什么是阵列式光谱仪

 
光谱仪是一种用于检测电磁谱中特定区域的光特性的仪器。它收集光，然后将其进行光谱色散，最后将光信号重构像为一系列的单色影像，从而对其进行检测。
    如下图所示，一个典型的阵列式光谱仪包括以下几个主要部分：

      1. 入射狭缝: 将入射的光学信号构建成一个明确的物像;
      2. 准直部分: 使光学信号的光线平行。该准直器可以为透镜、反射镜、或色散元件的部分功能，如在凹面光栅光谱仪中的凹面光栅的部分功能;
      3. 色散部分: 通常采用光栅，将平行光在空间上进行色散;
      4. 聚焦部分: 收集色散的光学信号，使得大部分入射狭缝的单色影像聚焦于焦平面;
     5.  阵列检测器: 放置于焦平面，从而检测大部分单色影像的光强度。该检测器可以是CCD阵列或其它的光检测阵列。

一个光谱仪的性能可以用以下六个参数来体现：
  1. 光谱覆盖范围: 光信号能被光谱仪检测到的波长范围
  2. 光谱分辨率: 能被光谱仪分辨开的最小的波长差值。
  3. 灵敏度: 能被光谱仪检测到的最小的光能量
  4. 动态范围: 可被光谱仪测量到的最大与最小光能量的比值
  5. 信噪比: 光谱仪的信号能量水平与噪声水平的比值
  6.光谱获取速度: 在一定的入射光能量水平下，光谱仪产生可测量到的信号并获得谱图所需的时间
  对于阵列式光谱仪来说，这六个参数是密切相关，互相影响的

光谱覆盖范围
光谱覆盖范围(DeltaLambda,DL)与光谱仪的有效焦距、衍射光栅的刻线数(groove/mm,g)、检测器的宽度(W_d)密切相关。其计算公式为：DL = W_d × 10⁶× cos(B)/(k×g×F), 其中k是衍射光栅的衍射级数, B是衍射光栅的衍射角，F为光谱仪聚焦部分的焦距。从公式可以看出，光谱仪的光谱覆盖范围与光谱仪的有效焦距和光栅刻线数(groove/mm, g)成反比，与光谱仪检测器的长度成正比。另外，光谱覆盖范围的中心波长的选择对光谱覆盖范围也有一定的影响。
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光谱分辨率
阵列光谱仪的光谱分辨率与光谱仪的光谱覆盖范围、狭缝宽度、检测器的像元宽度及像元数密切相关。其计算公式为:
R= (DL/n) × (W_s/W_d)> × RF
其中DL为光谱覆盖范围，n为检测器像元数， DL/n 表示了每个像素点所接收的波长范围，因此常称为像素分辨率。 W_s为狭缝宽度，W_d为检测器宽度，RF为分辨率因子，由W_s与W_d的比值决定。
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灵敏度
光谱仪的灵敏度取决于光谱仪的光通量与检测器的光感应灵敏度。光谱仪的光通量大小可通过光谱仪的f#来体现，f#越大，其光通量越小，f#越小，其光通量越大。另外光通量与光谱仪的狭缝成正比，狭缝越大，光通量越大，狭缝越小，光通量越小。而检测器的光感应灵敏度与其材料特性和电子结构相关。
注：有些非科学级器件相对科学级器件来说，其量子阱更浅，这使得它与量阱更深的科学级器件相比，能在更短的时间内达到饱和，从而使人们误以为其具有更好的灵敏度。
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动态范围
检测器阵列的动态范围常常用来作为衡量光谱仪性能规格的参考。一般来说，检测器的动态范围越大，其所检测的光强度范围越大，光谱仪的信噪比与稳定性也就相对更好。
注:不同的器件制造厂家具有对动态范围具有不同的定义。对于非科学级浅量阱的器件来说，常常使用饱和信号与暗噪声信号的比值来定义。对于科学级器件来说，则常常采用量阱深度与读出噪声的比值来定义。比值越大，动态范围越高，因此光谱仪性能也就越好。
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信噪比
信噪比是测得的信号与叠加在信号上的噪声的比值。信噪比与光谱仪的检测器性能、电路噪声和光路杂散光相关。对于实际应用来说，光谱仪的信噪比越高，其测量值的偏差就越小。而且测量的检测限也与信噪比直接相关。一般来说，测量的检测限就定义为在信噪比为3时可成功测量到的信号水平。
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光谱获取速度
 光谱获取速度与光谱仪的灵敏度、光谱仪的读出速度及PC接口速度成正比。光谱仪的读出速度主要与光谱仪内置A/D转换器相关，而PC接口速度是限制光谱获取速度的一个重要因素，一般来说，采用USB2.0接口最快可达到100张谱图/秒的获取速度，而RS232接口最多只能达到2张谱图/秒的速度(以上速度是基于最短积分时间的基础上)
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阵列式光谱仪三大核心部分

一般来说，阵列式光谱仪主要有三大核心部分，决定了光谱仪的主要性能指标:
1.入射狭缝
2. 衍射光栅
3. 检测器