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光谱分析仪，简称光谱仪，是一种将复杂的复合光分解成光谱线进行测量和计算的科学仪器。 广泛应用于辐射分析、颜色测量、化学成分分析等领域。 、医药、石化、环保、太空探索等行业发挥重要作用。 在照明行业中，通常使用光谱仪来测量光源的光色参数。

本文详细介绍了照明行业常用的光谱仪的工作原理，并对其性能参数进行了说明，可作为设备选型的基本参考。

一、光谱仪的分类

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1666年，牛顿在研究棱镜时，发现太阳光通过棱镜后分解成七种颜色的光，这就是光被棱镜色散的现象。 在光谱仪内部，还利用色散成分的分光效应，将多色光通过不同的光路形式分解成一系列独立的单色光，然后进行测量和计算。

光谱仪一般由光谱系统、接收系统和数据处理系统组成。 其工作原理是将光源发出的多色光按不同波长分离，配合各种光电探测器器件测量光谱线强度，得到光谱功率（辐射）分布，进而计算光色性能参数等如色度坐标、色温、显色指数、光通量和辐射通量。

光谱系统通常制成整体结构，称为单色仪或多色仪。 单色仪是一种输出单一色谱线的光学仪器。 它通常与以光电倍增管检测器为核心的接收系统协同工作，然后由数据处理系统对测量信号进行计算和处理。 每个部分都是相对独立的。 多色仪的结构与检测器和数据处理系统紧密结合，通常可以直接输出光谱测量数据。

光谱仪的种类很多，常见的分类方法如下：

在照明行业，通常使用可见光光致变色测量光谱仪，分为机械扫描和阵列扫描两种。

2、机械扫描光谱仪

机械扫描光谱仪通常由单色仪、光电倍增管检测器和数据处理系统组成。 它的特点是测量精度高，但仪器庞大，结构复杂，扫描时间长。 主要应用于各种高精度光色测量领域，不适用于测量时间敏感的光源或其他快速测量应用。

1个单色仪

单色仪的光路如下图所示。 光源或照明系统发出的复合光经光纤引导至入射狭缝，投射到准直镜上。 光栅利用各波长离开光栅的不同角度，通过聚焦镜将某一波长的单色光反射到出射狭缝，光电倍增管（PMT）可以测量该波长的值和强度。 光栅在步进电机的驱动下匀速旋转，从出射狭缝获得不同波长的单色光。 通过同步读取光栅的角度和光电倍增管的输出信号，可以获得复合光的所有光谱信息。

单色器有两个狭缝，入口和出口。 入射狭缝用于限制杂散光的进入，一般位于准直器的焦点处。 出射狭缝用于限制光谱带宽，一般位于物镜的焦点处。 狭缝通常由两片边缘锋利的精密金属片组成，分为固定狭缝、单边可调不对称狭缝和双边可调对称狭缝。 在用于光色测量的亮度计中，通常将两条狭缝设计成等宽，不能自行调节。 在用于材料分析的光度计中，狭缝通常设计成其宽度可以由仪器自动调节。

机械扫描光谱仪的特点是光电探测器固定，通过机械转动改变衍射光栅的角度，将不同波长的单色光一根一根地投射到探测器上，实现全光谱的扫描范围。 由于整个可见光谱是逐波长测量的，机械扫描光谱仪的读数时间很长，通常为几十秒，因此这种光谱仪不适合测量光源的瞬时输出。

作为一种改进技术，一些扫描光谱仪在同一旋转轴上安装两个或多个衍射光栅，配合精密角度编码器，实现在每个角度同时采集两个或多个波长测量值。 这缩短了扫描时间并保证了整个光谱范围内的波长精度。

2个光电倍增管检测器

接收系统负责将光信号转换成电信号，主要包括光电探测器、放大器、A/D转换等部分。 不同的光谱频带需要不同类型的光电探测器来确保光谱响应度。

机械扫描光谱仪通常使用光电倍增管 (PMT) 作为光电探测器。 PMT是一种特殊的电子管，对紫外光、可见光和近红外光极为敏感。 它可以通过光电效应将微弱的光信号转换成电信号。 ，使光信号能够被测量。

光电倍增管分为正面式和侧面式两种结构，分别包含光电阴极、聚焦电极、多个倍增电极（二次发射极）和阳极。 每个电极上的电压都比它前面的电极高，这样电子就可以逐步加速。 入射光子撞击光电阴极产生光电效应，被激发的光电子被聚焦到倍增系统，经过一系列二次发射，电子倍增，最后到达阳极作为信号输出。

光电倍增管具有灵敏度高、噪声低等优点，广泛应用于高能物理、天文观测、医疗仪器、石油勘探、工业检测、天文学等各种弱光探测领域的研究工作。 著名厂商有英国ET公司（企业有限公司）、日本滨松光电（Hamamatsu Photonics）等。

3 数据处理系统

数据处理系统负责将光电探测器输出的电信号转换成可读数据。 对于高精度的复杂计算，通常使用专业软件在外部计算机上运行处理。

3、阵列扫描光谱仪

传统的机械扫描光谱仪需要旋转光栅对整个光谱进行扫描，结构复杂，体积庞大，测量速度慢。 随着光电技术的不断发展，基于阵列光电探测器的快速扫描光谱仪得到了广泛的应用。 阵列光谱仪可以在不移动光栅的情况下完成光谱的扫描，并可以瞬间采集数据并实时输出。 同时，阵列光谱仪系统具有模块化的特点，可以根据不同的应用需求选择元器件。 各种类型的采样光纤探头、色散装置、聚焦光学系统和检测器用于构建光学测量平台。 主要分为微型光谱仪和高精度光谱仪两大类。

阵列扫描光谱仪通常由多色器、阵列光电探测器和数据处理系统组成。 多色仪和单色仪最大的区别是没有机械运动部件，保证了长期的稳定性和测量的重复性，也可以设计得非常小，结构紧凑。 阵列探测器采用全光谱同步探测方式，具有探测速度快、灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、重复性好、分辨率高等特点。

1个多色器

典型多色仪的光路如下图所示。 光由光纤引导至入射狭缝，投射到准直物镜上。 准直物镜将发散光转换成平行光，再反射到衍射光栅。 光谱是由光栅分裂形成的光束，然后光束通过聚焦镜在焦平面上形成光谱带。 探测器放置在焦平面上的不同像素位置对应不同的波长，感应电压的大小对应像素接收到的光强。 这样，通过扫描探测器各像素点的输出电压，即可得到光谱的功率分布P(λ)，进而计算出相关的光色参数。

下图是多色仪光路的另一种结构。 入射光通过入射狭缝和反射镜后投射到平场凹面光栅上。 输出。 平场凹面光栅是一种像差校正光栅，它将入射狭缝的光谱会聚到一个平面上，探测器阵列可以同时探测不同波长的信号强度。

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2根光纤

光纤用于测量

光信号被耦合到光谱仪中。 光谱仪的光纤通常设计有SMA905接口，可与不同的光学附件组合使用，具有良好的通用性。

3条开衩

狭缝的作用是控制入射光的宽度，其大小直接影响光谱仪的分辨率。 狭缝越小，光谱带宽越小，波长分辨率越高，但通过狭缝的光太小，必须提高后续仪器的增益，导致仪器噪声增大。 较大的狭缝可以增加光通量，提高信噪比，但狭缝越大，对应的光谱带宽也越大，波长分辨率因入射光的单色性降低而降低。

4光栅

光栅，又称衍射光栅，是一种利用衍射原理将平行光色散并分解成光谱的光学器件。 光栅是一个多缝组件。 光栅光谱的产生是多缝干涉和单缝衍射共同作用的结果。 多缝干涉决定了谱线的位置，单缝衍射决定了谱线的强度分布。 法国Jobin-Yvon公司和美国Newport公司是业内领先的光栅制造商。

(1)光栅分类

光栅按功能类型分为透射光栅和反射光栅。 透射光栅是通过在透明玻璃上开槽制成的。 缺口相当于磨砂玻璃，大部分光线都不会通过，但是两个缺口之间可以透光。 利用这一特点，可以获得衍射分光效果。 透射光栅性能较差，实际应用较少。

反射光栅是在镀膜的高反射玻璃或金属基片上标记一系列平行、等距、等宽的平​​行槽（槽）而制成的。 凹槽数量较多，一般每毫米数条。 十几到几千。 反射光栅可以分散和反射入射光。 光栅的凹槽多时，光谱分辨率高，凹槽少时，光谱覆盖范围广。 由于铝在近红外区和可见光区的反射系数比较大，而且几乎恒定，更重要的是它在紫外区的反射系数比金银大，而且材质柔软，容易划伤，因此通常采用铝作为反射光栅的镀膜材料。

(2)平面反射光栅和凹面反射光栅

平面反射光栅是在平面基板上刻槽而成，只具有色散作用。 光栅散射前后必须安装准直透镜和聚光透镜。 如果光栅中存在周期性规则误差，则衍射平面中会出现虚线。

凹面反射光栅由高反射金属凹面基板上的凹槽制成。 由罗兰于1882年提出，故又称罗兰光栅。 这种光栅可以使光既发生衍射又发生聚焦，不仅简化了光谱仪的结构，而且将光谱仪的应用范围扩展到远紫外光谱和远红外光谱区域，解决了一些棱镜无法克服的缺陷当时的光谱仪。 采用凹面反射光栅设计的光谱仪不需要准直镜和聚焦镜，因此光路紧凑，光损失和吸收现象低，杂散光和色差大大减少，光通量率提高，提高了仪器的信噪比。

(3) 闪耀光栅和全息光栅

当反射光栅的凹槽为锯齿形时，光栅的光能集中在一个预定的方向，即该方向的光谱强度最大。 这种现象称为耀斑，这种光栅称为闪耀光栅。 闪耀光栅中衍射面与光栅底面的夹角称为闪耀角，最大光强对应的波长称为闪耀波长。 闪耀光栅在特定波长下具有较高的衍射效率，光栅效率越高，信号损失越小。 目前几乎所有反射式闪耀光栅都用于微型光谱仪。

全息光栅的凹槽通常近似正弦曲线，凹槽平行等宽或平行不等宽，专门为优化性能而设计。 刻线密度高，打标面积大，杂散光低，分辨率也大大提高。 全息光栅的衍射效率在很宽的光谱范围内变化平稳，衍射效率最高的波长由陷波深度决定。 全息光栅的衍射效率通常低于闪耀光栅，但也可以通过改变陷波深度与陷波周期的比率以及使用“离子蚀刻”等技术获得高于闪耀光栅的效率。 此外，全息光栅不会出现周期性标记误差，因此不会出现鬼线。 使用全息光栅的光谱仪具有很高的测量精度。

(4)光栅加工方法

常见的光栅加工方法有机械划线法和全息法。 机械划线法是使用带有金刚石尖端的划线机在基板上刻出凹槽。 它是制作光栅的经典方法，可用于紫外和可见光区域。 全息法采用两束激光形成干涉条纹，采用光刻工艺刻划凹槽，可在平面或球面上生成光栅，可用于近紫外、可见光和近红外光区域。

5个阵列光电探测器

光电探测器是光谱仪的核心部分。 其制造材料、制造方法和掺杂成分直接决定了光谱仪的光谱覆盖范围、灵敏度、分辨率和信噪比。 硅基探测器的波长覆盖范围一般为190nm-1100nm，而InGaAs和PbS探测器的波长覆盖范围一般为900nm-2900nm。

20世纪90年代，微电子领域的多像素光学探测器发展迅速，如硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SPM）、CMOS传感器（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）、CCD探测器（Charge-Coupled Device）、InGaAs检测器和其他设备使生产低成本、高精度的光谱仪成为可能。 在照明行业，积分球测量系统中使用的快速扫描光谱仪几乎都是 CCD 检测器。

CCD探测器是由许多排列整齐的电容单元组成的。 当光线照射到光敏表面时，它会释放电荷。 该电信号送入A/D转换电路进行处理，得到测量结果。 CCD 上包含的单位（像素，Pixel）越多，分辨率就越高。 CCD具有自然积分的特点，因此具有非常大的动态范围。

CCD的优点是灵敏度高，响应速度快。 缺点是存在暗（热）电流，信噪比低，对350nm以下的光信号响应低。 DUV镀膜工艺可适当提高150-350nm的响应度。

(一)CCD探测器的分类

当CCD上的检测单元呈直线排列时，称为线阵CCD，当它们垂直和水平排列时光纤光谱仪的原理，称为平面阵列CCD。 线阵CCD探测器信噪比低，但体积小。 特别适用于小型或移动式光谱仪，常用于现场测量、在线检测等场合。 面阵CCD探测器动态范围大、噪声低，适用于高精度测量场合。

前照式CCD的正面排列着很多电极。 光经电极反射散射后，不仅响应度大大降低，而且多次反射的干涉作用使光谱响应曲线出现马鞍形波动。 背照式CCD采用特殊的制造工艺，避免了上述问题，因此响应速度大大提高。 以薄型背照式电荷耦合器件（BTCCD）为例，其硅层厚度从一般CCD的几百微米减小到20μm以下，背照式结构避免了通过钝化层层，因此具有低噪声、高灵敏度、大动态范围等优点。 其量子效率在紫外波段超过40%，在可见光波段可达80%-90%。 是一种性能优良的宽带检测器件。

CCD探测器的温升会产生热噪声，温度越高，热噪声越大。 解决方法是在探测器上增加降温措施。 常用的冷却方式主要有TE半导体冷却和液氮冷却。 冷却的 CCD 检测器不再对温度影响敏感，并且可以使用较长的积分时间进行测量，以降低噪声并提高动态范围。 必须为红外测量应用选择冷却探测器。

四、光谱仪性能参数

1 光谱范围

波长范围是指光谱仪可以测量的波长范围。 通常，可见光选择380nm-780nm范围光纤光谱仪的原理，紫外光谱选择250nm-850nm范围，红外光谱选择350nm-1100nm范围。 光栅和探测器的类型会影响波长范围，通常波长范围较宽意味着光谱分辨率较低。

2 光谱分辨率

光谱分辨率是指光谱仪可以分辨的最小波长差异。 光谱仪中实用的分辨率定义是测量单条光谱线的半峰全宽 (FWHM)，即对应于最大峰值光强度的 50% 的光谱线宽。

分辨率取决于狭缝宽度、光栅的分辨能力、系统的有效焦距、系统的光学像差等参数。 入射狭缝决定了进入光谱仪的光束宽度。 狭缝越窄，分辨率越高； 光栅线数越多，色散效应随波长越明显，在最长波长处分辨率最高； 更高像素的 CCD 检测器也可以获得更高的光谱分辨率。 但分辨率越高，光信号越弱，信噪比越差，因此应在两者之间取得适当的平衡。

3 灵敏度

灵敏度定义为特定波长的单位辐射亮度照射在像元上所产生的电信号输出，主要影响因素有光栅效率、探测器材料等因素。

探测器的灵敏度很大程度上取决于其材料特性，在CCD探测器上安装增敏透镜可以提高系统的灵敏度。 适当增加狭缝，增加入射光通量也可以提高灵敏度。

4 动态范围

动态范围是指光谱仪可以测量的最大和最小光能量的比值。 比率越大，性能越好。 检测器的动态范围越大，检测的光强范围越大，光谱仪的信噪比和稳定性越好。

增加动态范围的方法是降低探测器的暗电流和噪声。 可以使用制冷CCD，也可以选用量子效率更高、像素更大的CCD器件。

5信噪比

信噪比是指测得的信号能量水平与叠加在信号上的噪声水平之比。 信噪比越高，测量值的偏差越小。 信噪比与光谱仪的检测器性能、电路噪声和光路杂散光有关。 光谱仪的检出限也与信噪比直接相关，测量的检出限通常定义为在信噪比为3时可以成功测量的信号水平。

对于 CCD 光谱仪，灵敏度越高，检测到的噪声信号越高，信噪比越低。 CCD检测器的噪声包括自身的随机噪声、温度引起的热噪声和读取时产生的读出噪声。 读取噪声与读取速度有关，发生在每次电荷转移过程中，因此读取速度越快，读取噪声越高。 在一定范围内，可以通过多次读数的平均来提高信噪比。 另外，在牺牲分辨率的前提下，通过像素封装（BINNING）技术，将CCD检测器的多个像素进行绑定，然后将累积的电荷相加，也可以提高读取速度和信噪比.

6 读出速度

读出速度是指光谱仪在一定的入射光强下，输出光谱图信号所需的时间，用来表征单位时间内数据处理的速度。 读出速度越快，单位时间内可以获取的信息越多，但同时读出噪声也越高。

读出速度与光谱仪的灵敏度、光谱仪的数据处理系统和PC接口的速度有关。 数据处理系统的A/D转换器速率越高，光谱仪的读出速度越快。 USB2.0接口最快可达100张谱/秒，而RS232接口最快只能达到2张谱/秒。

7 重复性

重复性是指光谱仪多次测量同一样品的一致性。 在机械扫描光谱仪中，由于步进电机引起的机械定位问题，对同一波长重复定位可能会出现误差。 重复性可用于衡量光谱仪返回原始波长的能力。 在阵列光谱仪中，由于没有移动部件，不存在波长定位问题，其测量重复性主要取决于探测器类型、暗电流噪声、测试电路的稳定性、空间抗干扰能力等因素。系统。

8杂散光

在光谱仪中，杂散光是指检测器接收到的除测量波长之外的其他不需要的波长信号。 杂散光会造成一定的背景光谱，影响测量信号的单色性，降低系统的信噪比，增加光谱测量的误差，严重降低测量结果的准确性。

大多数光学参数都是通过对全光谱的测量信号进行积分得到的，特别是在测量窄带LED时，测量结果容易受到背景光（杂散光、探测器噪声等）的干扰，高精度的光谱仪具有高动态信号范围，可以保证整个光谱范围内的测量精度，而低成本的光谱仪动态范围低，杂散光水平高，在测量红光、蓝光时会产生较大的误差，尤其是白光 LED。 .

9 CCD暗电流

CCD的暗电流是指在没有入射光的情况下，像素内部热激发载流子产生的电荷噪声。 暗电流是CCD探测器的固有特性，它的存在限制了器件的灵敏度和动态范围。

由于CCD每个像素的缺陷并不完全一致，像素之间的暗电流也不均匀，导致CCD的输出中存在恒定的背景噪声。 通过关闭入射光，有意延长曝光时间，在检测器表面没有被光子击中时读取输出，可以得到每个像素的校正系数来补偿测量值。 另外，如果将CCD器件放置在恒定的低温环境中，噪声的影响会大大降低。

5、高精度CCD光谱仪

高精度CCD光谱仪具有更高的动态范围和信噪比，主要用于对稳定性和精度要求高的科研领域。 下面介绍几种广泛应用于照明领域的光谱仪。

1. G&H OL770-LED高速光谱辐射

美国Optronic Laboratory于1970年由美国国家标准与技术研究院（NIST）的两位光度学和辐射学领域的计量和测试科学家创立，提供各种光谱辐射测试仪器，标准灯是一个世界-著名的光学计量和测试仪器制造商，于2010年1月被英国Gooch & Housego收购。G&H公司成立于1948年，是世界领先的声光器件和射频驱动器、电光器件的研发和制造商，光纤设备、光学抛光和涂层、光谱仪和高光谱成像系统。

OL770-LED光谱仪是一款基于CCD，针对LED测试优化的高速光谱仪系统，可实现对LED芯片、单管、模组、阵列等产品所有光学参数的严格测试，完全兼容CIE 127 Documentation必需的。 L770-LED光谱仪可为各类LED研发生产提供科学级的测量数据。 It is a world-renowned high-precision and fast spectral measuring instrument.

main feature:

2. IS CAS140CT high dynamic range fast spectrometer

The German Instrument Systems company was founded in 1986. Its main business areas are the automotive and aviation industries. It is a leader in the international spectral measurement market. Develop and produce various spectrometers, imaging photometers, colorimeters and polarized light analyzers and other light measurement equipment, while setting standards in the field of LED rapid detection.

CAS140CT is the third-generation product of IS's durable CCD array spectrometer with high sales volume in the world. It integrates measurement accuracy, design durability and operation convenience. Production line or laboratory testing of products such as LED lighting.

main feature:

3. Labsphere CDS2100 Fast Spectrum Analyzer

Founded in the United States in 1979, Labsphere was once a subsidiary of X-rite, a well-known color measurement instrument manufacturer, and is currently a member of the British Halma Group. Specializing in optical inspection, sensor calibration, spectroscopic accessories, and materials, Labsphere is a global leader in lighting test and measurement, detector calibration, and optical diffuse reflectance coatings. Founded in 1894, HALMA plc is an international leader in safety, health and sensor technology, a listed company on the London Stock Exchange, with more than 3,700 employees and 36 subsidiaries worldwide.

The CDS 2100 spectrometer is a proven cross CT structure spectrometer. The spectrometer's built-in electric cooling, thin back-illuminated CCD detector can efficiently suppress stray light, has extremely high precision and stability, meets the latest CIE measurement standards and is widely recognized by Energy Star third-party laboratories.

main feature:

4 EVERFINE HAAS-2000 high precision fast spectrum analyzer

Established in 1993, China Hangzhou EVERFINE Corporation (EVERFINE Corporation) is a world-renowned supplier of photoelectric detection instruments in the field of lighting, with a leading domestic market share and export volume. Yuanfang Company is one of the earliest enterprises engaged in the development and production of photoelectric testing instruments in China. Its products include photochromic and electrical comprehensive testing instruments for various light sources, photometric/chromaticity/radiance probes, spectroradiometers, luminance meters, illuminance meters/photometers , colorimeter, distribution photometer, integrating sphere, electronic ballast/fluorescent lamp/LED special test instrument, EMC electromagnetic compatibility test instrument, digital power meter, frequency conversion power supply and other photoelectric test instruments.

HAAS-2000 adopts unique stray light control technology, wide dynamic linear technology, precision CCD electronic drive technology and complex variable matrix software technology, and successfully applied band-pass color wheel correction technology (BWCT) and spectroscopic integral combination technology (SBCT), As well as the revised NIST stray light correction technology and many other patented technologies, the whole system has achieved an unprecedented extremely low stray light level of 5.00E-05 (under the strict condition of light source A) and a full dynamic photometric linearity performance of 0.3%, which is a This world-leading fast spectroradiometer fully meets the requirements of American IESNA LM-79 and Chinese GB/T 24824 and other standards, and can realize LED transient optical characteristic measurement (pulse measurement) and steady-state optical characteristic measurement (DC measurement).

main feature:

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