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光譜儀重要參數(shù)定義
電荷耦合器件(Charger Coupled Device,,縮寫為CCD ) ,硅基光敏元件的響應(yīng)范圍在短波近紅外區(qū)域 ,。
◆PDA
二極管陣列(Photodiode Array,,縮寫為PDA).光電二極管陣列是由多個(gè)二極管單元(象素)組成的陣列,單元數(shù)可以是102,,256或1024,。當(dāng)信號(hào)光照射到光電二極管上時(shí),光信號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),。大部分光電二極管陣列都包括讀出/積分放大器一體式的集成化信號(hào)處理電路,。光電二極管的優(yōu)點(diǎn)是在近紅外靈敏度高,響應(yīng)速度快,;缺點(diǎn)是象元數(shù)較少,、在紫外波段沒有響應(yīng)。
◆ 薄型背照式
薄型背照式電荷耦合器件(BT—CCD,,Back Thinned Charge Coupled Device),,采用了特殊的制造工藝和特殊的鎖相技術(shù)。首先,,與一般CCD相比,,硅層厚度從數(shù)百微米減薄到20μm以下;其次,,它采用背照射結(jié)構(gòu),,因此紫外光不必再穿越鈍化層。因此,,不僅具有固體攝像器件的一般優(yōu)點(diǎn),,而且具有噪聲低,靈敏度高,、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn),。
BTCCD有很高的紫外光靈敏度,它在紫外波段的量子效率可以看到,,在紫外波段,,量子效率超過40%,,可見光部分超過80%,甚至可以達(dá)到90%左右,??梢姡?/span>BTCCD不僅可工作于紫外光,,也可工作于可見光,,是一種很的寬波段檢測器件。
◆狹縫
光源入口,。狹縫面積影響通過的光強(qiáng)度,。狹縫寬度影響光學(xué)分辨率。
◆暗電流
未打開光譜儀激發(fā)光源時(shí),,感光器件接收到的光電信號(hào),。主要影響因素有溫度,電子輻射等,。
◆分辨率
光學(xué)分辨率定義為光譜儀可以分開的小波長差,。要把兩個(gè)光譜線分開至少要把它們成象到探測器的兩個(gè)相臨象元上。分辨率依賴于光柵的分辨本領(lǐng),、系統(tǒng)的有效焦長,、設(shè)定的狹縫寬度,、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù),。光柵決定了波長在探測器上可分開的程度(色散),,這對于分辨率來說是一個(gè)非常重要的變量,。 另一個(gè)重要參數(shù)是進(jìn)入到光譜儀的光束寬度,它基本上取決于光譜儀上安裝的固定入射狹縫或入射光纖芯徑(當(dāng)沒有安裝狹縫時(shí)),。狹縫的尺寸有:10,,25或50μm×1000μm(高)或100,,200或500μm×2000μm(高),。在波長處,,狹縫成象到探測器陣列上時(shí)會(huì)覆蓋幾個(gè)象元。而如果要分開兩條光譜線,,就必須把它們色散到這個(gè)象尺寸加上一個(gè)象元,。當(dāng)入射光纖的芯徑大于狹縫的寬度時(shí),分辨率就要由狹縫的寬度(有效寬度)來決定,。
光譜儀分辨率可近似如下度量: R∝ M·F/W
其中M為光柵線數(shù) ,F為譜儀焦距, W為狹縫寬度,。
◆色散
光譜儀的色散決定其分開波長的能力。光譜儀的倒線色散可計(jì)算得到:沿光譜儀的焦平面改變距離χ引起波長λ的變化,,即: Δλ/Δχ=dcosβ/mF
這里d、β,、F分別是光柵刻槽的間距,、衍射角和系統(tǒng)的有效焦距,,m為衍射級(jí)次。由方程可見,,倒線色散不是常數(shù),,它隨波長變化。在所用波長范圍內(nèi),,變化可能超過2倍,。
◆ 光柵和閃耀波長
光柵作為重要的分光器件,它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能,。光柵分為刻劃光柵,、復(fù)制光柵、全息光柵等,??虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機(jī)械刻劃而成;復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成,。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形,。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息光柵通常包括正弦刻槽,??虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c(diǎn),全息光柵光譜范圍廣,,雜散光低,,且可作到高光譜分辨率。
光柵主要參數(shù):
1. 閃耀波長,,閃耀波長為光柵大衍射效率點(diǎn),,因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)驗(yàn)需要波長附近。如實(shí)驗(yàn)為可見光范圍,,可選擇閃耀波長為500nm,。
2. 光柵刻線,光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率,,刻線多光譜分辨率高,,刻線少光譜覆蓋范圍寬,兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇,。
3. 光柵效率,,光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高,,信號(hào)損失愈小,。為提高此效率,除提高光柵制作工藝外,,還采用特殊鍍膜,,提高反射效率,。
閃耀光柵
非閃耀光柵其能量分布與單縫衍射相似,大部分能量集中在沒有被色散的“零級(jí)光譜”中,,小部分能量分散在其它各級(jí)光譜,。零級(jí)光譜不起分光作用,不能用于光譜分析,。而色散越來越大的一級(jí),、二級(jí)光譜,強(qiáng)度卻越來越小,。
為了降低零級(jí)光譜的強(qiáng)度,,將輻射能集中于所要求的波長范圍,近代的光柵采用定向閃耀的辦法,。即將光柵刻痕刻成一定的形狀,,使每一刻痕的小反射面與光柵平面成一定的角度,使衍射光強(qiáng)主大從原來與不分光的零級(jí)主大重合的方向,,轉(zhuǎn)移至由刻痕形狀決定的反射方向,。結(jié)果使反射光方向光譜變強(qiáng),這種現(xiàn)象稱為閃耀,。輻射能量大的波長稱為閃耀波長,。光柵刻痕反射面與光柵平面的夾角,稱為閃耀角,。每一個(gè)小反射面與光柵平面的夾角b保持一定,,以控制每一小反射面對光的反射方向,使光能集中在所需要的一級(jí)光譜上,,這種光柵稱為閃耀光柵,。
◆帶寬
帶寬是不考慮光學(xué)像差、衍射,、狹縫高度,、掃描方法、檢測器像素寬度等因素,,在給定波長從光譜儀輸出的波長寬度,。它是倒線色散和狹縫寬度的乘積。
◆波長精度,、重復(fù)性和度
波長精度是光譜儀確定波長的刻度等級(jí),,單位為nm。通常,,波長精度隨波長變化,。
波長重復(fù)性是光譜儀返回原波長的能力。這體現(xiàn)了波長驅(qū)動(dòng)機(jī)械和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性。
波長度是光譜儀設(shè)定波長與實(shí)際波長的差值,。
◆F/#
F/#定義為光譜儀準(zhǔn)直凹面反射鏡的直徑與焦距的比值,。光通過效率與F/#的平方成反比,F/#愈小,,光通過率愈高。