SPEC-CMS960是一款寬波段高靈敏度的專業(yè)型光纖光譜儀，默認(rèn)波長范圍是190-1100nm，其他波長需求可按需配置。內(nèi)置消階衍射濾光片和增強(qiáng)柱面鏡，實(shí)現(xiàn)了高階衍射消除和靈敏度提升。
光譜儀配置的電路板，由專業(yè)高水平電子工程師設(shè)計(jì)，運(yùn)用了反饋、濾波、信號(hào)完整性及抗電磁干擾等技術(shù)和工藝，使得除探測器噪聲外的電路板電子噪聲幾乎為零，不僅提高了整體信噪比，還具有強(qiáng)大的抗干擾能力，并支持多臺(tái)光譜儀同時(shí)長期不掉線采集數(shù)據(jù)，非常適合在線設(shè)備集成。
一、產(chǎn)品特點(diǎn)
- 高靈敏度，高信噪比。采用日本濱松2048像素探測器，柱面增強(qiáng)，高水平電路設(shè)計(jì)，消除電路板噪聲。
- 長期在線測量不掉線。支持多臺(tái)設(shè)備同時(shí)長期在線采集，優(yōu)異的信號(hào)完整性和抗干擾設(shè)計(jì)。
- 紫外增強(qiáng)，平衡鍍膜。紫外增強(qiáng)鍍膜，可結(jié)合光源特性進(jìn)行光譜分布平衡處理。
- 多種通信，工業(yè)協(xié)議。支持USB、RS232和RS485通信，用戶可選多種協(xié)議，支持工業(yè)通信Modbus協(xié)議。
- 二次開發(fā)，全面適配。支持Windows（C++、C#、Labview、Matlab、Qt）、Linux、Keil單片機(jī)等各種開發(fā)平臺(tái)和語言。對(duì)于需要自行封裝SDK的用戶，提供底層通信指令及技術(shù)支持。
二、應(yīng)用場景
光纖光譜儀，可結(jié)合光纖和光源等附件，靈活搭建透射、反射、熒光等光路，用于實(shí)時(shí)測量光譜分布曲線。常用的測量光路包括：
- 積分球測光源光路。可測量光源的波長分布、半高寬、顏色坐標(biāo)、光功率、色品坐標(biāo)、色溫等。
- 液體比色皿支架光路。測量比色皿溶液的透射率或吸光度，對(duì)應(yīng)于國標(biāo)中的分光光度法。
- 浸入式探頭光路。把探頭投擲到溶液中，讓溶液充滿測量缺口，實(shí)時(shí)測量透射率或吸光度。
- 固體透射光路。配置透射支架，測量表面平整的鏡片鍍膜、塑料、油墨孔等光譜透過率分布。
- 反射探頭或反射積分球光路。測量物體表面光譜反射率分布，如膜厚、顏色、成分等檢測。
- 熒光測量光路。短波單波長光源做激發(fā)光，使用反射探頭或反射積分球接收發(fā)射光。
三、技術(shù)參數(shù)
| 項(xiàng)目 | 參數(shù) | 描述 |
|---|---|---|
| 產(chǎn)品型號(hào) | SPEC-CMS960 | 全波段高性能光纖光譜儀 |
| 波長范圍 | 190-1100nm | 現(xiàn)貨默認(rèn)波長范圍，其他范圍需定制 |
| 光學(xué)分辨率 | 0.3-3.2nm（視配置而定） | 常用峰值波長半高寬表示 |
| 波長精度 | Typ.±0.01 nm | 測量峰值與校準(zhǔn)樣品峰值的波長偏差 |
| 信噪比 | 500:1 | 滿量程相對(duì)強(qiáng)度值與系統(tǒng)電子噪聲波動(dòng)值的比值 |
| 狹縫尺寸 | 50μm（默認(rèn)），其他可選10μm、25μm、100μm、200μm | 光譜儀入光口狹縫，影響靈敏度和分辨率 |
| 探測器 | 日本濱松S11637-2048Q | 高靈敏度2048像素探測器 |
| 模數(shù)轉(zhuǎn)換 | 16位ADC | 數(shù)值范圍0-65535 |
| 光學(xué)接口 | SMA905 | 光纖光譜儀行業(yè)通用接口 |
| 通訊接口 | TypeC、RS232、RS485 | 支持TypeC型USB通信，接口更穩(wěn)固 |
| 通訊協(xié)議 | USB標(biāo)準(zhǔn)版、USB擴(kuò)展版、Modbus（串口）等可選 | 多種協(xié)議版本可選，串口支持modbus協(xié)議 |
| 內(nèi)置傳感器 | 溫度傳感器 | 實(shí)時(shí)監(jiān)測光譜儀溫度 |
| 工作功率 | 1.0W | 5V，Min.200mA |
| 工作溫度 | -20~60℃ | 高低溫箱非極限測試 |
| 尺寸 | 105*68*24.5mm | 有方便固定的螺絲孔位 |
| 重量 | 238g | 凈重 |
四、原理介紹
4.1 光纖光譜儀組成原理
光纖光譜儀常用Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，入射光經(jīng)狹縫后，經(jīng)過鏡片組后照射到光柵，光柵分光后，不同波長打在線陣探測器的不同像素上，再進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換解析成光譜曲線。內(nèi)部工作原理圖如下：
1. 入射光接口。將光纖連接到光譜儀，與入口狹縫精確對(duì)準(zhǔn)。 具有良好的位置重復(fù)性和機(jī)械強(qiáng)度，作為通用光學(xué)連接器，它支持8μm至2000μm的光纖直徑。
2. 狹縫。主要作用是限制進(jìn)入光譜儀的光的量。光譜儀廠家一般提供多種狹縫可選，常用寬度從10μm-200μm不等。狹縫寬度在確定光譜儀分辨率和靈敏度方面至關(guān)重要，通常是狹縫越寬靈敏度越高，但光學(xué)分辨率就越小。
3. 長通濾光片。入射口濾光一般用于過濾短波波段，當(dāng)光譜儀未加消階衍射濾光片時(shí)，可起到消階作用。對(duì)于特定應(yīng)用場景，有時(shí)為了均勻光譜曲線，也會(huì)換成特定分布的濾光片。
4. 凹面反射鏡。約束發(fā)散光，增加光程。
5. 光柵。光譜儀最核心部件之一，用于把入射的復(fù)合光分成不同波長并反射。常用光柵有平面、凹面和全息光柵。光柵的線數(shù)越多，即單位面積刻線越密，光學(xué)分辨率就越高，但覆蓋的波長范圍就越窄。
6. 凹面反射鏡。約束發(fā)散光，增加光程。
7. 消階衍射濾光片。光柵分光后，會(huì)產(chǎn)生多階光譜帶，光譜儀使用一階光譜帶，但二階或以上的高階光譜帶常會(huì)與一階光譜帶有重疊區(qū)域，如一個(gè)需要測200-800nm透射率的場景，光源發(fā)出的200-400nm的光，對(duì)應(yīng)的二階衍射光會(huì)落在400-800nm，與光源原本400-800nm的一階光有重疊，此時(shí)必須把二階以上的光譜帶消除，才能得到正確的光譜，因此當(dāng)一個(gè)光譜儀需要使用寬光譜時(shí)，就需要在探測器前加消階衍射濾光片。
8. 柱面鏡。用于把光聚焦到探測器上，增強(qiáng)靈敏度。
9. 線陣或面陣CCD探測器。光譜儀最核心部件之一，各像素一次接收不同波長的光，通過ADC轉(zhuǎn)為數(shù)字量，再由軟件構(gòu)建成完整的光譜曲線。光譜儀的級(jí)別和價(jià)格大多是以探測器為依據(jù)。探測器最常用的是日本濱松的系列型號(hào)，也有少部分用日本索尼和日本東芝的某型號(hào)。
綜上可知，光纖光譜儀的設(shè)計(jì)目的，就是把原本入射的復(fù)合光，分成不同波長的光，用探測器讀出并顯示成按波長分布的曲線，因此可以通過光纖光譜儀來對(duì)入射光的成分分布做分析。
五、光纖光譜儀選型
5.1 光纖光譜儀選型依據(jù)
在光譜儀選型時(shí)，首先需要考慮的是波長范圍，但并非波長范圍越寬越好，還需要考慮分辨率和靈敏度。光柵和狹縫尺寸對(duì)分辨率和靈敏度有顯著影響，其基本規(guī)律可以做如下總結(jié)：
1. 光柵線數(shù)越高，光學(xué)分辨率則越高，但可覆蓋的波長跨度就越短。
2. 狹縫尺寸越大，靈敏度就越高，但光學(xué)分辨率就越低。
3. 波長范圍越寬，相對(duì)光學(xué)分辨率就越低。
然而，分辨率和覆蓋范圍是此消彼長的關(guān)系，不能想著200-1100nm范圍，還想有0.5nm的分辨率，同時(shí)還想要50μm狹縫的靈敏度。比如同為50μm狹縫的條件下，1200線光柵，光學(xué)分辨率約0.5nm，但覆蓋跨度為320nm，對(duì)于300-600nm可用，但對(duì)于300-800nm就不夠了。而600線光柵，光學(xué)分辨率約1.2nm，覆蓋跨度為520nm，對(duì)于300-800nm就夠用了。
那么怎么知道什么場景選擇什么樣的配置呢？回答這個(gè)問題，一般從分辨率和靈敏度兩個(gè)來評(píng)估，進(jìn)而可得出配置怎樣的光柵和狹縫。
對(duì)于分辨率，有個(gè)簡單的衡量指標(biāo)，即應(yīng)用場景測得的光譜圖是否有明顯很細(xì)的線狀尖峰。如果有線狀尖峰，就需要高分辨率；如果是平滑的峰，就不需要高分辨率。比如測的是LED燈，或者是有機(jī)物的透射率或反射率，這類基本都是平滑的峰，對(duì)分辨率要求不高，5-20nm的分辨率一般就可以滿足需求。但如果測的是原子譜，比如汞原子、金屬原子、等離子體等場景，就需要高分辨率。如果需要測激光器的半高寬，也需要高分辨率。
對(duì)于靈敏度，需要考慮能進(jìn)入光譜儀入射口的光的強(qiáng)弱。光譜儀的響應(yīng)一般是μw級(jí)別，屬于很高靈敏度的設(shè)備。但有些場景，如需要搭配積分球測透射率或反射率，或需要用積分球接收的光源，如光致發(fā)光的量子產(chǎn)率，因?yàn)榉e分球的衰減倍率非常高，導(dǎo)致對(duì)光譜儀的靈敏度要求也更高。
5.2 光學(xué)分辨率選型
如6.1所述，對(duì)于同一光路和探測器的光譜儀，決定光學(xué)分辨率的參數(shù)是光柵線數(shù)和狹縫尺寸，下面給出常用配置的分辨率選型表。
光纖光譜儀分辨率常用配置選型表
| 波長范圍(nm) | 光柵線數(shù)(lines/mm) | 狹縫尺寸(μm) | 光學(xué)分辨率(nm) | 應(yīng)用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 190-1100 | 300 | 50 | 3.5 | 常規(guī)透反射率及熒光測量 |
| 190-1100 | 300 | 25 | 1.9 | 常規(guī)透反射率及熒光測量 |
| 190-800 | 600 | 50 | 2.0 | 水質(zhì)分析 |
| 190-380 | 1200 | 50 | 0.5 | 煙氣、紫外分析 |
| 350-800 | 600 | 50 | 0.8 | LED、面板、顏色測量 |
| 300-1100 | 600 | 50 | 0.8 | 膜厚測量 |
| 380-1100 | 400 | 50 | 2.5nm | 火焰離子、等離子、常規(guī)透反射率及熒光測量 |
| 780-1100 | 1200 | 50 | 0.5 | 拉曼 |
| 750-1100 | 900 | 10 | 0.3 | 光傳感、激光波長 |