SPECTROMETER：Avantes 光學內部構造

光纖光譜儀具備高靈敏度與反應速度快等優點,應用於超快時間量測與線上分析.

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Avantes光纖光譜儀

光譜學是測量紫外、可見、近紅外和紅外波段光強度的一種工具。光譜測量被廣泛應用於多種領域，如顏色測量、化學成份的濃度檢測或電磁輻射分析等。欲瞭解更詳細的應用資訊以及相關的實驗裝置，請參閱本站counts應用章節。

光譜儀器一般都包括入射狹縫、准直鏡、分光元件（光柵或棱鏡）、聚焦光學系統和偵測器。而在單色儀中通常還包括出射狹縫，讓整個光譜中經由狹縫濾光照射到偵測器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定而寬度可調，可以通過旋轉光柵來對整個光譜進行掃描。

在九十年代，微電子領域中的多使用者光學偵測器快速發展，如CCD 陣列、光電二極體（PDA）陣列等，廣泛應用在掃描器和CCD相機。荷蘭Avantes公司的光譜儀使用了同樣的CCD和光電二極體陣列（PDA）偵測器，可以對整個光譜進行快速掃描而不必移動光柵。
光通信counts對光纖的強烈需求從而開發了低損耗的石英光纖。該光纖counts同樣運用於測量光纖，把待測樣品產生的訊號光傳導到光譜儀的光學平臺中。藉由光纖的耦合很方便地搭建起由光源、採樣附件和光纖光譜儀組成的模組化測量系統。

光纖光譜儀的優點在於系統的模組化和靈活性。荷蘭Avantes公司的光纖光譜儀的測量速度相當迅速，適用於線上分析。而且由於它選用低成本高穩定性的陣列偵測器，保持優異的性表現之外降低了光譜儀的成本，大大擴展了它的應用領域。

光學平臺設計
Avantes公司的AvaSpec系列光譜儀採用對稱式 Symmetrical Czerny-Turner 光學平臺設計，焦距有45mm，50mm和75mm三種（如圖1所示）。

圖1 AvaSpec光學平臺設計圖

 
訊號光束由一個標準的SMA905光纖介面進入光學平臺，先經一個面鏡准直，然後由一塊平面光柵把該准直光束分光，經由第二塊球面鏡聚焦，最後投射到一塊一維線性偵測器陣列上。

光學平臺內包括很多元件，使得使用者可以根據自己的應用選擇最合適的配置。這些元件的選擇對光譜儀的參數影響非常大，如衍射光柵、入射狹縫、消二級衍射效應濾光片和偵測器鍍膜等。關於光譜儀的靈敏度、解析度、帶寬以及迷光等將在後面的章節中為您介紹。


如何為您的應用配置光譜儀
根據應用領域的不同，使用者必須對採用模組化設計的AvaSpec光譜儀中的多種光學元件和選件進行選擇。本節內容就是指導您如何根據您的應用為AvaSpec光譜儀選擇合適的光柵、狹縫、偵測器和其他選件。

1. 波長範圍
在為一台光譜儀系統選擇最佳化配置的時侯，波長範圍是決定光柵型號的首先要考慮的重要參數。如果您需要寬波長範圍，建議使用A型（300 line/mm）或者B型（600 line/mm ) 光柵（請見以下光柵選擇表）。另一個重要元件是偵測器的選擇。荷蘭Avantes公司提供了7種不同的靈敏度特性曲線的偵測器型號（見圖5）。對於UV波段的應用，可以選用256/1024 像素的CMOS 偵測器或者深紫外（DUV）增強型2048或者3648像素CCD偵測器。在近紅外（NIR）波段，有兩種InGaAs 偵測器可以選擇。若需要寬的波長範圍同時又需要高解析度，多通道光譜儀是最佳的選擇。

2. 光學解析度
需要高光學解析度時，建議採用1200 line/mm或者更高條數光柵（C.D.E或F型），同時選擇窄狹縫和2048或3648像素的CCD偵測器。例如，對於AvaSpec-2048光譜儀，可以選擇10mm狹縫來獲得最佳解析度。（請見光學解析度表）

3. 靈敏度
說起靈敏度，重要的是要區分開是光譜學中的靈敏度（光譜儀所能偵測到的最小訊號強度是多少？）還是化學計量學中的靈敏度（光譜儀能夠測量到的最小吸收率差）。

a. 光度靈敏度 
對於如螢光和拉曼等需要高靈敏度光譜儀的應用，我們建議選擇採用2048像素CCD偵測器的AvaSpec-2048，而且還要選擇DCL-UV/VIS 偵測器靈敏度增強透鏡、較寬的狹縫（100mm或者更寬）或者不安裝狹縫、一個A型（300 line/mm）光柵。A型光柵的光散色最小，所以它的靈敏度在所有光柵中是最高的。作為選項，還可以選用熱電製冷型TEC CCD 偵測器AvaSpec-2048-TEC，該型號可以採用長積分時間（60秒）來提高訊號強度，並可以降低雜訊和提高動態範圍。

表4 提供不同類型偵測器的光度靈敏度數據，圖5為每種偵測器的光譜回應曲線。

b. 化學計量靈敏度 
為了能偵測出兩個幅值很接近的吸收率數值，不但要求偵測器的靈敏度高，還要求信噪比高。信噪比最高的偵測器是AvaSpec-256/1024光譜儀中的256/1024像素CMOS偵測器。AvASoft 軟體中增加平均次數更有效提高信噪比。

4.測量時間與資料傳輸速度
光譜儀的資料獲取速度透過直接擷取陣列型偵測器元件數據的方式而大幅提高。然而，對於每個具體應用都有其最佳化的偵測器。如對於需要快速回應的應用，推薦使用AvaSpec-2048 FT 或USB2 型CCD光譜儀。而對於那些對資料傳輸時間要求非常嚴格的應用，選擇具有USB2 介面的光譜儀，並且只傳輸一部分像素的資料到電腦來大大縮短資料傳輸時間。一般使用上，AvaSpec-102 型光譜儀是測量速度最快的光譜儀，每秒鐘可以掃描6000 次。

應用領域	AvaSpec 光譜儀型號	光柵型號	波長範圍(nm)	鍍膜	狹縫寬度（微米）	FWHM 解析度(nm)	偵測器 靈敏度增強鏡	消二級衍射效應濾光片	消二級衍射效應鍍膜
生物醫學	2048	NB	500-1000	無	50	1.2	無	475	無
化學	1024	UA	200-1100	無	50	2.0	無	無	200-1100
顏色測量	102	VA	360-780	無	100	6.4	有/ 無	無	無
	256	VA	360-780	無	50	3.2	無	無	無
	2048	BB	360-780	無	200	4.1	有/ 無	無	無
螢光測量	2048	VA	350-1100	無	200	8.0	有	無	350-1100
糖度測量	102	IA	800-1100	無	50	5.4	有	550	無
寶石鑒定	2048	VA	350-1100	無	25	1.4	有	無	350-1100
高解析度測量	2048	VD	600-700	無	10	0.07	無	550	無
	3648	VD	600-700	無	10	0.05	無	550	無
輻射測量	2048	UA	200-1100	UV	50	2.8	有/ 無	無	200-1100
半導體雷射器（LD ）	2048	NC	700-800	無	10	0.1	無	550	無
發光二極體（LED ）	2048	VA	350-1100	無	25	1.4	有/ 無	無	350-1100
雷射誘導破裂光譜（LIBS ）	2048FT	UE	200-300	DUV	10	0.09	無	無	無
	2048USB2	UE	200-300	DUV	10	0.09	無	無	無
	3648USB2	UE	200-300	DUV	10	0.07	無	無	無
拉曼光譜	2048TEC	NC	780-930	無	25	0.2	有	550	無
薄膜測量	2048	UA	200-1100	UV	-	4.1	有	無	200-1100
紫外/ 可見/ 近紅外光	2048	UA	200-1100	UV	25	1.4	有/ 無	無	200-1100
近紅外光	NIR256-1.7	NIRA	1000-1700	無	50	5.0	無	1000	無
	NIR256-2.2	NIRZ	1000-2200	無	50	10.0	無	1000	無

如何選擇合適的光柵？
衍射光柵是一種把入射的多色光分解成它所包含的單色光的光學元件。光柵是由一系列等寬等間距的平行凹槽構成的，而這些凹槽是在鍍反射膜的基底材料上刻劃製成的。

按照凹槽形成方式的不同可以把光柵分成兩種：全息光柵和刻劃光柵。刻劃光柵是用刻劃機上的鑽石刻刀在塗薄金屬反射表面上機械刻劃而成；而全息光柵則是由雷射光束干涉圖樣和光刻過程形成的。Avaspec光譜儀中的光柵可配置全息光柵或刻劃光柵。

光纖光譜儀中的光柵由用戶指定裝設於光譜儀中。接下來設定所需要的波長範圍。有時光柵的標稱可用光譜範圍大於照射到偵測器上的光譜範圍，這時為了覆蓋更寬的光譜範圍，可選擇雙通道或三通道光譜儀。這些主通道和從通道可以選擇不同的光柵。雙通道或三通道光譜儀也可以讓使用者在更寬的光譜範圍內實現更高的解析度。

在光譜儀介紹部分，對於每種光譜儀型號都有一個光柵選擇表。表2介紹了如何理解這些光柵選擇表。光譜儀的光譜範圍取決於光柵的起始波長和光柵線對數。波長越長則分光效應越大，光柵所覆蓋的波長範圍就越小。

圖2指出了這些光柵的效率曲線。而整台光譜儀的效率則由光纖的傳輸效率、光柵和反射鏡的效率、偵測器及其膜層靈敏度的效率共同決定。圖3指出AvaSpec-2048光譜儀的光柵分光曲線 。

 

應用範圍	可用波長範圍（nm）	每塊光柵覆蓋的光譜範圍（nm）	光柵線對數（線/mm）	閃耀波長（nm）	光柵型號
UV/VIS/NIR	200-1100	900	300	300	UA
UV/VIS	200-850	520	600	250	UB
UV	200-750	250-220*	1200	250	UC
UV	200-650	165-145*	1800	250	UD
UV	200-580	115-70*	2400	250	UE
UV	220-400	75-50*	3600	250	UF
UV/VIS	250-850	520	600S	370	BB
VIS/NIR	300-1100	800	300	500	VA
VIS	360-1000	500	600	500	VB
VIS	300-800	250-200*	1200	500	VC
VIS	350-750	145-100*	1800	500	VD
NIR	500-1050	500	600	750	NB
NIR	500-1050	220-150*	1200	630	NC
NIR	600-1100	500	300	1000	IA
NIR	600-1100	500	600	1000	IB

 

如何選擇最佳的光學解析度？

光譜儀的光學解析度定義為光譜儀所能分辨開的最小波長差。要把兩個光譜線分開則至少要把它們成像到偵測器的兩個相鄰像素上。因為光柵決定了不同波長在偵測器上可分開的程度（分光程度），所以它是決定光譜儀解析度的一個非常重要的參數。

另一個重要參數是進入到光譜儀的光束寬度，它基本上取決於光譜儀上安裝的固定寬度的入射狹縫或光纖芯徑（當沒有安裝狹縫時）。

Avantes所提供的狹縫尺寸有：10，25或50μm×1000μm（高）或100，200或500μm×2000μm（高）。

在指定波長處，狹縫在偵測器陣列上成像通常會覆蓋幾個像素。如果要分開兩條光譜線，就必須把它們分光到這個像尺寸再加上一個像素。當使用大芯徑的光纖時，可以通過選擇比光纖芯徑窄的狹縫來提高光譜儀的解析度。因為這樣會降低入射光束的寬度。

所選光柵和入射光束的有效寬度（光纖芯徑或入射狹縫）對解析度的影響表在光譜儀產品資訊中都有介紹，表3 是AvaSpec-2048 型光譜儀的典型解析度表。請注意，光柵密度越高，分光效應隨波長變化就會越顯著，波長越長分光效應越大（表3 ），因此在最長波長處會得到最高解析度。

表3 中的解析度是FWHM 值，即最大峰值光強50%處（FWHM）所對應的譜線寬度（nm）（圖4）。在“ 光柵”一節中還有像素分光圖，您可以用來為您的具體應用選擇合適的光柵和解析度。

狹縫寬度（μm）
光柵（line/mm）	10	25	50	100	200	500
300	0.8	1.4	2.4	4.3	8.0	20.0
600	0.4	0.7	1.2	2.1	4.1	10.0
1200	0.1-0.2*	0.2-0.3*	0.4-0.6*	0.7-1.0*	1.4-2.0*	3.3-4.8*
1800	0.07-0.12*	0.12-0.21*	0.2-0.36*	0.4-0.7*	0.7-1.4*	1.7-3.3*
2400	0.05-0.09*	0.08-0.15*	0.14-0.25*	0.3-0.5*	0.5-0.9*	1.2-2.2*
3600	0.04-0.06*	0.07-0.10*	0.11-0.16*	0.2-0.3*	0.4-0.6*	0.9-1.4*

*注：取決於光柵的起始波長；波長越長，光柵分光越大，解析度越高

 
所選光柵和入射光束的有效寬度（光纖芯徑或入射狹縫）對解析度的影響如表3所示，表3給出的是AvaSpec-2048型光譜儀的典型解析度值。請注意，光柵密度越高，分光效應隨波長變化就會越顯著，波長越長分光效應越大，因此在最長波長處會得到最高解析度。表3中的解析度的定義是最大峰值光強50%處（FWHM）所對應的譜線寬度（nm）。

圖2 半波寬的定義

偵測器
AvaSpec光譜儀可以安裝多種類型的偵測器，目前在200-1100nm波長範圍內我們提供矽基CCD 、CMOS 和光電二極體陣列。在下一個章節“ 靈敏度” 裏表4 中將有一個完整的介紹。在NIR（1000-2300nm）範圍則使用InGaAs 陣列偵測器。


CCD 偵測器（AvaSpec-2048/3648 ） 
電荷耦合器件CCD 偵測器中儲存著電荷，而當光子照射到其光敏面時電荷就會被釋放。在積分時間的結尾，剩餘的電荷就會傳送到緩衝器中，然後這個訊號被傳送到A/D 轉換卡。CCD 偵測器具有自然積分的特性因此具有非常大的動態範圍，它只受暗（熱）電流和AD 轉換卡資料處理速度的限制。3648像素CCD具有集成的電子快門功能，因此可以達到10微秒的積分時間。

• CCD 偵測器的優點是像素多（2048 或3648 ）、靈敏度高、回應速度快。
• 主要缺點是信噪比低。

紫外增強鍍膜 
對於需要使用AvaSpec-2048/3648 型光譜儀並且波長小於350nm的應用，需要選擇一種特殊的紫外增強偵測器鍍膜—DUV 。未鍍膜的CCD偵測器對波長小於350nm的光訊號的回應很低，而DUV 鍍膜增強了CCD 偵測器在150-350nm波長範圍的回應，DUV鍍膜的延遲時間很短（納秒量級），因此非常適合於如雷射誘導破裂光譜（LIBS ）等快觸發應用。

光電二極體陣列(AvaSpec-102) 
矽光電二極體陣列是一個由多個光電二極體單元（像素）組成的線性陣列，對於AvaSpec-102 型光譜儀來說像素數是102。每個像素都包括一個P/N結（正摻雜的P 區和負摻雜的N 區）。當訊號光照射到光電二極體上時，電子就會被激發並輸出電訊號。大部分光電二極體陣列都包括讀出/積分放大器一體式的集成化訊號處理電路。

• 光電二極體的優點是在近紅外區靈敏度高，回應速度快；
• 缺點是像素數目較少，在紫外波段沒有回應。

CMOS 線性成像偵測器(AvaSpec-256/1024) 
所謂的CMOS 線性成象偵測器比CCD 陣列傳感器具有較低的電荷- 電壓轉換效率，因此具有較低的光靈敏度，但是卻具有較高的信噪比。CMOS 比NMOS 的轉換增益高，而且內部讀出電路中有箝位元電路，可以把雜訊抑制到一個很低的水準。

• CMOS 偵測器的優點是信噪比高，紫外波段靈敏度高；
• 缺點是讀出速率低、靈敏度低、成本相對較高（1024 個像素）。

InGaAs 線陣 成像偵測器(AvaSpec-NIR256) 
InGaAs 線性 成像偵測器 在近紅外波長區域有著極高的靈敏度。偵測器包括一個CMOS 電晶體的電荷放大陣列，一個移位寄存器和一個時序產生模組。Avantes 公司有兩種InGaAs偵測器 供使用者選擇 ：

• 256 像素非致冷型InGaAs 偵測器 ， 可用於1000-1700nm 波長 範圍。
• 256 像素2 級致冷型擴展InGaAs 偵測器， 可用於1000-2300nm 波長範圍。

圖3偵測器光譜回應曲線

靈敏度
偵測器像素在某一特定波長處的靈敏度定義為照射到該像素上的單位輻射能量（光子）所產生的電訊號強度。對於一個給定的A/D 轉換卡來說可以理解為每毫焦耳入射光能量所產生的電子記數值。

入射到光譜儀中的光能量與照射到單個偵測器像素上的光能量之間的關係主要取決於光譜儀光學平臺的結構設計，主要影響因素有光柵的效率、入射光纖或狹縫的尺寸、光學鏡片的性能、是否使用靈敏度增強透鏡等。對於一個給定配置的光譜儀能夠測量六、七十倍的光輻射級數。

表4 提供一些標準偵測器的參數。作為可選項的靈敏度增強透鏡（DCL ）可以直接安裝在偵測器陣列上。這個石英透鏡（如用於AvaSpec-2048/3648 的DCL-UV ）可以把系統的靈敏度提高3-5 倍（取決於所用的光纖芯徑）。

表4 中的靈敏度是針對目前AvaSpec 系列光譜儀所使用的偵測器，單位是每毫秒積分時間內的電子記數值。

為了對比不同偵測器陣列，我們假設所有光譜儀都採用600 線/ 毫米的光柵，而且不加靈敏度增強透鏡DCL 。光譜儀都選用8 微米芯徑的光纖，並連接到標準的AvaLight-HAL 鹵素燈上。這相當於1μWatt 的輸入光能量。

近紅外（NIR）偵測器的參數可以在AvaSpec-NIR256 產品資訊中的counts參數中找到。


** PNRU （ 光子回應非均勻性 ）= 當均勻照明時，像素輸出最大偏差除以訊號平均值。 
 
迷光和二級衍射效應
1 ．迷光 
迷光是錯誤波長（非對應訊號光波長）的光輻射照射在偵測器像素上所產生的訊號，迷光的來源是：

• 周圍環境光輻射；
• 光學元件缺陷所產生的散射光或非光學元件產生的反射光；
• 不同衍射級次間的重疊。

把光譜儀安裝在光密封的外殼內可以有效地消除周圍環境帶來的迷光。

當光譜儀工作在偵測極限時（微弱光偵測），則來自於光學平臺、光柵、聚焦鏡的迷光強度就決定了光譜儀的最終偵測極限。大多數光柵都是全息型光柵，迷光很低。迷光的測試方法是用雷射光束照射到光譜儀上，然後測量遠離雷射波長處像素的光強度。另一種方法是用鎢鹵素燈作為光源並配合長通或帶通濾光片進行測試。

AvaSpec 光譜儀典型的迷光參數是<0.05%@600nm; <0.1%@435nm; <0.1%@250nm 。

2 ．二級衍射效應 
對於低光柵密度（寬波長範圍）來說，往往會發生光柵的二級衍射光之間的重疊。這些高級次衍射光在大多數場合可以忽略不計，但在某些場合下則必須考慮。解決的方法就是把訊號光限制在不可能出現級次重疊的光譜區。具體的方法可以通過在光譜儀入口的SMA 介面處安裝一個長通濾光片或在偵測器前面的保護窗鏡上鍍特殊膜層。該保護窗所鍍的膜層通常是一個長通濾光片（590nm ）或兩個長通濾光片（350nm 和550nm ），取決於所選擇的光柵型號及其光譜範圍。

表5 中所示為光譜儀光學平臺內可以加裝的各種濾光片。通常推薦使用如下長通濾光片：OSF-475 與NB 或NC 型光柵搭配；OSF-515/550 與NB 型光柵搭配；OSF-590 與IB 型光柵搭配。

此外，除了消二級衍射效應我們還在Sony 2048 和Toshiba3648 偵測器上進行了部分深紫外（DUV ）鍍膜，目的是消除來自紫外區的二級衍射效應，並在可見區提高靈敏度和降低雜訊。這種部分深紫外鍍膜對於下列型號的光柵是自動配置的：

• UA ，200-1100nm ，DUV400 ，只在前400 個象素點上鍍膜；
• UB ，200-700 nm, DUV800, 只在前800 個象素點上鍍膜。

AvaSpec 光譜儀有多種偵測器，目前在200-1100nm 波長範圍內我們提供CCD 、CMOS 和光電二極體陣列。在下一個章節“ 靈敏度” 裏表4 中將有一個很詳細的介紹。在NIR （1000-2300nm ）範圍則使用InGaAs 陣列