SPECTROMETER：Avantes 光譜儀特點
Avantes光纖光譜儀為眾多科學研究者和OEM工業用戶所接受，主要是其先進的技術和穩定可靠的品質。尤其是對那些需要多通道光譜儀的用戶，通道的同步技術大部分是Avantes公司的專利。
荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀越來越多地為廣大科學研究者和OEM工業用戶所接受，這都得益於其先進的技術和穩定可靠的品質，尤其是對那些需要多通道光譜儀的用戶，每個通道間的同步是非常重要的，而這幾乎是Avantes公司的專利。
與同類產品相比，荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀的優勢主要表現在以下幾個方面：
光路設計：對稱光路（可獲得更高的分辨率和降低雜散光）和交叉光路
Avantes公司的AvaSpec-2048/3648/2048XL系列光譜儀採用對稱非交叉式光路設計，入射焦距（75mm）和色散焦距（75mm）比是嚴格的1:1關係，在CCD上成的是完美的直線象，沒有像差，並且由於不存在光路交叉，使得迷光的影響被降低到最小。
圖一 AvaSpec 光學平台
同類產品大多采用非對稱交叉式光路設計，入射焦距（42mm）和色散焦距（68mm）比是1:1.6，實際上成像在CCD上的像是入射狹縫的1.6倍，降低了分辨率，並且所成的像是彎月形，具有明顯的像差。此外，交叉光路會帶來較大的雜散光影響。
CCD探測器性能比較：
Sony二代ILX554B型2048像素CCD探測器和Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器的性能對比：
其他公司的微型光譜儀原來均採用Sony一代ILX511型2048像素CCD，由於Sony公司停產了該探測器，所以大多數光譜儀生產商都轉向了Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器，而荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048光譜儀一直使用的是Sony二代ILX554B型2048像素CCD探測器，它是一款非常經典的CCD檢測器。
Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器主要是為條形碼掃描應用開發的，所以用於光譜測量都會存在缺陷。通常這種探測器有兩種工作模式：
預掃描模式（Prescan mode/Nonshutter mode）：
在這種模式下，第一次預掃描得到的是非線性數據，不能使用；第二次掃描得到的是線性數據，可以正常使用。它的優點是可以得到非常穩定和線性的光譜，缺點是在信號中殘留了少量的（<5%）的預掃描圖像（稱為鬼象）。預掃描模式不能用於需要快速外觸發和精確時間控制的測量中，因為這種掃描模式總是在掃描開始後延遲一個積分時間（最少3.7 ms）才工作。
清空緩存模式（Clear-Buffer mode/Shutter mode）：
在這種模式中，每次開始掃描前，探測器的緩存將會被清空。它的優點是探測器在接收到一個外觸發信號立刻開始掃描，缺點是在清空緩存後，探測器會有一個較小的探測閾值，這就導致Toshiba探測器無法探測相對較弱的信號（< 500 counts），並且探測器的信號與積分時間不成正比，得到光譜的線性度不好。
目前，由於採用了Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器，一些光譜儀生產商為了避開由兩種工作模式的缺陷對測量帶來的影響，通過軟件上對積分時間設置一個切換點：當積分時間大於3.8 ms時，探測器自動切換至預掃描模式；當積分時間小於3.8 ms，探測器自動切換至清空緩存模式。圖2所示，3.8 ms積分時間的光譜強度與3.79 ms積分時間的光譜強度具有很大的差別，說明積分時間只要小於3.8 ms，探測器對信號的響應就會發生嚴重失真（如圖2中藍線），信號強度與積分時間不成正比，不能真實反映被測光譜的情況。因此，Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器不適用於積分時間小於3.8 ms的與時間相關的分析工作、絕對輻射測量、顏色測量等領域。
圖二 Toshiba TCD1304AP 型 3648 像素偵測器光譜儀
實際上，荷蘭Avantes公司也有採用Toshiba 3648像素CCD探測器的光譜儀AvaSpec-3648，但預設狀態是預掃描模式，所以不存在譜線失真問題。
多通道間同步採樣
全新的AvaSpec-USB2.0 平台為多通道的應用提供了最大可能的模組化。對於每個通道的不同波長範圍，偵測器種類和積分時間都可以由使用者選擇，而且絕對保證各個通道都是同步的。 AvaSpec-USB2.0 採用了USB2.0 的總線來將不同通道和電腦連接在一起，並且最多支持128個通道。 AvaSpec-USB2.0 多通道平台可以適應很多新的應用：
• 每個通道可以設置為不同的積分時間或者信號平均次數，所有的通道仍然是完全同步地開始掃描。
• 可以選用不同的探測器型號，例如光譜儀系統的紫外、可見和近紅外探測器可以覆蓋很寬的波長范圍。
• 大於8的更多的通道（最大128個通道）可以通過USB 2 集線器來連接。
圖 3 AvaSpec-2048-8 八通道光譜儀
外觸發控制及採樣時間延遲的控制
AvaSpec-2048光譜儀能夠在接受外觸發信號之後最短延遲1.3 µs就開始採樣，可以設置延遲時間1.3 µs至89 sec， 步長21 ns。此外，該光譜儀還可以發出一個TTL信號來觸發脈衝激光器，而且在AvaSoft-Full軟件中可以設置光譜儀採樣開始時間與該激光脈沖之間的延遲時間（-20 ns至89 sec，步長21 ns） ，-20 ns的負延遲採樣時間的特性對測量脈衝激光器非常有用。
圖 4 外觸發和光譜儀採樣時間延遲控制圖
其中： t 1 = 外觸發信號與產生雷射脈衝的延遲 , 1us-89sec
t 2 = 雷射脈衝與採樣開始時間的延遲 , -20ns –89sec, 步長 21ns
t int = 積分時間 , 1.1ms-10min
AvaSpec-204光譜儀的這些特點使其適用於需要快速響應或需要外觸發信號精確同步的應用領域（它的時間抖動只有± 21 ns），例如傳送帶上的產品檢測、LIBS測量和熒光測量等。
溫度穩定性好、迷光低
AvaSpec-2048光譜儀的光學元件和底板間採用無應力裝配，出廠前經過特殊工序處理，因此環境溫度對光譜儀影響極小，環境溫度每變化1℃僅漂移0.15個像元。優秀的溫度穩定性確保長時間測量的精確性和可重複性。
AvaSpec-ULS系列超低迷光型光譜儀包括一個革命性的光學平台，大大降低了雜散光並提高了機械和溫度穩定性。這個新型光學平台具有一個雙內置模式消除器和多階複合拋物面鏡，因此把雜散光降到0.04%，比標準型AvaSpec-2048光譜儀的雜散光指標提高了2.5倍。除了能夠顯著改善迷光，這個新型光學平台把光譜儀的機械強度提高了10倍以上，使得它對機械扭曲和溫度變化不再敏感。
AvaSpec-ULS光譜儀的低迷光特性使得它特別適用於需要測量高吸光度的應用，如高化學濃度、高光學密度光學元件和長光程的測量等。
寬測量光譜範圍內可保持高解析度
對於等離子體測量和 LIBS 測量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜範圍內，具有較高的解析AvaSpec-2048 型光譜儀的最高解析度為 0.04nm ，而多通道光譜儀可以滿足在 200-900nm 光譜範圍內，解析度小於 0.1nm ，同時使用光纖束進行探測（一端為一個接頭，用於探測信號，另一端為多個接頭，連接各個通道），操作既簡單，又可以保證探測位於同一位置的信號。
而其他廠商由於不能提供多通道光譜儀，如果要實現 200-900nm 內解析度小於 0.1nm ，只能在一台電腦上連接多台單通道光譜儀，使用多根光纖進行探測，操作起來非常不方便，最主要的是各光譜儀之間無法保證同步採樣，以及每根光纖探測到的信號也不是同一位置的，代表性不強。
AvaSpec 系列光譜儀的其他獨特性能
• 功能強大的數位 / 類比控制介面使得 AvaSpec 系列光譜儀可以獨立進行測量工作，而不必使用電腦，這使得它們非常適合工業線上測量。
• USB2 平臺的 AvaSpec 系列光譜儀添加了藍芽 (-BT) 無線控制介面以及快速儲存光譜的 SDRAM 選項，能夠實現遠距離測量和傳輸（大於 300 米）以及長時間光譜資料儲存。
• AvaRaman-Supreme 拉曼光譜儀搭載HTVS虛擬狹縫技術大幅提升光學解析度與光學感度。
荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀越來越多地為廣大科學研究者和OEM工業用戶所接受，這都得益於其先進的技術和穩定可靠的品質，尤其是對那些需要多通道光譜儀的用戶，每個通道間的同步是非常重要的，而這幾乎是Avantes公司的專利。
與同類產品相比，荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀的優勢主要表現在以下幾個方面：
光路設計：對稱光路（可獲得更高的分辨率和降低雜散光）和交叉光路
Avantes公司的AvaSpec-2048/3648/2048XL系列光譜儀採用對稱非交叉式光路設計，入射焦距（75mm）和色散焦距（75mm）比是嚴格的1:1關係，在CCD上成的是完美的直線象，沒有像差，並且由於不存在光路交叉，使得迷光的影響被降低到最小。
圖一 AvaSpec 光學平台
同類產品大多采用非對稱交叉式光路設計，入射焦距（42mm）和色散焦距（68mm）比是1:1.6，實際上成像在CCD上的像是入射狹縫的1.6倍，降低了分辨率，並且所成的像是彎月形，具有明顯的像差。此外，交叉光路會帶來較大的雜散光影響。
CCD探測器性能比較：
Sony二代ILX554B型2048像素CCD探測器和Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器的性能對比：
其他公司的微型光譜儀原來均採用Sony一代ILX511型2048像素CCD，由於Sony公司停產了該探測器，所以大多數光譜儀生產商都轉向了Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器，而荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048光譜儀一直使用的是Sony二代ILX554B型2048像素CCD探測器，它是一款非常經典的CCD檢測器。
Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器主要是為條形碼掃描應用開發的，所以用於光譜測量都會存在缺陷。通常這種探測器有兩種工作模式：
預掃描模式（Prescan mode/Nonshutter mode）：
在這種模式下，第一次預掃描得到的是非線性數據，不能使用；第二次掃描得到的是線性數據，可以正常使用。它的優點是可以得到非常穩定和線性的光譜，缺點是在信號中殘留了少量的（<5%）的預掃描圖像（稱為鬼象）。預掃描模式不能用於需要快速外觸發和精確時間控制的測量中，因為這種掃描模式總是在掃描開始後延遲一個積分時間（最少3.7 ms）才工作。
清空緩存模式（Clear-Buffer mode/Shutter mode）：
在這種模式中，每次開始掃描前，探測器的緩存將會被清空。它的優點是探測器在接收到一個外觸發信號立刻開始掃描，缺點是在清空緩存後，探測器會有一個較小的探測閾值，這就導致Toshiba探測器無法探測相對較弱的信號（< 500 counts），並且探測器的信號與積分時間不成正比，得到光譜的線性度不好。
目前，由於採用了Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器，一些光譜儀生產商為了避開由兩種工作模式的缺陷對測量帶來的影響，通過軟件上對積分時間設置一個切換點：當積分時間大於3.8 ms時，探測器自動切換至預掃描模式；當積分時間小於3.8 ms，探測器自動切換至清空緩存模式。圖2所示，3.8 ms積分時間的光譜強度與3.79 ms積分時間的光譜強度具有很大的差別，說明積分時間只要小於3.8 ms，探測器對信號的響應就會發生嚴重失真（如圖2中藍線），信號強度與積分時間不成正比，不能真實反映被測光譜的情況。因此，Toshiba TCD1304AP型3648像素CCD探測器不適用於積分時間小於3.8 ms的與時間相關的分析工作、絕對輻射測量、顏色測量等領域。
圖二 Toshiba TCD1304AP 型 3648 像素偵測器光譜儀
實際上，荷蘭Avantes公司也有採用Toshiba 3648像素CCD探測器的光譜儀AvaSpec-3648，但預設狀態是預掃描模式，所以不存在譜線失真問題。
多通道間同步採樣
全新的AvaSpec-USB2.0 平台為多通道的應用提供了最大可能的模組化。對於每個通道的不同波長範圍，偵測器種類和積分時間都可以由使用者選擇，而且絕對保證各個通道都是同步的。 AvaSpec-USB2.0 採用了USB2.0 的總線來將不同通道和電腦連接在一起，並且最多支持128個通道。 AvaSpec-USB2.0 多通道平台可以適應很多新的應用：
• 每個通道可以設置為不同的積分時間或者信號平均次數，所有的通道仍然是完全同步地開始掃描。
• 可以選用不同的探測器型號，例如光譜儀系統的紫外、可見和近紅外探測器可以覆蓋很寬的波長范圍。
• 大於8的更多的通道（最大128個通道）可以通過USB 2 集線器來連接。
圖 3 AvaSpec-2048-8 八通道光譜儀
外觸發控制及採樣時間延遲的控制
AvaSpec-2048光譜儀能夠在接受外觸發信號之後最短延遲1.3 µs就開始採樣，可以設置延遲時間1.3 µs至89 sec， 步長21 ns。此外，該光譜儀還可以發出一個TTL信號來觸發脈衝激光器，而且在AvaSoft-Full軟件中可以設置光譜儀採樣開始時間與該激光脈沖之間的延遲時間（-20 ns至89 sec，步長21 ns） ，-20 ns的負延遲採樣時間的特性對測量脈衝激光器非常有用。
圖 4 外觸發和光譜儀採樣時間延遲控制圖
其中： t 1 = 外觸發信號與產生雷射脈衝的延遲 , 1us-89sec
t 2 = 雷射脈衝與採樣開始時間的延遲 , -20ns –89sec, 步長 21ns
t int = 積分時間 , 1.1ms-10min
AvaSpec-204光譜儀的這些特點使其適用於需要快速響應或需要外觸發信號精確同步的應用領域（它的時間抖動只有± 21 ns），例如傳送帶上的產品檢測、LIBS測量和熒光測量等。
溫度穩定性好、迷光低
AvaSpec-2048光譜儀的光學元件和底板間採用無應力裝配，出廠前經過特殊工序處理，因此環境溫度對光譜儀影響極小，環境溫度每變化1℃僅漂移0.15個像元。優秀的溫度穩定性確保長時間測量的精確性和可重複性。
AvaSpec-ULS系列超低迷光型光譜儀包括一個革命性的光學平台，大大降低了雜散光並提高了機械和溫度穩定性。這個新型光學平台具有一個雙內置模式消除器和多階複合拋物面鏡，因此把雜散光降到0.04%，比標準型AvaSpec-2048光譜儀的雜散光指標提高了2.5倍。除了能夠顯著改善迷光，這個新型光學平台把光譜儀的機械強度提高了10倍以上，使得它對機械扭曲和溫度變化不再敏感。
AvaSpec-ULS光譜儀的低迷光特性使得它特別適用於需要測量高吸光度的應用，如高化學濃度、高光學密度光學元件和長光程的測量等。
寬測量光譜範圍內可保持高解析度
對於等離子體測量和 LIBS 測量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜範圍內，具有較高的解析AvaSpec-2048 型光譜儀的最高解析度為 0.04nm ，而多通道光譜儀可以滿足在 200-900nm 光譜範圍內，解析度小於 0.1nm ，同時使用光纖束進行探測（一端為一個接頭，用於探測信號，另一端為多個接頭，連接各個通道），操作既簡單，又可以保證探測位於同一位置的信號。
而其他廠商由於不能提供多通道光譜儀，如果要實現 200-900nm 內解析度小於 0.1nm ，只能在一台電腦上連接多台單通道光譜儀，使用多根光纖進行探測，操作起來非常不方便，最主要的是各光譜儀之間無法保證同步採樣，以及每根光纖探測到的信號也不是同一位置的，代表性不強。
AvaSpec 系列光譜儀的其他獨特性能
• 功能強大的數位 / 類比控制介面使得 AvaSpec 系列光譜儀可以獨立進行測量工作，而不必使用電腦，這使得它們非常適合工業線上測量。
• USB2 平臺的 AvaSpec 系列光譜儀添加了藍芽 (-BT) 無線控制介面以及快速儲存光譜的 SDRAM 選項，能夠實現遠距離測量和傳輸（大於 300 米）以及長時間光譜資料儲存。
• AvaRaman-Supreme 拉曼光譜儀搭載HTVS虛擬狹縫技術大幅提升光學解析度與光學感度。