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)衍射級的衍射角， θ i是入射角，λ是光的波長。由此可見，減小光柵間距會(huì)增大衍射的角度范圍。因此，較小范圍的波長將以較低的信號強(qiáng)度到達(dá)檢測器，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，但分辨率會(huì)降低。

光柵間距通常根據(jù)凹槽密度來引用，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)以允許不同波長到達(dá)檢測器。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。

探測器

光學(xué)檢測器記錄到達(dá)它的光的強(qiáng)度作為其波長的函數(shù)。光譜儀檢測器由一行光敏像素組成，每個(gè)像素對應(yīng)一個(gè)特定的波長。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。

電荷耦合器件 (CCD) 是光譜儀的首選檢測器，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 以對抗暗電流信號。

路由光學(xué)

內(nèi)部路由光學(xué)器件將來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，它們在光學(xué)像差、雜散光和尺寸方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。

高階濾波器

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