度。

　　3.5.1 CCD探測器的分類

　　按陣列結(jié)構(gòu)分為線陣和面陣兩種

　　CCD上的探測單元呈直線排列時，稱為線陣CCD，呈縱橫排列時，稱為面陣CCD。線陣CCD探測器信噪比低，但體積較小，特別適合小型或移動式E+H光譜分析儀，通常應(yīng)用于現(xiàn)場測量、在線檢測等場合。面陣CCD探測器的動態(tài)范圍大，噪聲低，適用于高精度測量場合。

　　按受光方式分為前照式和背照式兩種

　　前照式CCD由于正面布置著很多電極，光線經(jīng)電極反射和散射后，不僅使得響應(yīng)度大大降低，并且多次反射的干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)馬鞍形的起伏。背照式CCD采用了特殊的制造工藝，避免了上述問題，因而響應(yīng)度大大提高。以薄型背照式電荷耦合器件(Back Thinned Charge Coupled Device，BTCCD)為例，其硅層厚度從一般CCD的數(shù)百微米減薄到20μm以下，背照式結(jié)構(gòu)又避免穿越鈍化層，因而具有噪聲低、靈敏度高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。其量子效率在紫外波段超過40%，在可見光波段可達(dá)到80%-90%，是一種性能優(yōu)異的寬波段探測器件。

　　CCD探測器的制冷方式

　　CCD探測器的溫升會導(dǎo)致熱噪聲，溫度越高，熱噪聲越大。解決方法是給探測器增加冷卻措施，常用的制冷方式主要有TE半導(dǎo)體制冷和液氮制冷兩種。制冷型CCD探測器對溫度的影響不再敏感，可以采用長積分時間進(jìn)行測量，以降低噪聲和提高動態(tài)范圍。紅外測量應(yīng)用時必須選擇制冷型探測器。

　　4. E+H光譜分析儀的性能參數(shù)

　　4.1 光譜范圍

　　波長范圍指光譜儀所能測量的波長區(qū)間，通常測量可見光選擇380nm-780nm的范圍，測量紫外光譜選擇250nm–850nm，測量紅外光譜選擇350nm–1100nm。光柵及探測器的類型會影響波長范圍，通常寬的波長范圍意味著低的光譜分辨率。

　　4.2 光譜分辨率

　　光譜分辨率指能被光譜儀分辨開的小波長差，E+H光譜分析儀中有實際意義的分辨率定義是測量單個譜線的半高寬(FWHM)，即大峰值光強(qiáng)50%處所對應(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、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)隨波長變化就會越明顯，在長波長處會得到高分辨率;高像素的 CCD 探測器也可以獲得更高的光譜分辨率。但是，分辨率越高，光信號越弱，噪聲比也會變差，因此二者要適當(dāng)兼顧。

　　4.3 靈敏度

　　靈敏度定義為某一特定波長照射到像元上的單位輻射度所產(chǎn)生的電信號輸出，主要影響因素有光柵的效率、探測器材料等因素。

　　探測器的靈敏度在很大程度上由其材料特性決定，在CCD探測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。

　　4.4 動態(tài)范圍

　　動態(tài)范圍指光譜儀能測量到的大與小光能量的比值，比值越大性能越好。探測器的動態(tài)范圍越大，所探測的光強(qiáng)度范圍越大，光譜儀的信噪比與穩(wěn)定性也就更好。

　　增大動態(tài)范圍的途徑是降低探測器的暗電流和噪聲，可采用制冷型CCD，或選擇量子效率更高、像素更大的CCD器件。

　　4.5 信噪比

　　信噪比指測得的信號能量水平與疊加在信號上的噪聲水平的比值，信噪比越高，其測量值的偏差就越小。信噪比與光譜儀的探測器性能、電路噪聲和光路雜散光相關(guān)。光譜儀的檢測限也與信噪比直接相關(guān)，通常將測量的檢測限定義為在信噪比為3時可成功測量到的信號水平。

　　對于CCD光譜儀，靈敏度越高，檢測到的噪聲信號越高，信噪比也就越低。CCD探測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)時產(chǎn)生的讀出噪聲等幾種。其中讀出噪聲與讀取的速度有關(guān)，它發(fā)生在每次電荷轉(zhuǎn)移過程中，因此讀取速度越快，讀出噪聲也越高。在一定范圍內(nèi)，可以通過對多次讀數(shù)進(jìn)行平均來提高信噪比。另外，在犧牲分辨率的前提下，通過像素打包(BINNING)技術(shù)，將CCD探測器的多個像素綁定后對積累的電荷求和，也可以提高讀取速度及信噪比。

　　4.6 讀出速度

　　讀出速度指在一定的入射光水平下，光譜儀輸出譜圖信號所需的時間，用來表征單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)處理速度的快慢。讀出速度越快，單位時間內(nèi)獲得的信息越多，但同時讀出噪聲也越高。

　　讀出速度與光譜儀的靈敏度、光譜儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及PC接口速度相關(guān)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器速率越高，光譜儀的讀出速度越快。USB2.0接口的快速度可達(dá)到100張譜圖/s，而RS232接口的快速度只能達(dá)到2張譜圖/s。

　　4.7 重復(fù)性

　　重復(fù)性是指光譜儀對多次測量同一樣品的一致性。在機(jī)械掃描式光譜儀中，由于步進(jìn)電機(jī)帶來的機(jī)械定位問題，重復(fù)定位到同一波長有可能會出現(xiàn)誤差，重復(fù)性可以用來衡量光譜儀返回原波長的能力。在陣列式光譜儀中，因為沒有運(yùn)動部件，因此不存在波長定位問題，其測量重復(fù)性主要取決于探測器類型、暗電流噪聲、測試電路的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的空間抗干擾能力等因素。

　　4.8 雜散光

　　在E+H光譜分析儀中，雜散光指被測波長之外，探測器接收到的其他無用波長信號。雜散光會導(dǎo)致一定的背景光譜，影響測量信號的單色性，造成系統(tǒng)信噪比降低，導(dǎo)致分光測量誤差增大，嚴(yán)重降低測量結(jié)果的度。

　　絕大多數(shù)光學(xué)參數(shù)都是通過對全譜段所測信號積分以后獲得，尤其在測量窄波段LED的時候，測量結(jié)果很容易受到背景光(雜散光、探測器噪聲等)的嚴(yán)重干擾，高精度光譜儀有較高的動態(tài)信號范圍，能保證在全部光譜范圍測量精度，而廉價光譜儀因為動態(tài)范圍低而雜散光的水平高，在測量紅光、藍(lán)光尤其是白光LED的時候會產(chǎn)生很大的誤差。

　　4.9 CCD的暗電流

　　CCD的暗電流指沒有入射光時，像元內(nèi)部因熱激勵載流子產(chǎn)生的電荷噪音。暗電流是CCD探測器固有的特性，它的存在限制了器件的靈敏度和動態(tài)范圍。

　　由于CCD各像元的缺陷不*一致，像元之間的的暗電流也呈現(xiàn)非均勻性，導(dǎo)致CCD輸出帶有固定背景噪音。通過關(guān)閉入射光，有意延長曝光時間，在探測器表面沒有受到光子撞擊時讀取輸出，可以求得各像元的修正系數(shù)，以此補(bǔ)償測量值。另外，將CCD器件置于恒定的低溫環(huán)境中，噪聲影響將大大降低。

　　5. 高精度CCD光譜儀

　　高精度CCD光譜儀具有更高的動態(tài)范圍和信噪比，主要應(yīng)用于需要高穩(wěn)定性和高精度的科學(xué)研究領(lǐng)域，以下介紹幾款在照明領(lǐng)域使用較多的光譜儀設(shè)備。

　　5.1. G&H OL770-LED高速光譜輻射度計

　　美國Optronic Laboratory是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)的兩位光度和輻射度領(lǐng)域的計量測試科學(xué)家于1970年創(chuàng)建，提供各種光譜輻射度測試儀器、標(biāo)準(zhǔn)燈及校正服務(wù)，是shi界享有盛譽(yù)的光學(xué)計量測試儀器生產(chǎn)廠家，在2010年1月被英國Gooch & Housego公司收購。G&H成立于1948年，其聲光器件和射頻驅(qū)動、電光器件、光纖器件、光學(xué)拋光及鍍膜、光譜儀、高光譜成像系統(tǒng)的開發(fā)和制造均處于shi界地位。

　　OL770-LED光譜儀是一套基于CCD的高速光譜輻射度計系統(tǒng)，并針對LED測試進(jìn)行了優(yōu)化，可以實現(xiàn)LED芯片、單管、模塊、陣列等產(chǎn)品的所有光學(xué)參數(shù)的嚴(yán)格測試，*兼容CIE 127文件的要求。L770-LED光譜儀能給LED的各種研發(fā)和生產(chǎn)提供科學(xué)級測量數(shù)據(jù)，是的高精度快速光譜測量儀。

　　主要特點：

　　基于熱電制冷背照式CCD探測器，具有極低的雜散光和*的精度，極低的光譜分辨率和出色的波長精度。

　　采用*設(shè)計的基于像差修正技術(shù)的凹面平場衍射光柵，高精度的光譜光學(xué)組件保證了較低的雜散光水平、高光譜分辨率和的光譜波長精度。

　　內(nèi)部控制電路、光譜模塊以及探測器*集成在一個封閉、牢固的箱體中，并配置RS-232 和USB數(shù)據(jù)采集接口，可使用筆記本電腦進(jìn)行控制和操作。

　　內(nèi)置有一個標(biāo)準(zhǔn)鹵鎢燈光源，當(dāng)由于LED的2π測量時，可作為標(biāo)準(zhǔn)燈對進(jìn)行設(shè)備校正，同時也可作為輔助燈用于自吸收校正，為LED測量帶來便利和精度保證。

　　光學(xué)狹縫安裝在前部面板的入口處，可更換為其他寬度，便于改變光學(xué)帶寬。

　　5.2. IS CAS140CT高動態(tài)范圍快速光譜儀

　　德國Instrument Systems公司創(chuàng)建于1986年，主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域是汽車和航空工業(yè)，是光譜測量市場的ling導(dǎo)者。 研制和生產(chǎn)各光譜儀、成像亮度計、色度計和偏光分析儀等光測量設(shè)備，同時在LED快速檢測領(lǐng)域樹立了標(biāo)準(zhǔn)。

　　CAS140CT 是IS公司在銷量*的耐用型CCD陣列式光譜儀的第三代產(chǎn)品，它集測量的性、設(shè)計的耐用性和操作的便捷性為一身，廣泛用于LCD顯示屏、閃光燈、LED照明等產(chǎn)品的生產(chǎn)線或?qū)嶒炇覝y試。

　　主要特點：

　　光譜范圍覆蓋200 -2150 nm

　　集成的暗電流快門

　　毫秒時級的測量時間

　　帶制冷的背照式CCD探測器，使用交叉Czerny-Turner光路，能夠抑制雜散光，使光譜儀無論在信號動態(tài)范圍還是測量性上均有極明顯改善，可獲得高的測量靈敏度和信號穩(wěn)定性

　　集成的輪式光學(xué)濾光片，根據(jù)光源強(qiáng)弱不同，自動調(diào)用合適的濾光片，使光譜儀的強(qiáng)度測量范圍擴(kuò)大了 4 個等級，使無論是弱光源還是強(qiáng)光源都可以全自動測量，帶來極大的光譜強(qiáng)度測量范圍

　　可在 USB 和 PCI 接口之間選擇

　　配有用于實驗室和生產(chǎn)應(yīng)用的軟件

　　5.3. Labsphere CDS2100 快速E+H光譜分析儀

　　藍(lán)菲光學(xué)(Labsphere)于1979年成立于美國，曾經(jīng)是的顏色測量儀器商X-rite的子公司，目前是英國豪邁(Halma)集團(tuán)旗下成員。Labsphere專精于光學(xué)檢測、感應(yīng)器校正、分光附屬品、材料等領(lǐng)域，是照明測試和測量、探測器校準(zhǔn)以及光學(xué)漫反射涂料領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)。英國豪邁集團(tuán)(HALMA p.l.c.)創(chuàng)立于1894年，是安全、健康及傳感器技術(shù)方面的企業(yè)，倫敦證券交易所的上市公司，在擁有 3700 多名員工，36 家子公司。

　　CDS 2100光譜儀是一款經(jīng)過驗證的交叉C-T結(jié)構(gòu)光譜儀。該光譜儀內(nèi)置的電制冷、薄型背照式CCD探測器可地抑制雜散光，具有*的精度和穩(wěn)定性，符合 CIE 測量標(biāo)準(zhǔn)并得到能源之星第三方實驗室的廣泛認(rèn)可。

　　主要特點：

　　動態(tài)范圍廣，應(yīng)用廣泛

　　搭配的LightMtrX軟件提供了多重光譜范圍

　　快速、低噪音

　　可選用3m長的光纖輸入電纜

　　設(shè)計緊湊

　　適合藍(lán)菲光學(xué)所有的光譜測試系統(tǒng)，可溯源至NIST

　　5.4 EVERFINE HAAS-2000高精度快速E+H光譜分析儀

　　中國杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司(EVERFINE Corporation)創(chuàng)建于1993年，是的照明領(lǐng)域光電檢測儀器供應(yīng)商，國內(nèi)*和出口量均yaoyao。遠(yuǎn)方公司是國內(nèi)早從事光電測試儀器開發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)之一，產(chǎn)品包括各類光源光色電綜合檢測儀器、光度/色度/輻射度探頭、光譜輻射計、亮度計、照度計/光度計、色度計、分布光度計、積分球、電子鎮(zhèn)流器/熒光燈/LED測試儀器、EMC電磁兼容測試儀器、數(shù)字功率計、變頻電源等光電測試儀器。

　　HAAS-2000采用*的雜散光控制技術(shù)、寬動態(tài)線性技術(shù)、精密CCD電子驅(qū)動技術(shù)和復(fù)變矩陣軟件技術(shù)，并成功應(yīng)用了帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)、分光積分結(jié)合技術(shù)(SBCT)，以及修正的NIST雜散光校正技術(shù)等多項zhuang利技術(shù)，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了的5.00E-05的極低雜散光水平(在A光源嚴(yán)格條件下)和0.3%的全動態(tài)光度線性性能，是一款shi界的快速光譜輻射計，*美國IESNA LM-79和中國GB/T 24824等標(biāo)準(zhǔn)要求，可實現(xiàn)LED的瞬態(tài)光學(xué)特性測量(脈沖測量)及穩(wěn)態(tài)光學(xué)特性測量(直流測量)。

　　主要特點：

　　低雜散光。通過高精度全息凹面衍射光柵、線性可變?yōu)V色器(LVF)及帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)技術(shù)的應(yīng)用，HAAS-2000的雜散光是原有高精度快速光譜儀的十分之一。

　　寬線性動態(tài)。帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)SBCT技術(shù)大大提高了HAAS-2000的線性動態(tài)范圍，此外，與普通CCD相比，HAAS-2000中所使用的科學(xué)級高靈敏度CCD也很大地拓寬了線性動態(tài)范圍;

　　快速。毫秒級測量速度，HAAS-2000采用科學(xué)級高性能CCD陣列探測器代替機(jī)械掃描系統(tǒng)，可以在實現(xiàn)極短的測量時間，測量整個光譜范圍。

　　高精度。HAAS-2000專為高精度應(yīng)用場合設(shè)計，采用shi界ji的科學(xué)級制冷型的陣列探測器和平場凹面光柵，配備精密的光學(xué)系統(tǒng)和電子線路設(shè)計，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度、低噪聲、低雜散光和寬動態(tài)范圍，實現(xiàn)科學(xué)級的測試精度與*的測試效率。

　　高重復(fù)性和穩(wěn)定性。儀器沒有機(jī)械運(yùn)動的掃描機(jī)構(gòu)，wei一會產(chǎn)生影響的溫度因素也被恒溫制冷技術(shù)控制到了±05℃的水平，熱穩(wěn)定性好，幾乎沒有波長漂移，測量的重復(fù)性和穩(wěn)定性*。

　　小巧。由于不含機(jī)械掃描裝置，HAAS-2000設(shè)計精巧，無機(jī)械磨損，相對壽命長，可靠性高。HAAS設(shè)計輕巧，非常適合需要手提的應(yīng)用場合。

　　NIM和NIST溯源。儀器直接由美國NIST和國家計量院傳遞標(biāo)準(zhǔn)，量值準(zhǔn)確度高。

　　高靈敏度。采用平場凹面光柵和HAMAMATSU TE-制冷背射式CCD，使得儀器的靈敏度*。

E+H光譜分析儀簡稱光譜儀，是將成分復(fù)雜的復(fù)合光分解為光譜線并進(jìn)行測量和計算的科學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用于輻射度學(xué)分析、顏色測量、化學(xué)成份分析等領(lǐng)域，在冶金、地質(zhì)、水文、醫(yī)藥、石油化工、環(huán)境保護(hù)、宇宙探索等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。在照明行業(yè)，通常使用光譜儀來測量光源的光色參數(shù)。

　　1. E+H光譜分析儀的分類

　　1666年，牛頓在研究三棱鏡時發(fā)現(xiàn)，太陽光在通過三棱鏡后被分解成了七色光，這就是三棱鏡對光線的色散現(xiàn)象。在E+H光譜分析儀內(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立的單色光，然后進(jìn)行測量和計算。

　　E+H光譜分析儀一般由分光系統(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分離出來，配合各種光電探測器件對譜線強(qiáng)度進(jìn)行測量，獲得光譜功率(輻射)分布，再計算出色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、光通量、輻射通量等光色性能參數(shù)。

　　分光系統(tǒng)通常做成整體式結(jié)構(gòu)，稱為單色儀或多色儀。單色儀是輸出單色譜線的光學(xué)儀器，通常與PMT探測器為核心的接收系統(tǒng)配套工作，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對測量信號進(jìn)行計算處理，各部分相對獨立。多色儀在結(jié)構(gòu)上與探測器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)緊密結(jié)合，通?？梢灾苯虞敵龉庾V測量數(shù)據(jù)。

　　E+H光譜分析儀的種類繁多，常見的分類方法如下：

　　按工作光譜的區(qū)域分類：紫外-可見光(UV-VIS)光譜儀、可見光(VIS)光譜儀、紫外-可見光-近紅外(VIR)光譜儀等類型

　　按分光系統(tǒng)分類：棱鏡分光光譜儀、光柵分光光譜儀、濾色片分光光譜儀

　　按光路數(shù)量分類：單路光譜儀、多路光譜儀

　　按探測器分類：在可見光范圍內(nèi)主要有PMT光譜儀和CCD光譜儀兩種，在紫外、近紅外范圍內(nèi)還有專門的探測器類型

　　按掃描方式分類：機(jī)械掃描式光譜儀、快速掃描式光譜儀

　　按測量對象和測量結(jié)果的用途分類：分析用光譜儀、光色測量用光譜儀

　　在照明行業(yè)，通常使用的都是可見光光色測量光譜儀，又細(xì)分為機(jī)械掃描式和陣列掃描式兩種。

　　2. 機(jī)械掃描式光譜儀

　　機(jī)械掃描式光譜儀通常由單色儀、光電倍增管探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成。其特點是測量精度高，但儀器龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掃描時間較長。主要用于各種高精度光色測量領(lǐng)域，不適合測量對時間敏感的光源或其他快速測量應(yīng)用。

　　2.1 單色儀

　　單色儀的光路如下圖所示，光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的復(fù)合光線經(jīng)光纖引導(dǎo)至入射狹縫并投射到準(zhǔn)直反射鏡上，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡將發(fā)散光變換為平行光束再照射到衍射光柵，利用每個波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再把某一波長的單色光反射到出射狹縫，光電倍增管(PMT)就可以測定這個波長的數(shù)值和強(qiáng)度。光柵在步進(jìn)電機(jī)的帶動下勻速轉(zhuǎn)動，出射狹縫就可以得到不同波長的單色光，通過同步讀取光柵角度和光電倍增管的輸出信號，就可以得到復(fù)合光的全部光譜信息。

　　單色儀有入射和出射兩個狹縫，入射狹縫用來限制雜散光的進(jìn)入，一般位于準(zhǔn)直鏡的焦點上。出射狹縫用來限制光譜帶寬，一般位于物鏡的焦點上。狹縫通常由兩個具有銳利刀口的精密金屬片構(gòu)成，分為固定狹縫、單邊可調(diào)非對稱式狹縫和雙邊可調(diào)對稱狹縫幾種。用于光色測量的亮度計中，兩個狹縫通常設(shè)計為等寬，且不能自行調(diào)節(jié)。在用于材料分析的亮度計中，狹縫往往設(shè)計成可由儀器自動調(diào)節(jié)寬度。

　　機(jī)械掃描式光譜儀的特點是光電探測器固定不動，通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式改變衍射光柵的角度，將不同波長的單色光逐一投射到探測器上，實現(xiàn)對整個光譜范圍的掃描。由于整個可見光譜是按波長逐一測量，機(jī)械掃描式光譜儀的讀數(shù)時間很長，通常需要數(shù)十秒鐘，所以這類E+H光譜分析儀并不適用于測量光源的瞬時輸出。

　　作為一種改良技術(shù)，有些掃描式光譜儀將兩個或多個衍射光柵安裝在同一個旋轉(zhuǎn)軸上，配合一個的角度編碼器來實現(xiàn)每個角度同時采集兩個或多個波長的測量值，以此縮短掃描時間并保證整個光譜范圍內(nèi)的波長性。

　　2.2 光電倍增管探測器

　　接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)為電信號，主要包括光電探測器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換等部分。不同的光譜頻段需要選用不同類型的光電探測器，以確保光譜響應(yīng)度。

　　機(jī)械掃描式光譜儀通常使用光電倍增管(PMT)作為光電探測器，PMT是一種對紫外光、可見光和近紅外光極其敏感的特殊電子管，它能將微弱光信號通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號輸出，使光信號能夠被測量。

　　光電倍增管分為頂窗型(Head-on)和側(cè)窗型(Side-on)兩種結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含光電陰極、聚焦極、多個倍增極(二次發(fā)射極)和陽極，每個倍增電極上的電壓都高過它前面一個電極，使得電子能夠逐級加速。入射光子撞擊光電陰極產(chǎn)生光電效應(yīng)，激發(fā)出的光電子被聚焦到倍增系統(tǒng)，經(jīng)過一連串的二次發(fā)射使得電子倍增，后到達(dá)陽極作為信號輸出。

　　光電倍增管具有高靈敏度和低噪聲的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高能物理、天體觀測、醫(yī)療儀器、石油勘探、工業(yè)檢測、天文等多種弱光檢測領(lǐng)域的研究工作。的制造商包括英國ET公司(Enterprises Limited)、 日本濱松公司(Hamamatsu Photonics)等。

　　2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光電探測器輸出的電信號轉(zhuǎn)換為可讀數(shù)據(jù)，對于高精度的復(fù)雜運(yùn)算，通常采用專業(yè)軟件在外部計算機(jī)上運(yùn)行處理。

　　3. 陣列掃描式光譜儀

　　傳統(tǒng)的機(jī)械掃描式光譜儀需要旋轉(zhuǎn)光柵來對整個光譜進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，測量速度慢。隨著光電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，基于陣列式光電探測器的快速掃描光譜儀得到廣泛應(yīng)用。陣列式光譜儀不必移動光柵即可完成對光譜的掃描，可瞬態(tài)采集數(shù)據(jù)，實時輸出。同時，陣列式光譜儀系統(tǒng)具有模塊化的特點，可根據(jù)不同的應(yīng)用需要來選擇組件，采用各種不同類型的采樣光纖探頭，色散器件，聚焦光學(xué)系統(tǒng)和檢測器來搭建光學(xué)測量平臺，主要分為微型E+H光譜分析儀和高精度E+H光譜分析儀兩大類。

　　陣列掃描式光譜儀通常由多色儀、陣列式光電探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成，其中多色儀與單色儀大的不同在于沒有機(jī)械運(yùn)動部件，保證了儀器長久運(yùn)行的穩(wěn)定性和測量重復(fù)性，在結(jié)構(gòu)上也可以設(shè)計得非常小巧緊湊。陣列探測器采用全光譜同步探測方式，具有檢測速度快、靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、重復(fù)性好、分辨率高等特點。

　　3.1 多色儀

　　典型的多色儀的光路如下圖所示，光線經(jīng)光纖引導(dǎo)至入射狹縫并投射到準(zhǔn)直物鏡上，準(zhǔn)直物鏡將發(fā)散光變成平行光再反射到衍射光柵上，經(jīng)光柵分光形成光譜光束，然后經(jīng)聚焦鏡后在焦平面上形成光譜帶。置于焦平面上的探測器的不同像素位置對應(yīng)不同的波長，并且感應(yīng)的電壓大小對應(yīng)于該像素接收光強(qiáng)的大小。這樣，通過掃描探測器各像素點的輸出電壓，就可以得到光譜的功率分布P(λ)，然后據(jù)此計算相關(guān)光色參數(shù)。

　　下圖是另一種結(jié)構(gòu)的多色儀光路，入射光經(jīng)入射狹縫和反射鏡后投射到平場凹面光柵上，凹面光柵將光線色散并匯聚到焦平面，然后由陣列探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出。平場凹面光柵是像差校正光柵，它把入射狹縫的光譜會聚到一個平面上，探測器陳列就能同時探測到不同波長的信號強(qiáng)度。

　　3.2 光纖

　　光纖用來將需要測量的光信號耦合到E+H光譜分析儀中，E+H光譜分析儀的光纖通常采用SMA905接口設(shè)計，可與不同的光學(xué)附件結(jié)合使用，具有很好的通用性。

　　3.3 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E+H光譜分析儀的分辨率。狹縫越小對應(yīng)的光譜帶寬較小，波長分辨率就越高，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，但狹縫越大對應(yīng)的光譜帶寬也較大，因入射光的單色光降低而使波長分辨率降低。

　　3.4 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。法國Jobin- Yvon公司、美國Newport公司是行業(yè)的光柵制造商。

　　3.4.1光柵的分類

　　光柵按作用類型分為透射式光柵和反射式光柵。透射式光柵是在透明玻璃上刻痕制成，刻痕處相當(dāng)于毛玻璃，大部分光將不會透過，而兩條刻痕之間可以透光，利用這一特性可以得到衍射分光效果。透射式光柵的性能較差，實際應(yīng)用較少。

　　反射式光柵是在鍍膜的高反射玻璃或金屬基材上刻劃出一系列相互平行、等距、等寬的平行刻線(凹槽)制成，其刻線數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。反射式光柵能對入射光起到色散和反射的作用，光柵刻線多時光譜分辨率高，刻線少時光譜覆蓋范圍寬。由于鋁在近紅外區(qū)域和可見區(qū)域的反射系數(shù)都比較大，而且?guī)缀跏浅?shù)，更重要的是它在紫外區(qū)域的反射系數(shù)比金和銀都大，再加上它材質(zhì)較軟，便于刻劃，所以通常反射光柵都用鋁來做鍍層材料。

　　3.4.2平面反射光柵和凹面反射光柵

　　平面反射光柵是在平面基材上刻槽制成，只有色散功能，在光柵散射前后必須安裝準(zhǔn)直鏡和聚光鏡。如果光柵上存在周期性刻劃失誤，在衍射平面上就會出現(xiàn)鬼線。

　　凹面反射光柵是在高反射金屬凹面基材內(nèi)刻槽制成，由羅蘭(Rowland)在1882年提出，所以又稱為羅蘭光柵。這種光柵能使光線既衍射又能聚焦，不僅簡化了光譜儀器的結(jié)構(gòu)，還將E+H光譜分析儀的應(yīng)用擴(kuò)展到遠(yuǎn)紫外光譜及遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域，解決了當(dāng)時棱鏡光譜儀不可克服的一些缺陷。使用凹面反射光柵設(shè)計的光譜儀不需要準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡，所以光路緊湊，光損失和吸收現(xiàn)象低，并且大大減少了雜散光和色差，增加了光通率，提高了儀器的信噪比。

　　3.4.3 閃耀光柵和全息光柵

　　當(dāng)反射式光柵的刻槽為鋸齒形時，光柵的光能量便集中在預(yù)定的方向上，即光譜強(qiáng)度在這個方向大，這種現(xiàn)象稱為閃耀，這種光柵稱為閃耀光柵。閃耀光柵中起衍射作用的平面與光柵底面的夾角稱為閃耀角，大光強(qiáng)度所對應(yīng)的波長稱為閃耀波長。閃耀光柵在波長可以有很高的衍射效率，光柵效率愈高，信號損失愈小。目前在微型光譜儀中使用的幾乎都是反射式閃耀光柵。

　　全息光柵的刻槽通常為近似正弦波形，刻槽等寬平行或者為優(yōu)化性能而特別設(shè)計的不等寬平行。其線槽密度高，刻劃面積大，因此雜散光低，同時分辨率也得到大幅度提高。全息光柵在較寬光譜范圍內(nèi)的衍射效率變化平緩，衍射效率高的波長由刻痕的深度確定。全息光柵的衍射效率通常比閃耀光柵低，但是通過改變刻痕深度和刻痕周期的比率以及采用“離子蝕刻”等技術(shù)，也可以獲得比閃耀光柵更高的效率。另外，全息光柵不會出現(xiàn)周期性的刻劃失誤，所以不會產(chǎn)生鬼線。采用全息光柵的E+H光譜分析儀具有很高的測量精度。

　　3.4.4光柵的加工方法

　　常見的光柵的加工方法有機(jī)械刻劃法和全息照相法兩種。機(jī)械刻劃法即用帶鉆石刀頭的刻劃機(jī)在基材上刻出溝槽，是制作光柵的經(jīng)典方法，可用于紫外區(qū)和可見光區(qū)。全息照相法是用兩束激光形成干涉條紋和光刻過程來刻劃溝槽，可在平面或球型的表面生成光柵，可用于近紫外、可見和近紅外光區(qū)。

　　3.5陣列式光電探測器

　　光電探測器是光譜儀核心的部分，其制作材料、制造方法及摻雜成分直接決定了E+H光譜分析儀的光譜覆蓋范圍、靈敏度、分辨率和信噪比等指標(biāo)。硅基探測器的波長覆蓋范圍一般為190nm-1100nm，而InGaAs和PbS探測器的波長覆蓋范圍一般為900nm-2900nm。

　　在上世紀(jì)九十年代，微電子領(lǐng)域中的多象元光學(xué)探測器迅猛發(fā)展，如硅光電倍增管( Silicon Photomultiplier，SPM)、CMOS 傳感器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)、CCD探測器(Charge-coupled Device)、InGaAs探測器等器件的出現(xiàn)使生產(chǎn)低成本、高精度的光譜儀成為可能。在照明行業(yè)，積分球測量系統(tǒng)中使用的快速掃描式光譜儀幾乎都是CCD探測器。

　　CCD探測器上由許多排列整齊的電容單元組成，當(dāng)光線照射到光敏面時就會釋放電荷，這個電信號傳送到A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理后就可以獲得測量結(jié)果。CCD上包含的單元(像素，Pixel)越多，分辨率也就越高。CCD具有自然積分的特性，因此具有非常大的動態(tài)范圍。

　　CCD的優(yōu)點是靈敏度高、響應(yīng)速度快，缺點是存在暗(熱)電流，信噪比低，對350nm以下的光信號的響應(yīng)很低，采用DUV 鍍膜工藝可以適當(dāng)提高150-350nm 的響應(yīng)度。

　　3.5.1 CCD探測器的分類

　　按陣列結(jié)構(gòu)分為線陣和面陣兩種

　　CCD上的探測單元呈直線排列時，稱為線陣CCD，呈縱橫排列時，稱為面陣CCD。線陣CCD探測器信噪比低，但體積較小，特別適合小型或移動式E+H光譜分析儀，通常應(yīng)用于現(xiàn)場測量、在線檢測等場合。面陣CCD探測器的動態(tài)范圍大，噪聲低，適用于高精度測量場合。

　　按受光方式分為前照式和背照式兩種

　　前照式CCD由于正面布置著很多電極，光線經(jīng)電極反射和散射后，不僅使得響應(yīng)度大大降低，并且多次反射的干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)馬鞍形的起伏。背照式CCD采用了特殊的制造工藝，避免了上述問題，因而響應(yīng)度大大提高。以薄型背照式電荷耦合器件(Back Thinned Charge Coupled Device，BTCCD)為例，其硅層厚度從一般CCD的數(shù)百微米減薄到20μm以下，背照式結(jié)構(gòu)又避免穿越鈍化層，因而具有噪聲低、靈敏度高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。其量子效率在紫外波段超過40%，在可見光波段可達(dá)到80%-90%，是一種性能優(yōu)異的寬波段探測器件。

　　CCD探測器的制冷方式

　　CCD探測器的溫升會導(dǎo)致熱噪聲，溫度越高，熱噪聲越大。解決方法是給探測器增加冷卻措施，常用的制冷方式主要有TE半導(dǎo)體制冷和液氮制冷兩種。制冷型CCD探測器對溫度的影響不再敏感，可以采用長積分時間進(jìn)行測量，以降低噪聲和提高動態(tài)范圍。紅外測量應(yīng)用時必須選擇制冷型探測器。

　　4. E+H光譜分析儀的性能參數(shù)

　　4.1 光譜范圍

　　波長范圍指光譜儀所能測量的波長區(qū)間，通常測量可見光選擇380nm-780nm的范圍，測量紫外光譜選擇250nm–850nm，測量紅外光譜選擇350nm–1100nm。光柵及探測器的類型會影響波長范圍，通常寬的波長范圍意味著低的光譜分辨率。

　　4.2 光譜分辨率

　　光譜分辨率指能被光譜儀分辨開的小波長差，E+H光譜分析儀中有實際意義的分辨率定義是測量單個譜線的半高寬(FWHM)，即大峰值光強(qiáng)50%處所對應(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、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)隨波長變化就會越明顯，在長波長處會得到高分辨率;高像素的 CCD 探測器也可以獲得更高的光譜分辨率。但是，分辨率越高，光信號越弱，噪聲比也會變差，因此二者要適當(dāng)兼顧。

　　4.3 靈敏度

　　靈敏度定義為某一特定波長照射到像元上的單位輻射度所產(chǎn)生的電信號輸出，主要影響因素有光柵的效率、探測器材料等因素。

　　探測器的靈敏度在很大程度上由其材料特性決定，在CCD探測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。

　　4.4 動態(tài)范圍

　　動態(tài)范圍指光譜儀能測量到的大與小光能量的比值，比值越大性能越好。探測器的動態(tài)范圍越大，所探測的光強(qiáng)度范圍越大，光譜儀的信噪比與穩(wěn)定性也就更好。

　　增大動態(tài)范圍的途徑是降低探測器的暗電流和噪聲，可采用制冷型CCD，或選擇量子效率更高、像素更大的CCD器件。

　　4.5 信噪比

　　信噪比指測得的信號能量水平與疊加在信號上的噪聲水平的比值，信噪比越高，其測量值的偏差就越小。信噪比與光譜儀的探測器性能、電路噪聲和光路雜散光相關(guān)。光譜儀的檢測限也與信噪比直接相關(guān)，通常將測量的檢測限定義為在信噪比為3時可成功測量到的信號水平。

　　對于CCD光譜儀，靈敏度越高，檢測到的噪聲信號越高，信噪比也就越低。CCD探測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)時產(chǎn)生的讀出噪聲等幾種。其中讀出噪聲與讀取的速度有關(guān)，它發(fā)生在每次電荷轉(zhuǎn)移過程中，因此讀取速度越快，讀出噪聲也越高。在一定范圍內(nèi)，可以通過對多次讀數(shù)進(jìn)行平均來提高信噪比。另外，在犧牲分辨率的前提下，通過像素打包(BINNING)技術(shù)，將CCD探測器的多個像素綁定后對積累的電荷求和，也可以提高讀取速度及信噪比。

　　4.6 讀出速度

　　讀出速度指在一定的入射光水平下，光譜儀輸出譜圖信號所需的時間，用來表征單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)處理速度的快慢。讀出速度越快，單位時間內(nèi)獲得的信息越多，但同時讀出噪聲也越高。

　　讀出速度與光譜儀的靈敏度、光譜儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及PC接口速度相關(guān)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器速率越高，光譜儀的讀出速度越快。USB2.0接口的快速度可達(dá)到100張譜圖/s，而RS232接口的快速度只能達(dá)到2張譜圖/s。

　　4.7 重復(fù)性

　　重復(fù)性是指光譜儀對多次測量同一樣品的一致性。在機(jī)械掃描式光譜儀中，由于步進(jìn)電機(jī)帶來的機(jī)械定位問題，重復(fù)定位到同一波長有可能會出現(xiàn)誤差，重復(fù)性可以用來衡量光譜儀返回原波長的能力。在陣列式光譜儀中，因為沒有運(yùn)動部件，因此不存在波長定位問題，其測量重復(fù)性主要取決于探測器類型、暗電流噪聲、測試電路的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的空間抗干擾能力等因素。

　　4.8 雜散光

　　在E+H光譜分析儀中，雜散光指被測波長之外，探測器接收到的其他無用波長信號。雜散光會導(dǎo)致一定的背景光譜，影響測量信號的單色性，造成系統(tǒng)信噪比降低，導(dǎo)致分光測量誤差增大，嚴(yán)重降低測量結(jié)果的度。

　　絕大多數(shù)光學(xué)參數(shù)都是通過對全譜段所測信號積分以后獲得，尤其在測量窄波段LED的時候，測量結(jié)果很容易受到背景光(雜散光、探測器噪聲等)的嚴(yán)重干擾，高精度光譜儀有較高的動態(tài)信號范圍，能保證在全部光譜范圍測量精度，而廉價光譜儀因為動態(tài)范圍低而雜散光的水平高，在測量紅光、藍(lán)光尤其是白光LED的時候會產(chǎn)生很大的誤差。

　　4.9 CCD的暗電流

　　CCD的暗電流指沒有入射光時，像元內(nèi)部因熱激勵載流子產(chǎn)生的電荷噪音。暗電流是CCD探測器固有的特性，它的存在限制了器件的靈敏度和動態(tài)范圍。

　　由于CCD各像元的缺陷不*一致，像元之間的的暗電流也呈現(xiàn)非均勻性，導(dǎo)致CCD輸出帶有固定背景噪音。通過關(guān)閉入射光，有意延長曝光時間，在探測器表面沒有受到光子撞擊時讀取輸出，可以求得各像元的修正系數(shù)，以此補(bǔ)償測量值。另外，將CCD器件置于恒定的低溫環(huán)境中，噪聲影響將大大降低。

　　5. 高精度CCD光譜儀

　　高精度CCD光譜儀具有更高的動態(tài)范圍和信噪比，主要應(yīng)用于需要高穩(wěn)定性和高精度的科學(xué)研究領(lǐng)域，以下介紹幾款在照明領(lǐng)域使用較多的光譜儀設(shè)備。

　　5.1. G&H OL770-LED高速光譜輻射度計

　　美國Optronic Laboratory是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)的兩位光度和輻射度領(lǐng)域的計量測試科學(xué)家于1970年創(chuàng)建，提供各種光譜輻射度測試儀器、標(biāo)準(zhǔn)燈及校正服務(wù)，是shi界享有盛譽(yù)的光學(xué)計量測試儀器生產(chǎn)廠家，在2010年1月被英國Gooch & Housego公司收購。G&H成立于1948年，其聲光器件和射頻驅(qū)動、電光器件、光纖器件、光學(xué)拋光及鍍膜、光譜儀、高光譜成像系統(tǒng)的開發(fā)和制造均處于shi界地位。

　　OL770-LED光譜儀是一套基于CCD的高速光譜輻射度計系統(tǒng)，并針對LED測試進(jìn)行了優(yōu)化，可以實現(xiàn)LED芯片、單管、模塊、陣列等產(chǎn)品的所有光學(xué)參數(shù)的嚴(yán)格測試，*兼容CIE 127文件的要求。L770-LED光譜儀能給LED的各種研發(fā)和生產(chǎn)提供科學(xué)級測量數(shù)據(jù)，是的高精度快速光譜測量儀。

　　主要特點：

　　基于熱電制冷背照式CCD探測器，具有極低的雜散光和*的精度，極低的光譜分辨率和出色的波長精度。

　　采用*設(shè)計的基于像差修正技術(shù)的凹面平場衍射光柵，高精度的光譜光學(xué)組件保證了較低的雜散光水平、高光譜分辨率和的光譜波長精度。

　　內(nèi)部控制電路、光譜模塊以及探測器*集成在一個封閉、牢固的箱體中，并配置RS-232 和USB數(shù)據(jù)采集接口，可使用筆記本電腦進(jìn)行控制和操作。

　　內(nèi)置有一個標(biāo)準(zhǔn)鹵鎢燈光源，當(dāng)由于LED的2π測量時，可作為標(biāo)準(zhǔn)燈對進(jìn)行設(shè)備校正，同時也可作為輔助燈用于自吸收校正，為LED測量帶來便利和精度保證。

　　光學(xué)狹縫安裝在前部面板的入口處，可更換為其他寬度，便于改變光學(xué)帶寬。

　　5.2. IS CAS140CT高動態(tài)范圍快速光譜儀

　　德國Instrument Systems公司創(chuàng)建于1986年，主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域是汽車和航空工業(yè)，是光譜測量市場的ling導(dǎo)者。 研制和生產(chǎn)各光譜儀、成像亮度計、色度計和偏光分析儀等光測量設(shè)備，同時在LED快速檢測領(lǐng)域樹立了標(biāo)準(zhǔn)。

　　CAS140CT 是IS公司在銷量*的耐用型CCD陣列式光譜儀的第三代產(chǎn)品，它集測量的性、設(shè)計的耐用性和操作的便捷性為一身，廣泛用于LCD顯示屏、閃光燈、LED照明等產(chǎn)品的生產(chǎn)線或?qū)嶒炇覝y試。

　　主要特點：

　　光譜范圍覆蓋200 -2150 nm

　　集成的暗電流快門

　　毫秒時級的測量時間

　　帶制冷的背照式CCD探測器，使用交叉Czerny-Turner光路，能夠抑制雜散光，使光譜儀無論在信號動態(tài)范圍還是測量性上均有極明顯改善，可獲得高的測量靈敏度和信號穩(wěn)定性

　　集成的輪式光學(xué)濾光片，根據(jù)光源強(qiáng)弱不同，自動調(diào)用合適的濾光片，使光譜儀的強(qiáng)度測量范圍擴(kuò)大了 4 個等級，使無論是弱光源還是強(qiáng)光源都可以全自動測量，帶來極大的光譜強(qiáng)度測量范圍

　　可在 USB 和 PCI 接口之間選擇

　　配有用于實驗室和生產(chǎn)應(yīng)用的軟件

　　5.3. Labsphere CDS2100 快速E+H光譜分析儀

　　藍(lán)菲光學(xué)(Labsphere)于1979年成立于美國，曾經(jīng)是的顏色測量儀器商X-rite的子公司，目前是英國豪邁(Halma)集團(tuán)旗下成員。Labsphere專精于光學(xué)檢測、感應(yīng)器校正、分光附屬品、材料等領(lǐng)域，是照明測試和測量、探測器校準(zhǔn)以及光學(xué)漫反射涂料領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)。英國豪邁集團(tuán)(HALMA p.l.c.)創(chuàng)立于1894年，是安全、健康及傳感器技術(shù)方面的企業(yè)，倫敦證券交易所的上市公司，在擁有 3700 多名員工，36 家子公司。

　　CDS 2100光譜儀是一款經(jīng)過驗證的交叉C-T結(jié)構(gòu)光譜儀。該光譜儀內(nèi)置的電制冷、薄型背照式CCD探測器可地抑制雜散光，具有*的精度和穩(wěn)定性，符合 CIE 測量標(biāo)準(zhǔn)并得到能源之星第三方實驗室的廣泛認(rèn)可。

　　主要特點：

　　動態(tài)范圍廣，應(yīng)用廣泛

　　搭配的LightMtrX軟件提供了多重光譜范圍

　　快速、低噪音

　　可選用3m長的光纖輸入電纜

　　設(shè)計緊湊

　　適合藍(lán)菲光學(xué)所有的光譜測試系統(tǒng)，可溯源至NIST

　　5.4 EVERFINE HAAS-2000高精度快速E+H光譜分析儀

　　中國杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司(EVERFINE Corporation)創(chuàng)建于1993年，是的照明領(lǐng)域光電檢測儀器供應(yīng)商，國內(nèi)*和出口量均遙遙。遠(yuǎn)方公司是國內(nèi)早從事光電測試儀器開發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)之一，產(chǎn)品包括各類光源光色電綜合檢測儀器、光度/色度/輻射度探頭、光譜輻射計、亮度計、照度計/光度計、色度計、分布光度計、積分球、電子鎮(zhèn)流器/熒光燈/LED測試儀器、EMC電磁兼容測試儀器、數(shù)字功率計、變頻電源等光電測試儀器。

　　HAAS-2000采用*的雜散光控制技術(shù)、寬動態(tài)線性技術(shù)、精密CCD電子驅(qū)動技術(shù)和復(fù)變矩陣軟件技術(shù)，并成功應(yīng)用了帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)、分光積分結(jié)合技術(shù)(SBCT)，以及修正的NIST雜散光校正技術(shù)等多項zhuang利技術(shù)，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了的5.00E-05的極低雜散光水平(在A光源嚴(yán)格條件下)和0.3%的全動態(tài)光度線性性能，是一款shi界的快速光譜輻射計，*美國IESNA LM-79和中國GB/T 24824等標(biāo)準(zhǔn)要求，可實現(xiàn)LED的瞬態(tài)光學(xué)特性測量(脈沖測量)及穩(wěn)態(tài)光學(xué)特性測量(直流測量)。

　　主要特點：

　　低雜散光。通過高精度全息凹面衍射光柵、線性可變?yōu)V色器(LVF)及帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)技術(shù)的應(yīng)用，HAAS-2000的雜散光是原有高精度快速光譜儀的十分之一。

　　寬線性動態(tài)。帶通色輪校正技術(shù)(BWCT)SBCT技術(shù)大大提高了HAAS-2000的線性動態(tài)范圍，此外，與普通CCD相比，HAAS-2000中所使用的科學(xué)級高靈敏度CCD也很大地拓寬了線性動態(tài)范圍;

　　快速。毫秒級測量速度，HAAS-2000采用科學(xué)級高性能CCD陣列探測器代替機(jī)械掃描系統(tǒng)，可以在實現(xiàn)極短的測量時間，測量整個光譜范圍。

　　高精度。HAAS-2000專為高精度應(yīng)用場合設(shè)計，采用shi界ji的科學(xué)級制冷型的陣列探測器和平場凹面光柵，配備精密的光學(xué)系統(tǒng)和電子線路設(shè)計，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度、低噪聲、低雜散光和寬動態(tài)范圍，實現(xiàn)科學(xué)級的測試精度與*的測試效率。

　　高重復(fù)性和穩(wěn)定性。儀器沒有機(jī)械運(yùn)動的掃描機(jī)構(gòu)，wei一會產(chǎn)生影響的溫度因素也被恒溫制冷技術(shù)控制到了±05℃的水平，熱穩(wěn)定性好，幾乎沒有波長漂移，測量的重復(fù)性和穩(wěn)定性*。

　　小巧。由于不含機(jī)械掃描裝置，HAAS-2000設(shè)計精巧，無機(jī)械磨損，相對壽命長，可靠性高。HAAS設(shè)計輕巧，非常適合需要手提的應(yīng)用場合。

　　NIM和NIST溯源。儀器直接由美國NIST和國家計量院傳遞標(biāo)準(zhǔn)，量值準(zhǔn)確度高。

　　高靈敏度。采用平場凹面光柵和HAMAMATSU TE-制冷背射式CCD，使得儀器的靈敏度*。

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