光谱仪究其实质是一个“分光”仪器,现在有几种方式来实现分光功能。主流的方式是用光栅作为色散部件,将不同波长的光在空间上分开,用阵列探测器接收并输出光谱。另一种方式是用干涉仪调制入射光,用单元探测器接收被调制了的光,并输出光强随时间变化的曲线,再用傅里叶变换还原光谱,这就是傅里叶光谱仪。
由于在UV-VIS-NIR波段,硅CCD, CMOS阵列的工艺成熟,性价比好,再加上无移动部件,可靠性好,因此,几乎无一例外地使用光栅色散,阵列探测器检测的方式。只是在波长大于900nm的近红外波段,硅材料实在无法胜任,才采用InGaAs线列探测器,但是,至少在现阶段InGaAs线列探测器还是太贵,于是才有人尝试采用傅里叶光谱技术,转动光栅技术,美国德州仪器公司的DLP(Digital Light Procession)技术,其核心是用MEMS技术制造一个微镜陈列,可以用集成电路芯片组驱动每一个微镜的方向,这样就可以用单元InGaAs探测器,使近红外波段的微型光谱仪成本下降。另一种思路是怎么把光谱仪做得更小,更便宜,干脆不用光栅分光,虽然性能不一定那么好,但是对于有些应用也许就足够了,这基本上就是用滤光片加线列探测器的方法。
就采用光栅分光技术的微型光谱仪而言,其性能主要决定于三个方面,光学设计,光栅的选择,探测器的选用。
光学设计又与采用的光栅种类有关,现用的光栅有反射光栅和透射全息光栅两大类,采用不同光栅的光谱仪光学设计方案有所不同。现在的主流是反射光栅,这是由于制造工艺相对成熟,因此价格也相对低一些的原因,采用反射光栅,又要做得体积小,采用折叠光路的设计就很自然了,因此,交叉光路Czerny-Turner 结构(Crossed Czerny-Turner)成为市场最流行的设计;另一类是透射全息光栅,它的主要优点是光栅效率高,导致光学系统的光通量大,对于一些测量比较微弱的光的应用,或者快速动态过程分析,不允许长的积分时间,就倾向于选择透射光栅,当然,价格相对会贵一些。
以下我们就分析典型的交叉光路的Czerny-Turner 结构光谱仪(如图所示)。
图 典型的交叉光路Czerny-Turner光谱仪结构。1为SMA 905接头,2为入射狭缝,3为长通滤光片(可选),4为准直反射镜,5为反射光栅,6为汇聚反射镜,7为柱形汇聚透镜(可选),8阵列探测器,9为线性可变滤光片阻挡高阶衍射光进入探测器,10为探测器的石英玻璃窗口,取代普通BK7玻璃窗口,用于工作在小于340nm的紫外波段光谱仪(可选)
-用光纤将待测光束通过标准的SMA905接头接入光谱仪。
-待测光束通过狭缝进入光谱仪,狭缝就是成像系统中的“物”,通常为矩形,根据应用的要求,狭缝的宽度可选,较宽的狭缝允许更多的光子进入光学系统,即系统的光通量较大,但这是以损失分辨率为代价。典型的狭缝宽度在5um-200um之间,高度为1mm。
-从狭缝出射的光是发散的,我们希望入射光束的传播方向是可控的,不要散射到不该去的地方,导致杂散光太大,通过准直光学部件,通常是反射镜,将其变为平行光束。
-光栅作为色散元件:这是对光谱仪性能有决定性影响的元件,不同波长的光被衍射到空间不同的方向。光栅的参数包括刻线密度,闪耀角度等,都会影响到光谱仪的性能指标,包括分辨率,波长范围,光栅效率曲线等。
-反射镜作为光束汇聚器件,将光栅分光后不同波长狭缝的“像”汇聚到阵列探测器不同的像元上。每个像元会接收到波长范围很窄的光子(15 nm to 0.02 nm,取决于光谱仪的结构)
众所周知,狭缝的宽度会影响到光谱仪的分辨率和响应率,
-探测器阵列:探测器是实现光电转换的重要器件。线阵探测器上的每一个象元的读出数据对应于一个特定的波长范围,在紫外,可见光,短波近红外波段,硅CCD是目前使用最多的探测器,其性价比最好,探测器本身的噪声对光谱仪信噪比的影响。只有在900nm-2500nm的近红外波段才使用InGaAs线列探测器。
-模-数转换电路ADC (Analog-to-Digital Converter):探测器读出电路给出的是电压模拟信号,通过ADC把模拟信号转换为数字信号,将每个像元输出的电压转换为一个特定的数字,这个读数被称为“counts”
ADC器件性能的重要指标是它输出的数字是用多少位二进制数字来表示。一个12位的模数转换电路可以将满量程光强度用0-4096(212)个counts来表示。相应的,同样的满量程光强度,如果用16位的模数转换电路其输出则是用0-65535(216)个counts来表示。由此可见ADC器件的位数反映了光谱仪在垂直方向的“分辨率“。(如图xxx所示)ADC的位数越高其输出的读数就可以越”准确“地描述光谱的强度。
因此,对于一个采用2048个像元的线列探测器和12位模数转换器件的光谱仪,每条光谱曲线会输出2048个波长和对应光强的数据对,每个光强的数据用一个12位数字表示。这些数据是光谱的原始数据。
图 ADC的位数和垂直方向“分辨率“的关系示意图
-光谱仪内还包括以微处理器为中心的一些电路,主要包含两部分功能。一方面,产生光谱仪CCD或CMOS探测器所需的控制时序,使探测器按用户设定的工作模式工作;另一方面,实现与PC机的通信,如从探测器中读出数据并传送到PC端。这些电路的性能,譬如,模拟电路的噪声水平、处理器的主频、缓存的大小和通信接口的速度,都会对光谱仪的整体性能有重要影响。
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