光譜儀由哪些基本組件組成?

光譜儀組件：入口狹縫 (1)、衍射光柵或棱鏡 (2)、檢測(cè)器 (3)、路由光學(xué)器件 (4)、高階濾波器 (5)

入口狹縫

光通過入口狹縫進(jìn)入光譜儀。與相機(jī)的孔徑大小如何影響照片的亮度和分辨率類似，光譜儀入口狹縫的寬度決定了它在弱光條件下的測(cè)量能力和您可以達(dá)到的最大光譜分辨率。

這兩個(gè)特性必須相互平衡，因?yàn)橐粋€(gè)總是以另一個(gè)為代價(jià)。寬的入口狹縫允許大量光進(jìn)入光譜儀，這允許測(cè)量較暗的光源，但會(huì)降低系統(tǒng)的光譜分辨率。相反，狹窄的入射狹縫可以提高光譜分辨率，但會(huì)降低信號(hào)強(qiáng)度。

較大的光譜儀可能具有可控的狹縫寬度，而更緊湊的設(shè)備，如賽斯拜克光譜儀(其入口狹縫寬度為 25 μm)通常具有固定寬度。

衍射光柵或棱鏡

光學(xué)衍射光柵是將光分成其構(gòu)成波長(zhǎng)分量的部件。有許多不同類型的光柵，包括透射光柵、反射光柵、刻線光柵和全息光柵。相互比較時(shí)，每一種都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，沒有哪一種設(shè)計(jì)更勝一籌。

光柵的設(shè)計(jì)決定了光線散布的程度。就像狹縫一樣，分辨率、范圍和信號(hào)強(qiáng)度之間存在權(quán)衡。

衍射光柵可用下式描述：

其中d是光柵間距，θ m是第m個(gè)衍射級(jí)的衍射角， θ i是入射角，λ是光的波長(zhǎng)。由此可見，減小光柵間距會(huì)增大衍射的角度范圍。因此，較小范圍的波長(zhǎng)將以較低的信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)檢測(cè)器，但分辨率較高。相反，增加光柵間距會(huì)提供更大范圍的波長(zhǎng)，但分辨率會(huì)降低。

光柵間距通常根據(jù)凹槽密度來(lái)引用，其等于1/d并且以凹槽mm -1的單位給出。

在一些光譜儀中，衍射光柵可以旋轉(zhuǎn)以允許不同波長(zhǎng)到達(dá)檢測(cè)器。這里，采集窗口將根據(jù)需要進(jìn)行選擇。同樣，一些光譜儀有多個(gè)不同槽密度的光柵，可以在它們之間進(jìn)行選擇。

一些光學(xué)光譜儀的設(shè)計(jì)使用棱鏡作為色散元件代替衍射光柵，但由于棱鏡的成本較高且它們提供的圖像分辨率較低，因此這種情況并不常見。

探測(cè)器

光學(xué)檢測(cè)器記錄到達(dá)它的光的強(qiáng)度作為其波長(zhǎng)的函數(shù)。光譜儀檢測(cè)器由一行光敏像素組成，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的波長(zhǎng)。每個(gè)像素都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度與落在其上的光量成正比的電信號(hào)。

電荷耦合器件 (CCD) 是光譜儀的首選檢測(cè)器，因?yàn)樗鼈兙哂懈邉?dòng)態(tài)范圍和均勻的像素響應(yīng)。為了減少光譜中不需要的噪聲，通常會(huì)冷卻 CCD 以對(duì)抗暗電流信號(hào)。

路由光學(xué)

內(nèi)部路由光學(xué)器件將來(lái)自入口狹縫的光引導(dǎo)到衍射光柵或棱鏡上，然后再到檢測(cè)器上。

曲面鏡通常比透鏡更受歡迎，因?yàn)樗鼈円氲膱D像像差更少。光學(xué)器件有許多可能的配置，它們?cè)诠鈱W(xué)像差、雜散光和尺寸方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。

高階濾波器

如果光譜儀的波長(zhǎng)檢測(cè)范圍跨越一個(gè)以上的衍射級(jí)，則可能需要濾光片來(lái)部分覆蓋檢測(cè)器并阻止更高階的光到達(dá)傳感器。