当前课程知识点：光电仪器设计 > 第5章 光谱仪 > 5.2 与能量相关的指标 > 5.2 与能量相关的指标
大家好 为了画光谱图
需要有横轴波长和纵轴能量
下面我们来讨论与能量相关的指标
同样能量方面的指标
也包括了测量范围和测量精度
首先是吸光度范围
吸光度范围说白了就是
在给定的波长下
由于被测物体的引入
导致能量发生了变化
当然还有它的准确性和复现性
或者说它的基线稳定性
这里也是一个非常重要的指标
再有就是检出限
检出限类似我们说的分辨率
它和什么有关呢
比如它和光栅的衍射效率有关
比如说对于紫外光来说
因为紫外光比较弱
那么我们需要设计光栅
让紫外波长闪耀
这时候呢
光栅对紫外光就有很高的衍射效率了
再有一个是F数
这个F数和我们照相机的光圈很类似
如果需要通光口径比较大
那么就可以进入更多的光
还有是杂散光
杂散光是光谱仪里头非常重要的指标
它直接影响了检出限
下面我们来分别看这些指标
先看什么是吸光度
吸光度的定义是入射光强和出射光强
之比取对数
它实际是和光程b有关的
下面我们来介绍一下吸光度范围
吸光度范围是光谱仪的动态范围
它是指仪器可以测量到的
最高吸光度与最低的检出限
所检出到的吸光度之比
比如说我们有这么一个不同波长
亮暗不同的物体
那么它的吸光度是什么样呢
在很黑的地方它全都是噪声
那么在很亮的地方它又饱和了
那么只有这个线性范围是可以测量到的
那么也就是说如果吸光度范围大
那么它可检测到的样品的线性范围也就大
吸光度范围取决于什么呢
它取决于分光元件和探测器的性能
它的下限受杂散光 探测器的噪声
这些因素的影响
那么它的上限受探测器饱和影响
我们下面来看吸光度的准确性
同样吸光度的准确性
它也是要跟标准物质进行比对的
也就是说我这个标准物质
它经过了多大的光以后
它的吸光度是多少
所以这个准确性是需要进行标定的
那么吸光度的重复性是什么呢
重复性是多次测量最大值与最小值之差
这里面至少需要测量三次
那么还有一些指标
比如说吸光度噪声
它体现的是仪器的稳定性
它也是这个仪器的重要指标之一
那么我们现在来看
影响检出限都有哪些因素呢
一个是光栅的衍射效率
那么实际上我们先来说检出限
检出限它是仪器最大能检出的能力
那么它测量是以吸光度为单位的标准偏差
这个是它的检出限的定义
那么如果要是光栅衍射效率高
通过光栅损失的能量就会很少
那么这个时候检出限就会低一些
比如说这是一个闪耀光栅
它对某个波长闪耀
什么叫对某个波长闪耀呢
也就是说这个波长的光入射到光栅上
那么这个光栅的衍射效率
对这个波长是会比较高的
那么对其他波长可能就不那么高了
那么也就是说光栅的衍射效率
它是影响检出限的原因之一
那么还有之二呢
之二是F数
F数实际上定义的是分光元件的焦距
和等效直径的比值
也就是像我们照相的时候
用的相机的光圈似的
那么你这个光圈越大
那么这个时候聚集到的光能也就越大
它亮度也就越亮
但是这个时候像差就会越大
那么如果要是F数大
也就是说的它这个光圈比较小
那么这个时候亮度就会比较低
但是相对来讲
它像差也比较小
所以实际上这个F数它反映的是
仪器的集光本领
因此一般来讲
要权衡仪器的检出限
与光谱分辨率的矛盾
也就是说我们既要考虑像差
也要考虑能量
那么影响检出限的第三个因素是杂散光
杂散光怎么定义呢
杂散光是说除了要求的分析光以外
其他到达探测器的光的总和
那么我分析的光我要这个光
我不分析我就不希望有这些光
那这些光就是杂散光
杂散光的表述就是说
用这个IS除以I这样来表述
那么杂散光实际上它是影响了
仪器的噪声 基线和光谱的稳定性
如果我们看一下杂散光分类
它可以有光栅的杂散光
也可以有仪器的杂散光
那么实际上比如说做光栅的人
他给你提供了一块光栅
那么做仪器的人说
不行 我这个仪器的杂散光太大了
都是你光栅导致的
那么做光栅的人可能就会不愿意了
因为我做的光栅
我杂散光没有那么大
可能都是你仪器导致的
这时候可能就会说不清楚了
那么我们来看一下
这个光栅的杂散光和仪器的杂散光
都是怎么测量的
那么我们先大概宏观地来看一下光栅
这是两块光栅
左边的看起来这个线条比较粗糙
右边的看起来比较平滑
这都是在扫描电镜下观察到的
光栅的栅线
那么右边的杂散光就会比较小
如果我们在显微镜下看
那左边的看到也是麻麻点点的
右边看着平平的
所以右边的杂散光也比较小
下面我们再来看光点
你看左边的在亮的光点周围
有很多小弱的光点
那么这个也就是说它的杂散光
但是右边就没有了这些
所以直观地看光栅的杂散光
我们是能看出来的
那么怎么定量地测量光栅的杂散光呢
测量光栅的杂散光呢
实际上并没有一个统一的方法
每个厂家可能有每个厂家
自己测量杂散光的方式
那么我这里介绍的实际上是
一个日本岛津公司
他们提出来的测量杂散光的方案
因为他们做这种
低杂散光的光栅做得比较多
那么比如说他这样考虑
就是入射光经过扩束以后
入射到光栅上
那么它有1级衍射和0级衍射
那么在1级衍射和0级衍射之间
应该是没有光的
如果我在这儿测着了光
那这个光就是杂散光
那这时候我把测着的这个光和入射光相比
就得到了杂散光
还有另外一种方式
另外一种方式是这样的
就是说让一个细光束的激光
它入射到光栅上
那么它有1级衍射和0级衍射
那么这个时候1级衍射
它实际上并不是纯纯地在同一个方向的
它可能也不同方向有一些小光点
就像我们看到的这样
周围有很多光点
那么这光点实际上就是杂散光
我们想把这个光点给测出来
那么这个时候可能我们会拿一个屏
去遮挡这个主瓣
先把这个光点测出来
然后再把这个主瓣测出来
那么给它进行归一化
然后就得到了杂散光
这个是光栅的杂散光的测量
对仪器的杂散光该怎么测呢
这个实际上是有标准的
比如说我有一束波长为220纳米的光
入射到这个光谱仪上
那么这时候它的衍射光被探测器探测到
这是I
但是如果我在衍射光的光路里头
放了一个溶液
这个溶液呢
它对这个220纳米的光是吸收的
也就是说它应该把这个
220纳米的衍射光全都给吸收了
那么我在探测的时候
应该是探测不到任何光的
但是如果我探测到了光
那个光实际上就是杂散光了
那么这个时候我用右边的这个光路
探测到的光IS
除以左边这个光路直接测量到的光I
这就是一个杂散光的表示
一般对于仪器来说
它要求杂散光是小于0.05%的
下面我们小结一下这节课的内容
这节课我们介绍的主要是
与光谱仪能量相关的指标
也就是光谱图的纵轴
首先是吸光度的范围
吸光度的最小范围受杂散光
和探测器噪声影响
而最大范围受探测器的饱和限制
吸光度的准确性主要是受标定误差的影响
而吸光度的重复性
或者是说基线稳定性
则很大程度上
与仪器的噪声有关
那么检出限
影响检出限的有光栅的衍射效率
仪器的F数 还有杂散光
那么杂散光也分为光栅的杂散光
和仪器的杂散光
我们这里介绍了它们的定义和测量方法
那么光谱仪的形式有哪些呢
我们下节课再讲
这节课就到这儿 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
