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濱松光譜儀基本原理與參數(shù)介紹

發(fā)布日期:2023-11-30 17:01:07   瀏覽量 :988
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本文介紹濱松光譜儀種類、性能、參數(shù)解析等。

一、通用類型
濱松的光柵光譜儀依照結(jié)構(gòu)和體積分類,可以進(jìn)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(shè)計(jì)生產(chǎn)
圖1 光柵光譜儀分類

二、結(jié)構(gòu)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(guò)光纖輸入到狹縫,或者是經(jīng)過(guò)透鏡匯聚到狹縫內(nèi)部;
② 準(zhǔn)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(cè)器的不同位置;
⑤ 傳感器:探測(cè)不同波長(zhǎng)光的強(qiáng)度 。

三、參數(shù)解析

表1 參數(shù)表

① 光譜響應(yīng)范圍:根據(jù)要探測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)選擇光譜儀。取決于光柵設(shè)計(jì)和圖像傳感器的光譜響應(yīng)曲線;
② 光譜分辨率:根據(jù)信號(hào)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(zhǎng)可重復(fù)性:重復(fù)測(cè)同一個(gè)光源時(shí)的波長(zhǎng)結(jié)果波動(dòng),由機(jī)械設(shè)計(jì)決定;
④ 波長(zhǎng)溫度依賴性:測(cè)量同一個(gè)光源時(shí)的波長(zhǎng)結(jié)果隨溫度變化,由內(nèi)部材質(zhì)溫度膨脹決定;
⑤ 雜散光:由于散射光,光柵設(shè)計(jì)等,導(dǎo)致對(duì)應(yīng)某個(gè)波長(zhǎng)的像素也會(huì)探測(cè)其他波長(zhǎng)的光。

表2 參數(shù)表

① AD轉(zhuǎn)化位數(shù):決定最大的count值,如16bit就是65535;
② 積分時(shí)間范圍:快速測(cè)量需要積分時(shí)間短,信號(hào)弱一般需要長(zhǎng)積分時(shí)間。一般CMOS類型有更短的積分時(shí)間,制冷型CCD由于暗噪聲很小所以可以允許使用很長(zhǎng)的曝光時(shí)間來(lái)提高探測(cè)微弱信號(hào)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(shù)表

① 尺寸;
② 重量;
③ 圖像傳感器型號(hào);
④ 像素?cái)?shù);
⑤ 狹縫寬度:狹縫寬度寬,信號(hào)強(qiáng),光譜分辨率低。狹縫寬度窄,信號(hào)弱,分辨率高;
⑥ 數(shù)值孔徑:需要選擇NA匹配的光纖,光纖NA小則信號(hào)弱,NA大則會(huì)有雜散光。也有的用F數(shù)表示,數(shù)值孔徑大,光通過(guò)多,但是由于像差會(huì)降低分辨率;
⑦ 光纖連接器。

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

響應(yīng)波長(zhǎng)范圍:光譜儀可以響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍,以及響應(yīng)隨著波長(zhǎng)的變化。取決于圖像傳感器本身,光柵選型,內(nèi)部其他光學(xué)元件的光譜曲線(反射,透過(guò)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(zhǎng)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(cè)量最窄的光譜,濱松使用FWHM( full width at half maximum )定義:通過(guò)測(cè)量極窄的線光譜進(jìn)行測(cè)試,對(duì)結(jié)果首先進(jìn)行高斯擬合,然后測(cè)量得到FWHM。


補(bǔ)充參數(shù)解析:

①動(dòng)態(tài)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(zhuǎn)化器位數(shù)。
②信噪比(Signal to noise ratio):一般取決于入射信號(hào)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(shí)間不同。
⑤全局快門(Global shutter):所有像素同時(shí)開(kāi)始曝光和停止曝光,適合搭配脈沖光源使用。

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