光谱仪是一种用于测量光与物质相互作用的仪器，能够分析光的波长、强度等特性。其核心工作原理是通过分光系统将复合光分解为不同波长的单色光，并通过探测器记录各波长的强度信息，最终形成光谱图。

三棱镜分光示意图

1666年，牛顿在研究三棱镜时发现，太阳光在通过三棱镜后被分解成了七色光，这就是三棱镜对光线的色散现象。在光谱仪内部，也是利用色散组件的分光作用，通过不同的光路形式，将复色光分解成一系列独立的单色光，然后进行测量和计算。

二、工作原理

系统流程分析示意图

光纤光谱仪采用对称交叉Czerny-Turner光路，一般由分光系统、接收系统和数据处理系统组成，其工作原理是将光源发出的复色光按照不同的波长分离出来，配合各种光电探测器件对谱线强度进行测量，获得光谱功率（辐射）分布，再计算出色品坐标、色温、显色指数、光通量、辐射通量等光色性能参数。

光谱仪对称交叉Czerny-Turner光路示意图

Czerny-Turner光路原理图

光纤通过 SMA 905或者FC接口，把光子引入到光谱仪内部，然后通过狭缝成像之后到达准直镜，对光路进行准直，之后到达光栅部分做分光。光栅主要是将光波四散成不同的光束，最终到达检测器。然后，进行数据分析。

三、组件介绍

1、光纤

光纤用来将需要测量的光信号耦合到光谱仪中，光谱仪的光纤通常采用SMA905接口设计，可与不同的光学附件结合使用，具有很好的通用性。

SMA905光纤不同芯径接口示意图

SMA905光纤示意图

2、 狭缝

狭缝的作用是控制入射光线的宽度，其大小直接影响到光谱仪的分辨率。狭缝越小对应的光谱带宽较小，波长分辨率就越高，但是过小的狭缝通过的光线微弱，必须增大后级仪器的增益，导致仪器噪声增大。较大的狭缝可以增加光通量，提高信噪比，但狭缝越大对应的光谱带宽也较大，因入射光的单色光降低而使波长分辨率降低。狭缝的宽度从5um到200um不等，可根据客户要求选择。

3、光栅

光栅也称为衍射光栅，是利用衍射原理使平行光发生色散、分解为光谱的光学器件。光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果，多缝干涉决定光谱线出现的位置，单缝衍射决定谱线的强度分布。

4、光电探测器

光电探测器是光谱仪最核心的部分，其制作材料、制造方法及掺杂成分直接决定了光谱仪的光谱覆盖范围、灵敏度、分辨率和信噪比等指标。硅基探测器的波长覆盖范围一般为190nm-1100nm，而InGaAs和PbS探测器的波长覆盖范围一般为900nm-2900nm。

按阵列结构分为线阵和面阵两种：

线阵光电探测器示意图

面阵光电探测器示意图

四、光谱仪的性能参数

1、光谱分辨率

光谱分辨率指能被光谱仪分辨开的最小波长差，光谱仪中有实际意义的分辨率定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM)，即最大峰值光强50%处所对应的谱线宽度。

分辨率依赖于狭缝宽度、光栅的分辨能力、系统的有效焦长、系统的光学像差等参数。入射狭缝决定了进入到光谱仪的光束宽度，狭缝越窄分辨率也越高；光栅刻划线数越多，色散效应随波长变化就会越明显，在最长波长处会得到最高分辨率；高像素的 CCD 探测器也可以获得更高的光谱分辨率。但是，分辨率越高，光信号越弱，噪声比也会变差，因此二者要适当兼顾。

2、灵敏度

灵敏度定义为某一特定波长照射到像元上的单位辐射度所产生的电信号输出，主要影响因素有光栅的效率、探测器材料等因素。

探测器的灵敏度在很大程度上由其材料特性决定，在CCD探测器上安装灵敏度增强透镜可以提高系统的灵敏度。适当增大狭缝，增加入射光通量，也能提高灵敏度。

3、 动态范围

动态范围指光谱仪能测量到的最大与最小光能量的比值，比值越大性能越好。探测器的动态范围越大，所探测的光强度范围越大，光谱仪的信噪比与稳定性也就更好。

增大动态范围的途径是降低探测器的暗电流和噪声，可采用制冷型CCD，或选择量子效率更高、像素更大的CCD器件。

4、信噪比

信噪比指测得的信号能量水平与叠加在信号上的噪声水平的比值，信噪比越高，其测量值的偏差就越小。对于光纤光谱仪来说，灵敏度越高，检测到的噪声信号越高，信噪比也就越低。CCD探测器的噪声包括自身的随机噪声、因温度引起的热噪声、读数时产生的读出噪声等几种。

五、谱量光电光谱仪产品

谱量光电 光纤光谱仪外型小巧，即插即用，操作方便。光谱仪主要分高分辨光纤光谱仪、高灵敏光纤光谱仪、微型光纤光谱仪和制冷型光纤光谱仪4种可选，光纤光谱仪均采用对称交叉Czerny-Turner光路。工作波段覆盖：200-1550nm，狭缝宽度25μm时，光学分辨率：0.1-1.33nm；光学分辨率最小可＜0.1nm，光学分辨率取决于光栅刻线密度和狭缝大小可提供多种选择定制。我司光纤光谱仪具有高分辨率、高灵敏度、波长覆盖范围广等优势，广泛应用于激光光谱检测、荧光光谱检测、拉曼光谱检测、LIBS光谱检测等光谱测量。

还有红外光谱仪采用二级制冷 InGaAs 探测器，适用于近红外波段范围的光谱探测与分析。外型小巧，即插即用，操作方便。采用芯片级的内制冷技术，有效地降低了暗噪声，信噪比更高，弱光探测能力大幅提升。波长范围：900-1700nm、1000-2500nm2种可选，可根据客户需求（狭缝、分辨率等）进行定制化服务，广泛应用于透过率光谱检测检测、反射率光谱检测等参数的检测。

六、应用领域

1、透反射光谱检测

2、拉曼光谱检测

3、激光光谱检测

4、LIBS光谱检测

5、光致发光测试

6、电致发光测试

透过率光谱检测系统示意图

反射率光谱检测示意图

拉曼光谱检测系统示意图

透反射光谱检测示意图