• 濱松光譜儀基本原理與參數介紹

    發布日期:2023-11-30 17:01:07   瀏覽量 :463
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    本文介紹濱松光譜儀種類、性能、參數解析等。

    一、通用類型
    濱松的光柵光譜儀依照結構和體積分類,可以進行如下分類:
    * MEMS 工藝:主要使用透射式光柵(石英材料) 或反射式閃耀光柵,都由濱松自主設計生產
    圖1 光柵光譜儀分類

    二、結構與原理
    圖2 光譜儀基本原理
    ① 入射狹縫:限制入射光的范圍,光一般是通過光纖輸入到狹縫,或者是經過透鏡匯聚到狹縫內部;
    ② 準直透鏡:將狹縫出射的光均勻地照射在光柵上;
    ③ 光柵:將不同顏色的光分到不同的方向;
    ④ 聚焦透鏡:將不同顏色的光匯聚到探測器的不同位置;
    ⑤ 傳感器:探測不同波長光的強度 。

    三、參數解析

    表1 參數表

    ① 光譜響應范圍:根據要探測信號的波長選擇光譜儀。取決于光柵設計和圖像傳感器的光譜響應曲線;
    ② 光譜分辨率:根據信號的FWHM選擇光譜儀。取決于狹縫寬度,光柵刻線密度,光譜儀的像差;
    ③ 波長可重復性:重復測同一個光源時的波長結果波動,由機械設計決定;
    ④ 波長溫度依賴性:測量同一個光源時的波長結果隨溫度變化,由內部材質溫度膨脹決定;
    ⑤ 雜散光:由于散射光,光柵設計等,導致對應某個波長的像素也會探測其他波長的光。

    表2 參數表

    ① AD轉化位數:決定最大的count值,如16bit就是65535;
    ② 積分時間范圍:快速測量需要積分時間短,信號弱一般需要長積分時間。一般CMOS類型有更短的積分時間,制冷型CCD由于暗噪聲很小所以可以允許使用很長的曝光時間來提高探測微弱信號的能力;
    ③ 接口:濱松主要是有USB1.1和USB2.0兩種;
    ④ USB電源消耗電流;
    ⑤ 外部供電電壓;
    ⑥ 外部電源消耗電流。

    表3 參數表

    ① 尺寸;
    ② 重量;
    ③ 圖像傳感器型號;
    ④ 像素數;
    ⑤ 狹縫寬度:狹縫寬度寬,信號強,光譜分辨率低。狹縫寬度窄,信號弱,分辨率高;
    ⑥ 數值孔徑:需要選擇NA匹配的光纖,光纖NA小則信號弱,NA大則會有雜散光。也有的用F數表示,數值孔徑大,光通過多,但是由于像差會降低分辨率;
    ⑦ 光纖連接器。

    圖3(左) 不同波長光譜響應曲線  圖4(右) 不同波長光譜分辨率曲線

    響應波長范圍:光譜儀可以響應的波長范圍,以及響應隨著波長的變化。取決于圖像傳感器本身,光柵選型,內部其他光學元件的光譜曲線(反射,透過等)。


    分辨率:光譜儀能分辨相鄰光譜峰的能力。取決于狹縫寬度、圖像傳感器像素尺寸、光柵刻線密度、光柵焦距等,不同波長有所不同(濱松datasheet中的值一般是最差情況)。光譜儀的分辨率表征可以測量最窄的光譜,濱松使用FWHM( full width at half maximum )定義:通過測量極窄的線光譜進行測試,對結果首先進行高斯擬合,然后測量得到FWHM。


    補充參數解析:

    ①動態范圍(Dynamic range):一般取決于光譜儀中傳感器的讀出噪聲,與滿肼容量,也取決于AD轉化器位數。
    ②信噪比(Signal to noise ratio):一般取決于入射信號的散粒噪聲。
    ③快門(Sutter):分為卷簾快門和全局快門。
    ④卷簾快門(Rolling shutter):不同像素的曝光起始時間不同。
    ⑤全局快門(Global shutter):所有像素同時開始曝光和停止曝光,適合搭配脈沖光源使用。

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