測(cè)量光譜選擇多少像素探測(cè)器的光譜儀合適？大部分用戶(hù)的回答是越多越好。但事實(shí)上真的如此嗎？正如您可能預(yù)料到，這種說(shuō)法不完全正確。對(duì)于一個(gè)特定的應(yīng)用，在選擇最合適的光譜儀時(shí)，需要考慮很多因素。
光學(xué)分辨率是配置光譜儀時(shí)經(jīng)常被考慮的主要因素之一，正是追求高分辨率導(dǎo)致用戶(hù)要求盡可能多的探測(cè)器象素?cái)?shù)。而實(shí)際上光學(xué)分辨率是由探測(cè)器的像素?cái)?shù)與狹縫寬度和光柵線對(duì)數(shù)共同決定的。當(dāng)討論分辨率時(shí)，通常色散或用波長(zhǎng)范圍除以像素?cái)?shù)。半高全寬值（FWHM），即最大峰值光強(qiáng)一半處所對(duì)應(yīng)的譜線寬度是一種表述分辨率更好的方法（見(jiàn)圖）。用FWHM可以對(duì)不同光譜儀的實(shí)際光學(xué)性能進(jìn)行直接對(duì)比。用這種表示方法可以避免一些缺陷，例如：有的光柵并沒(méi)有用到全部像素；采用交叉式 Czerny-Turner光路設(shè)計(jì)的光譜儀中，光學(xué)系統(tǒng)不能把狹縫清晰地成像在探測(cè)器上，這是由于光路中過(guò)大的反射角和固有的系統(tǒng)放大倍率造成的。
靈敏度是配置光譜儀時(shí)所需要考慮的另一個(gè)因素。現(xiàn)在的主流微型光譜儀都采用線陣探測(cè)器，所以靈敏度跟像素?cái)?shù)沒(méi)有任何關(guān)系。但面陣探測(cè)器例外，因?yàn)槊骊囂綔y(cè)器在垂直方向的每個(gè)像素都會(huì)被累積，在某種意義上垂直方向上的所有像素的累積可以被看成一個(gè)更大的像素。因此，在考慮某種應(yīng)用對(duì)靈敏度的要求時(shí)，更重要的是看探測(cè)器的響應(yīng)曲線。右圖中給出了幾種典型探測(cè)器的靈敏度響應(yīng)曲線。如果是應(yīng)用在可見(jiàn)光區(qū)，可以選用幾種不同品牌的CCD探測(cè)器而無(wú)須考慮其象素?cái)?shù)。而越靠近近紅外區(qū)，CCD的靈敏度越低，這時(shí)就需要選擇在近紅外區(qū)靈敏度高的探測(cè)器。
信噪比也是選配光譜儀的一個(gè)因素。對(duì)于CCD光譜儀，較高的靈敏度導(dǎo)致了較低的信噪比。在一定范圍內(nèi)，可以通過(guò)對(duì)光譜進(jìn)行多次平均來(lái)提高信噪比。平均次數(shù)的平方根恰好是信噪比提高的倍數(shù)。例如，光譜平均100 次，信噪比能提高10 倍。有些應(yīng)用需要較高的信噪比，此時(shí)用戶(hù)應(yīng)當(dāng)比較在光譜儀中的光學(xué)平臺(tái)和探測(cè)器的綜合信噪比。需要強(qiáng)調(diào)的是，用戶(hù)一定要搞清楚廠家給出的信噪比是不是整個(gè)光譜儀系統(tǒng)的信噪比，因?yàn)橹挥姓麄€(gè)光譜儀系統(tǒng)的信噪比才是最重要的。一個(gè)信噪比高的探測(cè)器配一個(gè)性能不高的光路，那么它的高信噪比就沒(méi)有實(shí)際意義。比較不同探測(cè)器和光譜儀間的信噪比的比較好的方法是：測(cè)量100 次，然后對(duì)每個(gè)像素計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，信噪比等于平均值除以標(biāo)準(zhǔn)偏差。測(cè)量信噪比時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)接近飽和，并設(shè)置正確的平滑值（如果需要的話(huà)）。
光柵選擇是最比較復(fù)雜的。通常有兩個(gè)因素決定了光柵的選擇：波長(zhǎng)范圍和光學(xué)分辨率。波長(zhǎng)范圍受限于所選擇的探測(cè)器或光柵，或二者都有。光學(xué)分辨率不僅受限于光柵，還受限于狹縫寬度和探測(cè)器的像素?cái)?shù)和像元尺寸）。還要考慮第三個(gè)因素，即光柵還會(huì)影響系統(tǒng)的靈敏度，這是因?yàn)椴煌墓鈻诺拈W耀波長(zhǎng)（即最高效率）位置各不相同。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化配置時(shí)，最好查看一下光柵的效率曲線。左圖中是幾種典型的600 線/mm光柵的效率曲線，效率最高點(diǎn)從紫外區(qū)到近紅外區(qū)。如果您可能很難在光譜范圍，光學(xué)分辨率和靈敏度間進(jìn)行取舍，不要猶豫，請(qǐng)與我們聯(lián)系。或許您可以選擇雙通道或多通道光譜儀，使得在很寬的光譜范圍內(nèi)的都得到很高的分辨率，并保持很高的效率。
我提到狹縫了嗎？微型光譜儀有多種狹縫尺寸供您選擇，狹縫安裝在光纖接頭處（見(jiàn)圖4），并且被永久的固定在光譜儀上。有兩點(diǎn)需要記住，狹縫越小，光學(xué)分辨率越高；狹縫越大，進(jìn)入光學(xué)平臺(tái)的光通量越多，即靈敏度越高。從本質(zhì)上說(shuō)，需要折中兼顧光譜儀的分辨率和靈敏度。
幸好，選擇光譜儀的其他選項(xiàng)會(huì)相對(duì)容易一些。例如，對(duì)于波長(zhǎng)小于360nm的紫外應(yīng)用，必須要給普通的CCD探測(cè)器增加一種紫外增強(qiáng)鍍膜-DUV。而其它探測(cè)器，比如薄型背照式CCD或CMOS則不需要這個(gè)選項(xiàng)。而為了避免二級(jí)衍射效應(yīng)的影響，可以通過(guò)在探測(cè)器的保護(hù)窗上鍍特殊膜層或安裝一個(gè)長(zhǎng)通濾光片。其它的選項(xiàng)則跟應(yīng)用有關(guān)，比如非線性校準(zhǔn)和輻射定標(biāo)只有在進(jìn)行輻射測(cè)量時(shí)才需要。
假設(shè)需要配置一套用于測(cè)量液體樣品熒光的光譜系統(tǒng)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)假設(shè)樣品被置于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比色皿中，那么我們?cè)撊绾慰紤]配置光譜儀呢？首先，我們應(yīng)該考慮波長(zhǎng)范圍和光學(xué)分辨率。大多數(shù)熒光測(cè)量裝置都選用紫外波段的激發(fā)光，而產(chǎn)生的熒光則在可見(jiàn)光區(qū)。如果我們想要同時(shí)測(cè)量激發(fā)光和熒光，最好選用能覆蓋200-1100nm的寬光譜光譜儀。如果我們想避開(kāi)激光發(fā)而只測(cè)量熒光，可以選擇窄波段的光譜儀，比如360-1100nm或500-1100nm，這兩種配置可以選用300線/mm或600 線/mm的光柵。
經(jīng)驗(yàn)告訴我們熒光信號(hào)通常比較弱，峰寬或者半高全寬（FWHM）比較大?？紤]到這些因素，我們應(yīng)該選用一種靈敏度高的探測(cè)器，比如CCD探測(cè)器，同時(shí)使用一個(gè)相對(duì)較寬的狹縫，比如200 微米。寬狹縫可以保證更多的信號(hào)光進(jìn)入光譜儀，當(dāng)然另一方面降低了系統(tǒng)的分辨率。由于熒光的譜帶通常較寬，分辨率的影響可以不用考慮?；仡櫱懊嫣岬降墓鈻胚x擇（如300 線/mm或600 線/mm），所對(duì)應(yīng)的光學(xué)分辨率分別是8nm和4nm，這個(gè)分辨率對(duì)于熒光測(cè)量來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。
除了光譜儀，我們還需要考慮種類(lèi)紛雜的光源和采樣附件，但這已經(jīng)超出了這篇文章的范疇。正如上面的例子所表明的，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的步驟就就可以配置好滿(mǎn)足您應(yīng)用的微型光譜儀。最重要的是，不必猶豫盡管向我們咨詢(xún)有關(guān)儀器的一切問(wèn)題，我們將會(huì)給您一套最適合您應(yīng)用的光譜儀配置。
