Описание параметров спектрометра

Основной принцип спектрометра заключается в том, что после прохождения полихроматического света через щель он коллимируется и падает на решетку. Из-за эффекта дисперсии сверкающей решетки свет разных цветов имеет разные углы дифракции и будет отделен от Наконец, он фокусируется и отображается в разных положениях ПЗС-матрицы с линейной матрицей. Посредством калибровки можно получить информацию о спектральных линиях источника света, получив значения длины волны и интенсивности соответствующих пикселей. Степень разделения спектральных линий, размер щелевого изображения и размер пикселя совместно определяют разрешающую способность спектрометра.

Рисунок 1. Схема оптического пути спектрометра.

Диапазон длин волн

    Диапазон длин волн — это диапазон длин волн, который может измерять спектрометр.Диапазон обнаружения волоконного спектрометра составляет 200–2500 нм. Обычно волоконные спектрометры, использующие ПЗС- или КМОП-детекторы, имеют диапазон 200–1100 нм, который включает ультрафиолетовый свет, видимый свет и коротковолновый ближний инфракрасный свет. Диапазон обнаружения спектрометров ближнего инфракрасного диапазона с использованием детекторов из арсенида индия-галлия (InGaAs) составляет 1000-2500 нм. Количество линий решетки и тип детектора будут влиять на диапазон длин волн. Вообще говоря, широкий диапазон длин волн означает низкое спектральное разрешение, поэтому пользователям необходимо найти компромисс между двумя параметрами: диапазоном длин волн и спектральным разрешением. Если требуется как широкий диапазон длин волн, так и высокое разрешение по длине волны, требуется комбинация нескольких спектрометров (многоканальных спектрометров).

Спектральное разрешение

    Спектральное разрешение описывает способность спектрометра разрешать длины волн и является важным показателем спектрометра. Высокое спектральное разрешение обеспечивает более точное положение пиков и возможность различать пики, расположенные близко друг к другу. Разрешение спектрометра зависит от количества линий решетки, эффективного фокусного расстояния системы, установленной ширины щели, оптической аберрации системы и других параметров. На практике мы обычно используем ширину на полувысоте (FWHM) одной спектральной линии, измеренную спектрометром, в качестве разрешения спектрометра.

отношение сигнал шум

    Отношение сигнал/шум спектрометра определяется как: соотношение среднего значения сигнала, когда спектрометр близок к насыщению при сильном световом освещении, и джиттера (латерального стандартного отклонения) сигнала, отклоняющегося от среднего значения. ценить. Отношение сигнал/шум (S/N) описывает способность спектрометра преобразовывать оптические сигналы в электрические.Высокое соотношение сигнал/шум помогает снизить влияние собственного шума схемы на результаты. Следует отметить, что, поскольку определение не накладывает никаких ограничений на источник света, отношение сигнал/шум, измеренное с использованием этого определения, не эквивалентно отношению сигнал/шум, которого пользователи могут достичь в реальных экспериментах. Ширина щели, характеристики решетки, тип детектора и конструкция схемы — все это влияет на соотношение сигнал/шум. Решетки с высокой дифракционной эффективностью и детекторы с высокой квантовой эффективностью способствуют улучшению отношения сигнал/шум спектрометра. Искусственное увеличение коэффициента усиления (также называемого усилением) схемы предусилителя также увеличит номинальную чувствительность, но также усилит влияние шума, что не обязательно может помочь при реальных измерениях. Кроме того, увеличивая среднее количество измерений, можно улучшить и отношение сигнал/шум.Между ними имеется квадратный корень.Например, при усреднении в 100 раз отношение сигнал/шум увеличивается в 10 раз. раз. Значения отношения сигнал/шум, описанные в спектрометре LBTEK, являются максимально возможными значениями отношения сигнал/шум (полученными при насыщении детектора).

    Конкретное измерение отношения сигнал/шум спектрометра заключается в следующем: используйте стабильный источник света для насыщения пика спектра при наименьшем времени интегрирования или времени интегрирования, значительно ниже предела теплового шума (спектр все равно должен иметь значение менее 0 отсчетов или площадь слева и справа от него); для расчета отношения сигнал/шум необходимо сделать 100 сканирований без падения света, вычислить среднее значение базовой линии каждого пикселя и записать его как D, затем сделать 100 сканирований с падение света и рассчитать среднее базовое значение каждого пикселя.

Динамический диапазон

    Выходной сигнал спектрометра представляет собой цифровой сигнал от 0 до 2N-1, где N — количество бит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) электронного устройства. Типичные числовые диапазоны для N составляют от 10 до 16, что соответствует максимальным значениям уровня сигнала между 1023 и 65535 отсчетами. Шум — это случайное изменение сигнала вокруг среднего значения. Из-за шума электронного оборудования пиковый уровень сигнала будет слегка колебаться вокруг среднего значения. Шум можно измерить по среднеквадратичному значению (RMS), которое колеблется со временем. . SNR определяется как среднее значение пикового сигнала во времени, деленное на среднеквадратичный шум пикового сигнала за тот же период времени. Чтобы получить точные результаты SNR, обычно необходимо измерить выборки спектра более 25–50 раз. При измерении отношения сигнал/шум очень важна стабильность входного сигнала спектрометра, то есть источника света, иначе возникнут ошибки измерения.

рассеянный свет

    Используйте режекторный метод для измерения рассеянного света спектрометра. Конкретный метод: используйте единый протяженный источник света, поместите только режекторный фильтр в измерительное устройство и считайте значение серого соответствующей длины волны режекторного фильтра в спектрометр. , записанный какИкс1 ;Удалите режекторный фильтр, вставьте фильтр нейтральной плотности, считайте то же значение серого, а затем умножьте его на соответствующий коэффициент ослабления, чтобы получить значение серого белого пятна в соответствующей позиции, записанное какИкс2 ; Закройте световой вход спектрометра изображения и измерьте фоновый шум, записанный какИкс0 . Тогда коэффициент рассеянного света равен:

Рисунок 2. Принципиальная схема устройства для испытания спектрометра рассеянным светом.

спектр высшего порядка

    Коротковолновый свет после прохождения через решетку создаст дифракционное изображение нескольких порядков. Поэтому, чтобы избежать влияния дифракционного спектра высокого порядка, перед ПЗС-матрицей обычно добавляют фильтр для фильтрации. Фильтр подавления дифракции высокого порядка может представлять собой двухступенчатый, трехступенчатый длинноволновый фильтр или более сложный длинноволновый проходной фильтр с линейной переменной.

Рисунок 3. Линейно-переменный длинноволновый фильтр.

коррекция линейности

    Конкретным проявлением нелинейности является то, что при постоянной интенсивности источника света по мере увеличения времени интегрирования интенсивность отклика детектора не имеет полностью линейной зависимости со временем. Все ПЗС-детекторы демонстрируют нелинейность реакции на свет. Если не исправить, нелинейность приведет к ошибкам в расчете нормализованных значений (поглощения, пропускания или освещенности). Различные модели детекторов, используемые в спектрометрах, имеют разные нелинейные режимы. Разные детекторы имеют разную степень нелинейности, но все пиксели детектора имеют одинаковую степень нелинейности. Так как все пиксели в детекторе одинаковы. Таким образом, линейность можно измерить и исправить ошибки в программном обеспечении. Во время самого процесса калибровки мы выполним полиномиальную аппроксимацию, собрав несколько числовых точек в разное время интегрирования, получим соответствующие поправочные коэффициенты и запишем их в ПЗУ спектрометра. Каждый спектрометр LBTEK калибруется на нелинейность при выходе с завода.Линейность скорректированного отклика детектора обычно составляет >99,8%.