当前课程知识点：光电仪器设计 > 第5章 光谱仪 > 5.1 光谱仪分类与指标 > 5.1 光谱仪分类与指标
大家好
从这节课开始
我们将以光谱仪为例
来介绍分析仪器
分析仪器与计量仪器的差别
是它对溯源的要求不高
更侧重对比与分析
那么分析仪器
它在仪器中占的比重非常多
比如说冶金行业中的金属成分分析
制药行业
环保领域等
也都少不了分析仪器
在这部分
我们会介绍典型的光谱仪
比如分光型光谱仪
傅立叶变换光谱仪
下面我们来看一下光谱仪的指标
比如说我们想测量这样一个白菜
那么我们可以用宽光谱来照射这个白菜
由于白菜的吸收呢
透过白菜的光谱就发生了变化
那么不同波长它的强度是不一样的
如果我们把这个光谱画成一个图
就像这样
那么横坐标是波长
纵坐标是能量
当然横坐标也可以用波数来表示
波数就是波长的倒数
它的单位是厘米分之一
那么在红外光谱仪里面呢
横坐标经常是用波数来表示的
在可见光或者紫外的光谱仪里面呢
横坐标主要还是用波长表示得比较多
那么纵坐标主要是各个波长的能量
下面我们再详细看一下
与波长相关的指标
首先是光谱范围
比如说
一个多色光入射到光栅上
那么由光栅的衍射光
就衍射出不同波长的光谱
那么这个不同波长的光谱
最小的波长
和最大的波长之间的范围
就是光谱范围
第二个是波长的准确性和复现性
波长的准确性当然很好理解
也就是说它标准的波长应该在这儿
你就应该入射到这儿
它不能是发生变化
那么波长的复现性
也就是说这次开机
下次开机
那可能它的位置会有一些变化
那么这个实际上是
指的是波长的复现性
还有就是光谱的色散和分辨率
比如说在这儿我们考察这点
那么因为它这个光谱
它实际上是有一定的大小的
那么我们需要考虑它的分辨率
也就是说第一个波长的光谱在这儿
它的中心波长
然后它λ+Δλ中心波长在这儿
那么这时候我们是否能分开它呢
实际上不仅要看它是否色散得开
也要看它是否足够的细
再有一个指标是光谱的带宽
这个带宽它是能量和分辨率的一个平衡
比如说如果我要是用一个狭缝
来探测这个光谱的话
那么如果狭缝比较窄
那么这时候测量出来的分辨率
可能会比较高
但是能量就比较弱了
如果要是狭缝比较大的话
比如说像这样
那我们可以探测一个比较大的能量
但是分辨率就有所降低了
下面我们来看自由光谱范围
先问这样一个问题
是否可以用一块光栅
来测量光谱范围为
400到1100纳米的光谱呢
我们先看一下光栅方程
这个光栅方程右面是入射条件
m是使用的衍射级次
λ是波长
d是光栅周期
右边的这个θ角
实际上是一个入射角
那么左边的这个θm是光栅的衍射角
从这个方程里头我们可以看出
比如说对于400纳米的波长
那么它的2级衍射
也就是说m等于2
那么2乘400等于800
和800纳米波长
它的衍射角实际上是在一块的
就像这样
那么蓝色比如说是400纳米波长
那么它的2级衍射光
正好和这个红色
800纳米的衍射光的1级是重合的
因此我们就探测到了两个波长
在这个探测器上
那么这样的话
显然就没法测量光谱了
那么从这里头
我们可以根据这个公式
来推导自由光谱范围
自由光谱范围
它是指在光谱级次中
同一个位置只有一个光谱
那么比如我们还以这个
400到1100的光谱测量为例
那么它的自由光谱范围呢
就是λ等于400
那也就是说分子是400
那么分母是m是用1
就是说用800纳米波长的1级
那么这样除出来
自由光谱范围是400纳米
也就是说它可以
测量400纳米到800纳米的光谱
测量这个光谱是没有光谱重叠的
下面我们再来看波长的准确性
波长的准确性是一个仪器的精度指标
一般来讲光谱仪测量到的波长
是要和实际的波长
进行标定比对的
那么如果测量出来的波长
和实际真实的波长有差异
那么这个反映的就是波长的准确性
所以对于一个光谱仪
我们需要用灯
来进行光谱波长的准确性标定
那么有的时候这个灯
它只有在某些位置会有谱线
有些位置它没有谱线
那么还有一种方式
现在也有用这个光频梳来进行
光谱位置的标定的
总之这个波长的准确性
是靠标定来实现的
那么波长的复现性呢
实际上是指仪器的稳定性指标
那么也就是说
对样品进行多次扫描测量
它的谱峰位置应该是相同的
那么如果它要是不同了呢
就反映了它的复现性指标了
比如说这块扫描好几次
它这个谱峰是错位的
而这台光谱仪你扫描了好几次
它谱峰位置基本上不变
那么这时候我们就认为
这台光谱仪有更好的复现性
那么影响复现性的因素
主要是什么呢
温度变化会导致光栅周期变化
这是一个因素
如果用扫描光谱仪呢
那么扫描过程中它的转角变化
也会导致复现性误差
下面我们再来看一下色散率
比如说一个多色光
入射到一个色散元件上
好比说是光栅
那么这时候我们同样回顾一下
这是一个光栅方程
那么由于光栅的衍射呢
使得这个不同颜色的光呢
它的衍射角是不同的
我们把这个叫角色散率
那么如果我们在这儿
放了一个聚焦透镜
那么这时候聚焦透镜
如果它的焦距是f2'
那么这个时候呢
我们在这儿得到的是一个
不同颜色的光的一个谱面
在谱面上得到的光点的排布
这个反映的是线色散率
也就是说如果光栅周期d越小
那么它的色散率就越大
但是当光栅周期d确定的时候
如果m或者是入射角θ大的话呢
它们的色散率也会越大
好 下面是另外一个指标
光谱分辨率
是否色散越大
那么它的分辨率越高呢
我们知道
分辨率是说分开波长极为相近的
两条谱线的能力
那么比如说像这块
它色散开了
但是这个谱线它不够锐
所以分辨不开
那么有的时候很锐
但是又没色散开
它也分辨不开
所以我们需要用色散的公式
来计算这个条纹的间距
也需要用多缝干涉的公式
来计算这个条纹的半宽度
那么按照瑞利判据
也就是说条纹间距等于条纹半宽度的时候
那么这时候呢
我们就得到了分辨率Δλ
就像这个图这样
它实际上是说
一个条纹的峰值
对应了另外一个条纹的谷值
从这里头
我们就可以知道光谱分辨率
它是和色散
还有光谱的宽度有关的
这就是光谱分辨率
在不同波长处
分辨率是不同的
而这个N是什么呢
N是我入射光在光栅上涵盖的
光栅的线条数
那么N越大
分辨率就越高
分辨率该怎么测量呢
一种比较简单的方法是用一个灯
如果这个灯它有两条
靠得很近的谱线
那我们一下测测看
我是否能分开这两条谱线呢
不就可以知道了吗
但实际上很多情况下
是找不着这两条谱线的
也就是说这两条谱线
在有的地方有
有的地方就没有了
那么这时候也有一种方法
是用某一根光谱的半高全宽
来表征它的分辨率
还有一个指标也是非常重要的
它叫光谱带宽
那么光谱带宽的定义
是在单色仪的出射狭缝上的光谱数
它的计算呢
是用倒线色散乘以出射狭缝的宽度
比如说在出射狭缝上有这么多的光谱
那么这个是出射狭缝
那么如果说出射狭缝它的宽度是0.2毫米
那么光栅的倒线色散是每毫米2.7纳米
那么它的带宽
就是2.7乘0.2等于0.54纳米
也就是说狭缝宽度越小 分辨率就越高
或者是说它的光谱带宽就越小
但是仪器的分辨率和仪器的亮度乘积
因为是一个常数
所以你不可能无限地去减小这个狭缝的宽度
那么也就是说在光谱仪里面
分辨率和这个仪器的测量的这个光强
它实际上是有矛盾的
这里需要强调的是
就是这光谱带宽呢
它跟分辨率有关
但是它又不等于分辨率
因为光谱带宽只考虑了这个光谱的色散
并没有考虑这个光谱它的宽度
下面我们小结一下这节课的内容
这节课我们介绍的是与波长相关的指标
也就是光谱图的横轴
如光谱的测量范围
这里主要搞清楚的是什么是自由光谱区
那么波长的准确性和复现性呢
需要知道的是准确性
主要靠标定保证
而复现性体现了仪器的稳定性
温度变化 振动等
都会影响仪器的复现性
那么波长的分辨率又和什么有关呢
主要要考虑的是光谱的色散
和光谱的锐度
而光谱带宽与光栅的色散
和狭缝的宽度有关
有的时候为了增加能量
需要加大出缝的宽度
但是这个时候能量增加了
光谱带宽也展宽了
因此在色散的光谱仪中
能量和分辨率是一对不可调和的矛盾
上面说了与波长相关的指标
那么与能量相关的指标又有哪些呢
这个我们下节课再讲
这节课先到这儿 谢谢
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
