光谱仪

简介

光谱仪(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。

将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。

图中所示是三棱镜色谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S，S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计，可以具有较宽的光谱范围。

表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。基于干涉原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪）具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。

原理

根据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器；新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器。调制光谱仪是非空间分光的，它采用圆孔进光。

根据色散组件的分光原理，光谱仪器可分为：棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。光学多道分析仪OMA(OpticalMulti-channelAnalyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器，它集信息采集，处理，存储诸功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶，避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理，测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变，大大改善了工作条件，提高了工作效率；使用OMA分析光谱，测量准确迅速，方便，且灵敏度高，响应时间快，光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机，绘图仪输出。它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量，分析及研究工作中，特别适应于对微弱信号，瞬变信号的检测。

构成

一台典型的光谱仪主要由一个光学平台和一个检测系统组成。包括以下几个主要部分：

1.入射狭缝:在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。

2.准直元件:使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。

3.色散元件:通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。

4.聚焦元件:聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。

5.探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。

分类

光谱仪的种类很多，分类方法也很多，根据光谱仪所采用的分解光谱的原理，可以将其分成两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散（分光）原理上的仪器；新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器，故又称为调制光谱仪。

经典光谱仪依据其色散原理可将仪器分为：棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪、干涉光谱仪。

应用

光谱仪应用很广，在农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、拉曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等领域应用广泛。

透射测定

光谱仪的透射率或它的效率可用辅助单色仪装置来测定。在可见和近紫外实现这些测量没有任何困难。测量通过第一个单色仪的光通量，紧接着测量通过两个单色仪的光通量，以这种方式来确定第二个单色仪的透射率。

绝对测量需要知道单色仪的绝对透射率：对于相对测量，以各种波长处的相对单位可以测量透射率。真空紫外线的这些测量有相当大的实验困难，因此通常使用辅助单色仪。在各种入射角的情况下分别测量衍射光栅的效率。在许多实验步骤中已成功地避免了校准上的困难。

曾经研究过光栅效率与波长、入射角、镀层厚度、镀层材料以及其它因素的关系。所有这些测量都指出，在许多情况下能量损失是非常显著的，并且光栅的效率低于1%，光栅的不同部分可能有明显不同的效率。