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光谱学术语和定义词汇表

光谱学术语和定义词汇表

光谱学术语与定义可以帮助大家理解那些在澳门美高梅光学的产品介绍与报告中经常提到的术语。但根据我们的经验,即使是相同的术语,在不同产品的描述和定义上也会有细微的差别。因此如果您希望贡献新的术语,或者对于定义有疑问的话,请发邮件到AsiaSales@oceanoptics.com来与我们联系。

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absorbance
吸光度
boxcar smoothing
平滑
autonulling
自动归零
chromaticity
色度
collimated
准直
baseline drift
基线漂移
baseline noise
基线噪声
baseline offset
基线回归
blaze wavelength
闪耀波长
cosine corrector
余弦校正器
countsdark current
暗电流
dark noise
暗噪声
dark spectrum
暗光谱
diffraction grating
衍射光栅
diffuse
色散
dynamic range
动态范围
electric dark correction
电子暗噪声校正
electronic noise
电子噪声
fixed pattern noise
固定图形噪声
fluorescence
荧光
fluorophore coating
荧光涂层
f-numberfull width at half maximun
半峰宽
integration time
积分时间
irradiance calibration
绝对辐射校准
noise
噪声
numerical aperture
数值孔径
optical resolution
光学分辨率
order sorting filters
消高阶衍射滤光片
PAR
光合有效辐射
photon noise
光子噪声
pixel well depth
像元阱深
quantum efficiency
量子效率
radiometry
辐射测量
raman
拉曼光谱
sensitivity
灵敏度
shot noise
散粒噪声
signal to noise ratio
信噪比
slit
狭缝
spectral sensor
光谱传感器
stray light
杂散光
triggering
触发
ultraviolet coating
紫外涂层


Absorbance

吸光度

吸光度(absorbance):是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数(即lg(I0/I1)),其中I0为入射光强,I1为透射光强,影响它的因素有溶剂、浓度、温度等等。

吸光系数与入射光的波长以及被光通过的物质有关,只要光的波长被固定下来,同一种物质,吸光系数就不变。

当一束光通过一个吸光物质(通常为溶液)时,溶质吸收了光能,光的强度减弱。吸光度就是用来衡量光被吸收程度的一个物理量。

吸光度用A表示。

A=abc,其中a吸光系数,单位L/(g·cm),b为光在样本中经过的距离(通常为比色皿的厚度),单位cm , c为溶液浓度,单位g/L

A=Ecl

影响吸光度的因数是b和c。a是与溶质有关的一个常量。此外,温度通过影响c,而影响A。

符号A,表示物质对光的吸收程度。lg(I0/I1)式中I0是通过均匀的液体介质的一束平行光的入射光的强度;It是透射光强度;T是透射比。A值越大,表示物质对光的吸收越大。根据比尔定律,吸光度与吸光物质的量浓度c成正比,以A对c作图,可得到光度分析的校准曲线。在多组分体系中,如果各组分的吸光质点彼此不发生作用,那么吸光度便等于各组分吸光度之和,这一规律称吸光度的加和性。据此可以进行多组分同时测定及某些化学反应平衡常数的测定。在吸光度测定中,为抵消吸收池对入射光的吸收、反射以及溶剂、试剂等对入射光的吸收、散射等因素,可选用双光束分光光度计,并选光学性质相同、厚度相等的吸收池分别盛待测溶液和参比溶液。

Autonulling

自动归零

自动归零是用来调整光谱仪的基线回归,对于特定的光谱仪,可以把基线回归到用户指定的水平。如果用户需要用两台不同的光谱仪测量同一个光源的时候,需要用到这个功能。这个功能可以把不同光谱仪的基线调整成可以互相比较的状态,这样不同的光谱仪输出的光谱图才有比较的可能性。

Background Spectrum

背景光谱

背景光谱是指没有样品存在的时,光谱仪输出的光谱。暗光谱不同的是,暗光谱代表在完全没有光存在的情况下的光谱图。

比如:在反射率测量的时候,用光纤连接的光源,但在室内光的环境下完成。在这种情况下,即使是测量纯黑的样品,室内光也会进入到入射光纤中。这时阻隔入射光纤将会阻隔所有光,连背景光谱都被计算在内,就导致了纯黑的样品同样显示有一些反射,因为周围室内光线会被当做由样品发出的。当提取背景光谱时,只有反射光线会被阻止进入光谱仪,在这种情况下,提取背景光谱时应该关掉光纤连接的光源,只考虑背景光。

作为对比,暗光谱是指在没有光进入到光谱仪,由检测器、电路、光学器件等导致检测器产生的信号。

Baseline Drift

基线漂移

光谱仪的基线漂移是因为温度改变导致的平均基线回归的整体偏差。随着温度的增加,暗噪声的影响将会增大。然而,取决于(不同)检测器,电子补偿可能会随着温度升高而增加,也可能会随着温度增加而减小。索尼ILX511B检测器就是一个很典型的基线随着温度增加而降低的实例,因为负电子补偿的影响掩盖了因暗噪声导致的基线小幅增加。理论上,温度的变化可能会在检测器上产生相同和相反的效果,因此不会产生基线漂移。

Baseline Noise

基线噪声

基线噪声是读出噪声、暗噪声和电子噪声的总和。基线噪声的规范是(通过以下步骤得到的),首先将光谱仪的积分时间设到最低(尽可能的减小暗噪声)进行测量,然后隔绝进入光谱仪的所有光线,记录下100次光谱数值。每个单一像素输出的标准差的平均值提供了设备的最小基线噪声。基线噪声并不是品质因数,但它可以用于计算动态范围。

Baseline Offset

基线回归(基线补偿

基线回归指的是在没有光入射的情况下,仪器显示的数值。这些数值对于检测器的每个像元略有不同。像元与像元之间回归差异的最终形状形成了固定图像噪声。基线回归有三个基本影响因素:电子补偿,暗电流和读出噪声。仪器的单个平均值可以通过平均检测器所有的基线回归计算出来。

Blaze Wavelength (of a diffraction grating)

衍射光栅的闪耀波长

对于刻划光栅(刻蚀光栅),闪耀波长是光栅效率曲线的峰值波长。刻蚀光栅的三角形凹槽的倾斜度是典型的用来调整提高特定波长下特定衍射级次的亮度。全息光栅是正弦凹槽结构,因此它没有刻划光栅的亮度高,但它比刻划光栅的散射光水平低,所以减小了杂散光。全息光栅没有闪耀波长。

Boxcar Smoothing

平滑

平滑是一种可以应用于光谱的空间平均。该过程通过平均相邻像素点的值来消除噪声,因此它会以牺牲光学分辨率为代价来提高信噪比。空间平均在光谱相对平坦以及相近像元变化较小的情况下使用是非常有效的,但由此产生是分辨率的损失会使得尖锐的光谱特征峰难以分辨。当应用空间平均时,信噪比会以像元平均的平方根为基数进行提高。请注意,在澳门美高梅光学软件中,平滑宽度的值是指所有像元以中间为基准靠左或靠右的像元和的平均数。平滑值是4实际上是将9个像元一起平均(4个靠左像元+1个中心像元+4个靠右像元),信噪比将以3为倍数增加。同样的,平滑值是2(5个像元)将使信噪比以2.2为倍数增加,平滑值是0(1个像元),信噪比以1为倍数增加(因此光谱不改变)。

Chromaticity

色度

澳门美高梅光学光谱仪可以测量样品的色度或颜色。色度是一个光度参数(匹配人眼的响应),通常用CIE标准坐标表示。人眼中有锥体细胞,它充当一个红,绿,蓝颜色传感器,你“看”到的每种颜色都是这些细胞综合响应的结果。同样的,光谱仪通过接收这些传感器(根据它的光谱输出)的光度响应来计算样品的颜色,使其最匹配我们所看到的颜色。光谱仪还可以进一步操作,通过量化所看到的样品的颜色,进而计算出以下参数:

相关色温(CCT)——当绝对黑体发射出光与样品颜色一致时,黑体的温度。与传统意义上的“冷光源、热光源”不同,光源如果发蓝光可以被表述为冷光源,如果偏红光可以被表述为暖光源,然而黑体从红光到黄光到白光到绿光变化时,温度却逐渐升高。一个有很高相关色温的蓝光LED看起来比一个有很低色温的红光LED更“冷”。

色彩饱和度——这是测量样品的颜色有多丰富。越白的样品,越接近色度图的中间,越比接近色度图边缘的样品有更少的“色彩饱和度”。这于饱和度不同。

主波长——在这个波长下,可以用一条直线从CIE颜色图表中的白色“中心点”穿过CIE样品坐标,打在CIE图表边缘上。主波长不一定是光谱最高峰的波长。

色度通常由下面的图表来说明,它包含了人眼能够感知的每一种色调。在图像的边缘(从底角顺时针移动),可见光波长依次增大。每一种可以看到的颜色都可以通过图像边缘的波长的颜色叠加而成。样品通常会给出CIE的xyz坐标(通过x-y图可以看出),尽管经常用L*a*b*图。

样品的感知颜色将随着入射光的变化而变化,因此在进行颜色反射率测量时,表述出你用来照射你的样品的光的信息是很重要的。

Collimated

(准直)

光进入样品中或光谱仪中可能是准直的,也可能是色散的。准直光是指只包含了平行入射光的光束,而色散光包含了多个入射方向。

有些技术(例如吸光度),入射光一定要是准直光,准直光穿透样品,并被另一侧的光谱仪捕捉到。在进行这样的测量时,为了确保澳门美高梅光学的光谱仪校准的准确性,准直透镜一定要与两根光纤相连,一根连接光源,一根连接光谱仪。

Cosine Corrector

余弦校正器

余弦校正器是一个通过光学散射方式捕捉180度视场角内光信号的部件。余弦校正器通常是和光纤配套使用,或者在特定情况下,直接和光谱仪的光纤连接在一起。在测量平面的辐射时,余弦校正器是非常需要的一个配件。

Counts

检测器的输出信号,根据光子数量转换成电子的输出信号

Dark Current

暗电流

暗电流是因为随机热波动提供足够的能量,提升电子穿过带隙,进而形成电子空穴对。电子空穴对被局部电场分隔开,自由电子储存在像元阱中。光谱仪没法从入射光子产生的电子中分辨出热波动产生的电子,因此在它们在光谱仪的光谱中表现为噪声。在给定温度下,电子空穴对的产生率被称作暗电流。散粒噪声导致暗电流的波动,从而形成暗噪声。因为暗电流是由连续产生的电子空穴对形成的,所以更长的积分时间将导致更多数量的形成暗电流所需的电子产生。CCD的热电冷却能显著降低暗电流和暗噪声,在实践中,高性能的光谱仪通常将温度冷却在暗电流在一次典型积分间隔中是微不足道的程度。用TEC制冷可以大幅度的减低暗电流。

Dark Noise

暗噪声

暗噪声是由于CCD的硅结构内热产生的电子 - 空穴对的数量的统计变化形成的。暗噪声与光子产生的信号无关,但与设备温度有很大的关系。在给定的CCD温度下,电子的产生率被称作暗电流。暗噪声是散粒噪声的一种形式,它与暗电流有直接关系,它的大小等于积分时间内电子产生的数量的平方根。CCD的热电冷却可以显著减小暗电流和暗噪声。在光谱仪中,在光子能是很低且暗噪声可以轻易掩盖有效信号时,热电冷却可以将暗电流减小到在整个积分间隔时间内可以不计的程度。

Dark Spectrum

暗光谱

暗光谱是指在没有光入射(无论是从样品发出,还是周围的环境光源发出的光都不存在)的情况下,光谱仪在给定积分时间内一系列的光谱的波长数值。暗光谱被用来校正基线回归和固定图形噪声。暗光谱在其他澳门美高梅光学文献中也被称作“暗信号”。值得注意的是,暗光谱不同于背景光谱,背景光谱代表了在没有参考光源时光谱仪的信号。

Diffraction Grating

衍射光栅

在光学中,衍射光栅是一个有周期条纹结构的光学元件,它可以使光发生衍射并在不同的方向上分成不同的光束。这些光束的方向取决于光栅的条纹间距和光的波长(对光谱学来说最重要)。在光谱仪中,光栅充当一个分光元件。总之,衍射光栅是一种由密集﹑等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件,分反射和透射两大类

Diffuse

色散

光进入样品或光谱仪时可能发生色散或准直。色散光包含了多个方向的光束,而准直光只包含平行入射的光束。

为了得到自由空间的测量,在光谱仪上连接一个澳门美高梅光谱色散仪配件。这可以捕捉180°视野范围的光纤。色散仪同样可以用来捕捉平面发出的光谱。(光谱仪配件,CC-3-UV-S,漫反射塑料片,使光谱仪可以捕捉180°的散射光,收集到的光符合朗博特性)

Dynamic Range (Single Acquisition/System)

动态范围

动态范围是指最大可检信号(接近饱和时)值除以最小可检信号 ,这可以认为是被光谱仪分解成的不同强度单元。最小可检信号定义为平均值等同于基线噪声的信号,这代表了信噪比为1。我们一般认为最弱信号是指3倍于噪声信号

单次信号采集的动态范围是指在最短的积分时间内得到最大可能的动态范围。整个系统的动态范围是指在最长的积分时间下最大信号与最小信号的比,乘以最长积分时间与最短积分时间的比

信号采集的动态范围=饱和状态下信号强度/最短积分时间下的基线噪声

系统的动态范围=(饱和状态下的信号强度/最长积分时间下的基线噪声)x(最长积分时间/最短积分时间)

Electric Dark Correction

电子暗噪声校正(电子暗噪声扣除)

电子暗噪声:由于不需要的像元素产生的噪声

光谱噪声:包含:电子暗噪声、由于光的不稳定性造成的噪声,

为了补偿随时间变化的回归基线产生的变化,澳门美高梅光学光谱仪都有一组有不参加光谱图的像元(这些像元接收不到光)。将这些暗像元的输出值作平均,并在电子暗噪声校正激活状态下从检测器中所有像元的输出值中减去。这会导致检测器所有像元总数的基线回归(没有光入射)读数下降到零左右,更重要的是,整个试验中任何可能产生的基线回归的变化都会被自动补偿。强烈推荐用电子暗噪声校正。

Electronic Noise

电子噪声

组成电子噪声的其中一种噪声是在A/D转换器的信号通道中产生的。这可能是由于设备中其他电子元件耦合的噪声,放大器噪声或A/D转换错误的结果导致的。这些早生转换完全相同的电荷并不一定得到完全相同的A/D转换结果。量化误差也是产生电子噪声的原因之一。

Fixed Pattern Noise

固定图形噪声(FPN)(固定型谱噪声)

每一个像元相当于一个单独的检测器,在相邻像元之间的基线回归和灵敏度可能稍有不同。这里灵敏度的不同被称作图片响应的非一致性(PRNU)。这会产生数据的非随机结构。它的影响可以通过在软件中减去暗光谱和进行照度定标来补偿。

Fluorescence

荧光

荧光是指吸收光和后来的发射光是两个不同的频率或波长。这通常出现在一个实验装置中,一种低波长带的入射光在一个方向上被吸收,另一种更高波长带的光在所有方向被发射出。在样品吸收紫外光(人眼不可见),发射可见光的时候,这种情况更加明显。

样品分子可以是激发电子,由于入射光子的影响而振动,通过加热周围样品而变成更低的振动状态,然后电子返回基态,发射比吸收的光子更低能量(更高波长)的光子。

荧光可以用于研究一些样品,因为荧光分子会吸收特定波长的光,发射另一种光。通过已知的入射光波长,根据样品发出的光谱可以鉴定出样品的组成。因为荧光发生在分子范畴(通常一种光子入射,一种光子发出),这是唯一一种可以鉴定单分子的光谱技术。另请参阅荧光测量技术。

Fluorophore Coating

荧光涂层

荧光粉涂层是应用在检测器上用来提高紫外波段的灵敏性。这种涂层能够发射出被检测器紫外末端的像元识别的更低频率的光子。参考紫外涂层。

F-number

F-number是光学组件的直径和它的焦距之间的比值,这和数值孔径是有关系的。比如:在很多澳门美高梅的光谱仪上,准直镜是F/4(有时候会写成:4或者-4)。这意味着焦距是准直镜的直径的4倍。一个光学组件的F-number越小,它越容易收集到光,但是比F-number大的部件更容易收到像差的影响。在所有光学系统中,有效F-number是光学系统的最大F-number决定的。

Full Width at Half Maximum (FWHM)

半峰宽

在分析图表中的光谱峰时,半峰宽(FWHM)是一个描述波峰的形状和总值的有效方式。半峰宽是由波峰强度为峰值最大值一半处的两边两个最大值的波长差计算得到的。它不但能测量波峰高度,也可以测量波峰宽度。同样的,四分钟一峰宽(FWQM)也可以用来描述波峰的传播。

此外半峰宽也可以用来表示光谱仪的分辨率,它与光栅的波长范围、检测器的像素数、狭缝宽度都有关系。

半峰宽是值强度为峰值最大值一半处的波长差,同时半峰宽也是光谱仪分辨率的表征,它跟光栅的光谱范围、检测器的像素数量以及狭缝的宽度都有关系。详细可参考光谱分辨率

Integration Time

积分时间

积分时间是检测器在将累积的电荷通过A/D转换器加工之前,被允许收集光子的时间长度。最小积分时间是设备支持的最短积分时间,它取决于检测器读出所有像素信息的快慢,积分时间与数据传输速度是不同的概念。

Absolute (Spectral) Irradiance Calibration

(绝对辐射校准)

绝对辐照度校准是指用一台已知光谱输出功率的灯来校准光谱仪每个像元下的响应强度。绝对辐射校准改变了整个光谱的形状和大小,校正了仪器的单个仪器响应函数(IRF)。通过绝对辐射校准后的光谱的单位是单位面积单位波长的功率输出,通常单位表达为W/cm2*nm。请注意,绝对辐照度不是这个量值的技术性的正确术语,这个量值是依赖波长的,它的正确术语应该是绝对光谱辐照度。

Noise

噪声

噪声是一个通用术语,描述的是所有在光谱仪中不期望出现的信号。它可能是经常随着光谱信号出现的信号,也可能是不经常出现的光谱信号。它的来源主要有以下几种:

  • 暗噪声:热效应引起的噪声。由于检测其中的热效应而产生的电子引起的噪声,而不是因为入射光产生的信号,一般随着温度的上升而增加,可以用TEC计数降低。
  • 光子噪声:在既定时间内,光子撞击到检测器时,由于统计学误差引起的噪声,当入射光增强是,光子噪声增强。
  • 电子噪声:由A/D转换器和电路板的错误而产生电子,被光谱仪误以为是信号的噪声。
  • 偏差:由于不同光学器件造成的在不同波长上的的聚焦偏差。
  • 杂散光:光由于反射、衍射、折射而出现在检测器上不应该出现的位置产生的噪声。是系统噪声的一种。
  • 硬件的不完善和瑕疵:像素坏点或者在聚焦镜上的划痕都可能造成光谱噪声。
  • 读出噪声:由于读出像元的累积电荷而产生的噪声,这个噪声是由于检测器的读出过程产生的,首要影响因素是前置放大器。

一般情况下,噪声可以通过一些光谱学平均算法和控制设备温度来减弱。

Numerical Aperture (NA)

数值孔径

光学元件(比如透镜或光纤)的数值孔径是一个无单位的量,它描述了光学元件可以发射和接收光的角度范围。比如:一个有很高数值孔径的光纤,具有更大的接收入射光的锥形接受角。所有的澳门美高梅光学标准玻璃光纤电缆的数值孔径都为0.22,在空气端产生12.7°的接受角。在任何复合的光学系统中有效数值孔径都是由光学系统中最小的数值孔径决定的。对于透镜和反射镜,一个与数值孔径有关的量,称作F数,也可以用来描述入射光的锥形接受角。

数值孔径=接受角的正弦值

澳门美高梅光学的光纤的数值孔径是0.22,跟光谱仪相匹配,发散角(接受角)是25.2度,可以根据这个角度计算,照射时光斑的大小,或者被测物的距离、可观测尺寸等信息。

Optical Resolution

光学分辨率

光谱仪的光学分辨率是指测量曲线的半峰宽(FWHM),它是由光栅刻线密度和入射光口径(光纤或狭缝)决定的。光分辨率随着光栅刻线密度的增大而增大,但是增加光栅刻线密度的同时,光谱范围会随之降低。光分辨率同样随着狭缝宽度或光纤直径的减少而增大,但减少狭缝宽度或者光纤芯径的同时,信号强度会降低。光分辨率通过下面的公式计算出来:

OR = SR/n x PR

OR=光谱仪的光分辨率(单位:nm)

SR=光栅分光范围(单位:nm)

n=检测器原件的数量(单位:像素)

PR=光谱仪和狭缝的像素分辨率(单位:像素)

这个比值澳门美高梅光学称之为色散,单位是:纳米/像素。这个数值对检测器和光栅的结合是很重要的。

Order Sorting Filters

消高阶衍射滤光片

这类滤光片用于检测器的窗口上,其作用是消除二级和三级衍射效应。这种设计可以消除较低波长的光撞击到应该接受较高波长光的检测器的位置。比如,如果没有这种滤光片,253.652nm波长的汞灯光源的光将会同时出现在检测器的253.653nm和507.304nm波长处。

PAR 光合有效辐射

光合有效辐射是测量被一偏平原吸收、并且作用于光合作用的入射光的总量。因此在农业研究中,它是一个非常有用的参数。

光合作用是一个量子过程:被叶绿素吸收的光子的数量(不是能量)决定光合作用化学反应的速率(被吸收的400nm波长的光子与500nm的光子具有相同的效率,多余的能量被当做热量散发)

PAR是指在单位时间内射入单位面积的,在400-700nm波长范围内的光子的总数。因此,我们假设在这个波长范围内所有光子具有相同的效率,在这个范围外的光子没有效率。更重要的似乎PAR不会提供任何有关吸收效率的问题,仅仅是潜在的,有用的光子的数量。它是一个“宽带数量”而不是光谱。一个PAR度数将会提供经过计算的落在给定地点的光谱图内的所有有效光子的数量。

PAR的单位是μmol.s-1.m-2。在各个波长的光子数量是通过分隔在各个波长的光的能量计算的。

Photometry

光度测量(包含:绝对辐射、相对辐射)

光度测量是通过人眼来诠释对光的研究和分析。因此它是辐射测量的范畴。可见光谱不同部分的亮度根据人眼的感知亮度(响应功能)来校准匹配。测量方式分为绝对辐射测量和相对辐射测量。

Photon Noise

光子噪声

光子噪声是散粒噪声的一种类型,它是由于CCD中光子到达率的固有统计变化引起的。光子到达检测器的时间间隔符合柏松分布,因此光子噪声等于入射光子数的平方根。当光子信号很小时,光子噪声相较于光子信号是很大的,导致系统的信噪比降低。由于它们不同的增长速率,然而,当光子信号数量变得很大时光子噪声相对于光子信号就变得不那么重要了。尽管随着更多的光撞击检测器时,光子噪声的数量在增多,光子信号会以更大的比率增加,从而导致信噪比增大。要注意很重要的一点,在小信号水平时,暗噪声是主要的噪声源,但在大信号水平时,光子噪声占主导。通常,术语“散粒噪声”经常被用来代替光子噪声。

Pixel Well Depth

像元(像素)阱深

检测器中每个像元可以储存的电子的最大数目叫做阱深。像元阱深决定了可用于像元单次读出结果或能接收的最大信号。CCD的动态范围也与阱深刚好成正比。入射光的强度和积分时间决定了每一个像元采集电子的数目。如果入射光产生的电子超出了像元阱深所能承受的范围,像元就会饱和。在测量过程中一定不要让光谱仪出现饱和(甚至没有被用到的任何一段光谱 即使光谱的一部分没有被使用),因为这会影响光谱的其余部分。

Quantum Efficiency

量子效率

量子效率是衡量检测器能够响应入射光子产生电子的能力。更高的量子效率值意味着检测器更灵敏。检测器的灵敏度对不同波长的入射光有所不同,所以量子效率最好用曲线表示,而不是用单个量子效率值表示。对于光谱仪,量子效率并不是一个品质因数性能系数,因为它只是决定光谱仪整体性能的其中一个指标。

Radiometry

辐射测量

辐射测量是研究电磁辐射的科学,包括可见波普。它的含义是电磁波谱中的能量分布,与光度测量不同,光度测量定义了人眼能够看到了可见光的接收强度。

Raman 拉曼光谱

光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分,非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为拉曼效应。拉曼效应是光子与光学支声子相互作用的结果。

拉曼光谱-原理 拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动,因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了拉曼效应:

设散射物分子原来处于基电子态,振动能级如图所示。当受到入射光照射时,激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收,表述为电子跃迁到虚态(Virtual state),虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光,即为散射光。设仍回到初始的电子态,则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线,也有与入射光频率不同的谱线,前者称为瑞利线,后者称为拉曼线。在拉曼线中,又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线,而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。

附加频率值与振动能级有关的称作大拉曼位移,与同一振动能级内的转动能级有关的称作小拉曼位移:

大拉曼位移:(为振动能级带频率)

小拉曼位移:(其中B为转动常数)

简单推导小拉曼位移:利用转动常数

Sensitivity

灵敏度

光谱仪的灵敏度是一个衡量可见光输入与光谱输出关系的参数,可以在澳门美高梅光学软件中看到这个参数。

检测器灵敏度,不是指光谱仪灵敏度,通常是可以通过以下两种方法表示的:

1.单位入射辐射功率(单位:瓦)的输出电流(单位:安)

灵敏度可以由在给定辐射功率的发光光源条件下,检测器输出的电流值来确定。这种方法测得的单位通常是A/W(这经常作为检测器的响应率,见NEP)。当灵敏度被表达成A/W时,检测器的量子效率和灵敏度由以下公式得出:

QE = Sx1240/λ x 100 (%),这里λ是波长,单位是nm。

2.单位入射曝光量(单位:lux.s)的输出电压(单位:V)

灵敏度也可以由在一定大小的曝光量下,检测器的输出电压值来确定。通常这种方法测得的灵敏度单位是V/lux.s。

3、灵敏度可以表示成生成每隔count时需要的入射光的光子数量。澳门美高梅光学说明书通常显示在特定波长下(通常在400nm和600nm)counts(计数值)(在OceanView 或SpectraSuite软件中y-轴的数值)与入射光子数量的比值。这个定义是最有用的定义,因为它直接反应了用户在澳门美高梅光学软件上看到的结果。

Shot Noise

散粒噪声

散粒噪声是统计产生的变化,它存在于任何离散的随机系统中。与光谱仪有关的散粒噪声的类型有光子噪声和暗噪声。

Signal to Noise Ratio

信噪比

信噪比(SNR)的定义是,在一个特定的信号水平,信号强度与噪声强度的比值——因此它会随着测量不同而有所不同。由于光子噪声的原因,噪声通常以信号函数的形式增长,信噪比函数实际上是单个信噪比值与它们获得的该信号的曲线图。澳门美高梅光学数据表中记载的光谱仪信噪比值是最大可能的信噪比值(在检测器饱和状态下获得)。假设每一个像元的信噪比响应曲线都相同。

具体测量如下:当挑选好光源,以便在最低的积分时间或积分时间远低于热噪声限制的积分时间内使光谱峰值饱和(光谱仍需要有低于0 counts(计数值)或其左右的区域);想要计算信噪比,需要取100个没有光入射的扫描,计算出每个像元的平均基线值,再取100个有光入射的扫描,计算出每个像元输出值的平均值和标准差;然后信噪比由以下公式给出:

SNRρ = (S – D)/σρ

这里

SNR=信噪比

S=样品的平均光谱响应强度(有光入射)

D=暗光谱的平均值(没有光入射)

σ=样品的标准差(有入射光)

ρ=像元数量

想要获得完整的信噪比与信号图,画出计算得到的SNRρ值(噪声)和Sρ – Dρ值(信号)。这将涵盖了一个很宽的峰值范围(从光谱暗状态到近乎饱和)。因为所有的像元都有相同的响应曲线,所以信噪比和信号图的数据可以来自不同的像元。因为在信号大值的时候,光子噪声是主要的噪声来源,故理想的光谱图应该与y = √x的图形相似。

请注意,应用不同类型的信号平均方法可以提高信噪比。在基于时间的信号平均时,信噪比将以光谱扫描次数的平方根增加。举例说明,信噪比为300:1,如果将100次扫描取平均时,信噪比会变成3000:1。在基于空间的信号平均时,信噪比将以取平均的像元数量的平方根增加。

虽然这些方法对于获得精确数据是有用的,但它会混淆不同光谱仪的比较。澳门美高梅光学给出了所有光谱仪的没有通过信号平均方法获得提升的信噪比值。我们的一些竞争对手利用信号平均的方法,人为的提高一些质量较差的光谱仪的信噪比。

Slit

狭缝

狭缝的宽度与光学分辨率有关,宽度越小,分辨率越大,但是进入光谱仪的光线越少,灵敏度也就越低。大多数澳门美高梅的设备:狭缝高度为1000微米,宽度从5微米到200微米。对于没有狭缝的光谱仪来说,光线的直径限制了进入光谱仪的光量,所以,光纤直径起到了狭缝的作用.

Spectral sensor

光谱传感器

光谱传感器是澳门美高梅光学产品系列中的新增产品。这类产品是微型光谱仪设备,并且有单独的配件产品线。第一款产品是SPARK-VIS。

这类产品在设计之初就为了这些目的:批量生产、低成本、小体积。SPARK-VIS是我们最低成本的光谱仪,并且精简版本是最轻的光谱设备,仅重1克。

在工作原理方面,光谱传感器与其他光谱仪不同,它用的不是光栅,用的是固态光学组件,这是澳门美高梅光学的系技术。这个传感器用于定性和定量测量。

Stray Light

杂散光

杂散光是指光意外落在检测器上的任意位置,并导致错误的读数。检测器可能无法区分出落在一个像元上的多个波长,它只能简单的测量出入射光的强度;因此当光照在检测器错误的对应波长处,检测器就会错误的输出这个波长处的读数。这种杂散光是典型的通过一个特定光源发出,但经过光谱仪分光后照在检测器错误的位置,或者也可能完全由两个不同的光源发出。这些光经常会导致系统的动态范围中出现一个有效工作范围,这会限制系统的暗程度进而降低系统信噪比。颜色或吸光度的绝对值可能会受杂散光的影响。这里有一些杂散光的典型光源:

2阶和3阶衍射

衍射光栅的缺陷

光谱仪的内部反射

光谱仪外壳漏光(外界光进入到光谱仪)(

标准:用标准滤光片或者标准溶液)

Triggering 触发

触发是许多澳门美高梅光学的光谱仪可以应用的一个特点,跟一般的光谱过程有关。第一类:一个采样系统之外的事件(按键或者脉冲激光)可以触发光谱仪,使光谱仪开始数据采集过程。这种触发是澳门美高梅光学的“外部触发”。另一种触发是光谱仪引入一个外部设备(比如灯)去指示光谱仪立即采集数据。这被称为是“外部事件触发”。

下面是应用在澳门美高梅光学光谱仪上的五种触发模式:

1、外部硬件边缘触发

光谱仪设定积分时间。当触发器的输入针脚上有一个尖锐的电压上升的信号时,光谱仪开始采集信号。这种触发是每当一个信号产生,光谱仪开始采集一个光谱信号(如果设定了多个采集过程)。当你使用一个脉冲激发信号或者光源、当你在做激光致荧光或磷光、当你想要你的采集过程与外部信号同步时,你可以用这种触发模式

2、外部硬件水平触发

光谱仪设置积分时间,当光谱仪接收到触发器电压信号时,开始采集数据,当信号消失时结束采集光谱数据。当你需要一个连续采集谱图时(在特殊情况下),比如样品达到某种特殊的,你想要测量的状态时,你可以用这种方式触发。

3、外部软件触发

积分时间在软件中设定。当软件接收到触发信号时,传输一个数据采集系统的光谱,并且触发发生在这个过程中。当你应用一个连续指示光源,并且光源的强度在触发前,触发过程中,处罚之后是连续变化的,你可以用这种触发模式。

4、外部同步触发

光谱仪在接收到外部信号后开始采集数据,当再次接受到信号后结束采集数据。在第二次接收到信号时,结束第一次采集,同时开始此二次采集数据。这种情况下,不用设置积分时间,因为触发器可以启动开始或者停止。当你必须要你的光谱扫描和外部信号同步时,当你用一个内部放大器或者用斩波器时,你可以用这种触发模式

5、正常/随机/连续

光谱仪连续采集数据,当没有任何外部需求时,可以使用。

Ultraviolet Coating

紫外涂层

在硅型CCD检测器中,量子效率在450nm以下显著降低,在400nm以下降到零附近。对于要求在紫外范围有响应的光谱仪,在检测器低波长的部分涂覆了能够增大紫外性能的材料。这种材料被称作荧光剂,(引起荧光效应)并且它能响应检测器的紫外端的像元上的紫外曝光(发射可见光,对在检测器紫外末端的像元上的紫外曝光进行相应。),发射出可见光并产生荧光。因为检测器在可见光波段对光子有很高的敏感度,发射出的光子会被检测器立即捕捉,并被软件当作紫外光进行处理。澳门美高梅光学所用的紫外涂层的性能不会因时间的推移而显著降低。另一种提高光谱仪紫外性能的方法是用背照薄型检测器。

光纤光谱仪