光譜儀究其實(shí)質(zhì)是一個(gè)“分光”儀器，現(xiàn)在有幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)分光功能。主流的方式是用光柵作為色散部件，將不同波長(zhǎng)的光在空間上分開(kāi)，用陣列探測(cè)器接收并輸出光譜。另一種方式是用干涉儀調(diào)制入射光，用單元探測(cè)器接收被調(diào)制了的光，并輸出光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線，再用傅里葉變換還原光譜，這就是傅里葉光譜儀。

　　由于在UV-VIS-NIR波段，硅CCD, CMOS陣列的工藝成熟，性?xún)r(jià)比好，再加上無(wú)移動(dòng)部件，可靠性好，因此，幾乎無(wú)一例外地使用光柵色散，陣列探測(cè)器檢測(cè)的方式。只是在波長(zhǎng)大于900nm的近紅外波段，硅材料實(shí)在無(wú)法勝任，才采用InGaAs線列探測(cè)器，但是，至少在現(xiàn)階段InGaAs線列探測(cè)器還是太貴，于是才有人嘗試采用傅里葉光譜技術(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵技術(shù)，美國(guó)德州儀器公司的DLP(Digital Light Procession)技術(shù)，其核心是用MEMS技術(shù)制造一個(gè)微鏡陳列，可以用集成電路芯片組驅(qū)動(dòng)每一個(gè)微鏡的方向，這樣就可以用單元InGaAs探測(cè)器，使近紅外波段的微型光譜儀成本下降。另一種思路是怎么把光譜儀做得更小，更便宜，干脆不用光柵分光，雖然性能不一定那么好，但是對(duì)于有些應(yīng)用也許就足夠了，這基本上就是用濾光片加線列探測(cè)器的方法。

　　就采用光柵分光技術(shù)的微型光譜儀而言，其性能主要決定于三個(gè)方面，光學(xué)設(shè)計(jì)，光柵的選擇，探測(cè)器的選用。

　　光學(xué)設(shè)計(jì)又與采用的光柵種類(lèi)有關(guān)，現(xiàn)用的光柵有反射光柵和透射全息光柵兩大類(lèi)，采用不同光柵的光譜儀光學(xué)設(shè)計(jì)方案有所不同。現(xiàn)在的主流是反射光柵，這是由于制造工藝相對(duì)成熟，因此價(jià)格也相對(duì)低一些的原因，采用反射光柵，又要做得體積小，采用折疊光路的設(shè)計(jì)就很自然了，因此，交叉光路Czerny-Turner 結(jié)構(gòu)(Crossed Czerny-Turner)成為市場(chǎng)最流行的設(shè)計(jì);另一類(lèi)是透射全息光柵，它的主要優(yōu)點(diǎn)是光柵效率高，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的光通量大，對(duì)于一些測(cè)量比較微弱的光的應(yīng)用，或者快速動(dòng)態(tài)過(guò)程分析，不允許長(zhǎng)的積分時(shí)間，就傾向于選擇透射光柵，當(dāng)然，價(jià)格相對(duì)會(huì)貴一些。

　　以下我們就分析典型的交叉光路的Czerny-Turner 結(jié)構(gòu)光譜儀(如圖所示)。

圖 典型的交叉光路Czerny-Turner光譜儀結(jié)構(gòu)。1為SMA 905接頭，2為入射狹縫，3為長(zhǎng)通濾光片(可選)，4為準(zhǔn)直反射鏡，5為反射光柵，6為匯聚反射鏡，7為柱形匯聚透鏡(可選)，8陣列探測(cè)器，9為線性可變?yōu)V光片阻擋高階衍射光進(jìn)入探測(cè)器，10為探測(cè)器的石英玻璃窗口，取代普通BK7玻璃窗口，用于工作在小于340nm的紫外波段光譜儀(可選)

　　-用光纖將待測(cè)光束通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMA905接頭接入光譜儀。

　　-待測(cè)光束通過(guò)狹縫進(jìn)入光譜儀，狹縫就是成像系統(tǒng)中的“物”，通常為矩形，根據(jù)應(yīng)用的要求，狹縫的寬度可選，較寬的狹縫允許更多的光子進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，即系統(tǒng)的光通量較大，但這是以損失分辨率為代價(jià)。典型的狹縫寬度在5um-200um之間，高度為1mm。

　　-從狹縫出射的光是發(fā)散的，我們希望入射光束的傳播方向是可控的，不要散射到不該去的地方，導(dǎo)致雜散光太大，通過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)部件，通常是反射鏡，將其變?yōu)槠叫泄馐?p>　　-光柵作為色散元件：這是對(duì)光譜儀性能有決定性影響的元件，不同波長(zhǎng)的光被衍射到空間不同的方向。光柵的參數(shù)包括刻線密度，閃耀角度等，都會(huì)影響到光譜儀的性能指標(biāo)，包括分辨率，波長(zhǎng)范圍，光柵效率曲線等。

　　-反射鏡作為光束匯聚器件，將光柵分光后不同波長(zhǎng)狹縫的“像”匯聚到陣列探測(cè)器不同的像元上。每個(gè)像元會(huì)接收到波長(zhǎng)范圍很窄的光子(15 nm to 0.02 nm，取決于光譜儀的結(jié)構(gòu))

　　眾所周知，狹縫的寬度會(huì)影響到光譜儀的分辨率和響應(yīng)率，

　　-探測(cè)器陣列：探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的重要器件。線陣探測(cè)器上的每一個(gè)象元的讀出數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的波長(zhǎng)范圍，在紫外，可見(jiàn)光，短波近紅外波段，硅CCD是目前使用最多的探測(cè)器，其性?xún)r(jià)比最好，探測(cè)器本身的噪聲對(duì)光譜儀信噪比的影響。只有在900nm-2500nm的近紅外波段才使用InGaAs線列探測(cè)器。

　　-模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC (Analog-to-Digital Converter):探測(cè)器讀出電路給出的是電壓模擬信號(hào)，通過(guò)ADC把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將每個(gè)像元輸出的電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)特定的數(shù)字，這個(gè)讀數(shù)被稱(chēng)為“counts”

　　ADC器件性能的重要指標(biāo)是它輸出的數(shù)字是用多少位二進(jìn)制數(shù)字來(lái)表示。一個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以將滿量程光強(qiáng)度用0-4096(212)個(gè)counts來(lái)表示。相應(yīng)的，同樣的滿量程光強(qiáng)度，如果用16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路其輸出則是用0-65535(216)個(gè)counts來(lái)表示。由此可見(jiàn)ADC器件的位數(shù)反映了光譜儀在垂直方向的“分辨率“。(如圖xxx所示)ADC的位數(shù)越高其輸出的讀數(shù)就可以越”準(zhǔn)確“地描述光譜的強(qiáng)度。

　　因此，對(duì)于一個(gè)采用2048個(gè)像元的線列探測(cè)器和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的光譜儀，每條光譜曲線會(huì)輸出2048個(gè)波長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)光強(qiáng)的數(shù)據(jù)對(duì)，每個(gè)光強(qiáng)的數(shù)據(jù)用一個(gè)12位數(shù)字表示。這些數(shù)據(jù)是光譜的原始數(shù)據(jù)。

圖 ADC的位數(shù)和垂直方向“分辨率“的關(guān)系示意圖

　　-光譜儀內(nèi)還包括以微處理器為中心的一些電路，主要包含兩部分功能。一方面，產(chǎn)生光譜儀CCD或CMOS探測(cè)器所需的控制時(shí)序，使探測(cè)器按用戶(hù)設(shè)定的工作模式工作;另一方面，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，如從探測(cè)器中讀出數(shù)據(jù)并傳送到PC端。這些電路的性能，譬如，模擬電路的噪聲水平、處理器的主頻、緩存的大小和通信接口的速度，都會(huì)對(duì)光譜儀的整體性能有重要影響。