簡介

光譜儀(Spectroscope)是將成分復(fù)雜的光分解為光譜線的科學(xué)儀器，由棱鏡或衍射光柵等構(gòu)成，利用光譜儀可測量物體表面反射的光線。陽光中的七色光是肉眼能分的部分(可見光)，但若通過光譜儀將陽光分解，按波長排列，可見光只占光譜中很小的范圍，其余都是肉眼無法分辨的光譜，如紅外線、微波、紫外線、X射線等等。通過光譜儀對光信息的抓取、以照相底片顯影，或電腦化自動(dòng)顯示數(shù)值儀器顯示和分析，從而測知物品中含有何種元素。這種技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于空氣污染、水污染、食品衛(wèi)生、金屬工業(yè)等的檢測中。

將復(fù)色光分離成光譜的光學(xué)儀器。光譜儀有多種類型，除在可見光波段使用的光譜儀外，還有紅外光譜儀和紫外光譜儀。按色散元件的不同可分為棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和干涉光譜儀等。按探測方法分，有直接用眼觀察的分光鏡，用感光片記錄的攝譜儀，以及用光電或熱電元件探測光譜的分光光度計(jì)等。單色儀是通過狹縫只輸出單色譜線的光譜儀器，常與其他分析儀器配合使用。

圖中所示是三棱鏡色譜儀的基本結(jié)構(gòu)。狹縫S與棱鏡的主截面垂直，放置在透鏡L的物方焦面內(nèi)，感光片放置在透鏡L的像方焦面內(nèi)。用光源照明狹縫S，S的像成在感光片上成為光譜線，由于棱鏡的色散作用，不同波長的譜線彼此分開，就得入射光的光譜。棱鏡攝譜儀能觀察的光譜范圍決定于棱鏡等光學(xué)元件對光譜的吸收。普通光學(xué)玻璃只適用于可見光波段，用石英可擴(kuò)展到紫外區(qū)，在紅外區(qū)一般使用氯化鈉、溴化鉀和氟化鈣等晶體。普遍使用的反射式光柵光譜儀的光譜范圍取決于光柵條紋的設(shè)計(jì)，可以具有較寬的光譜范圍。

表征光譜儀基本特性的參量有光譜范圍、色散率、帶寬和分辨本領(lǐng)等。基于干涉原理設(shè)計(jì)的光譜儀（如法布里-珀羅干涉儀、傅立葉變換光譜儀）具有很高的色散率和分辨本領(lǐng)，常用于光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析。

原理

根據(jù)現(xiàn)代光譜儀器的工作原理，光譜儀可以分為兩大類：經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器；新型光譜儀器是建立在調(diào)制原理上的儀器。經(jīng)典光譜儀器都是狹縫光譜儀器。調(diào)制光譜儀是非空間分光的，它采用圓孔進(jìn)光。

根據(jù)色散組件的分光原理，光譜儀器可分為：棱鏡光譜儀，衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀。光學(xué)多道分析儀OMA(OpticalMulti-channelAnalyzer)是近十幾年出現(xiàn)的采用光子探測器(CCD)和計(jì)算機(jī)控制的新型光譜分析儀器，它集信息采集，處理，存儲(chǔ)諸功能于一體。由于OMA不再使用感光乳膠，避免和省去了暗室處理以及之后的一系列繁瑣處理，測量工作，使傳統(tǒng)的光譜技術(shù)發(fā)生了根本的改變，大大改善了工作條件，提高了工作效率；使用OMA分析光譜，測量準(zhǔn)確迅速，方便，且靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，光譜分辨率高，測量結(jié)果可立即從顯示屏上讀出或由打印機(jī)，繪圖儀輸出。它己被廣泛使用于幾乎所有的光譜測量，分析及研究工作中，特別適應(yīng)于對微弱信號(hào)，瞬變信號(hào)的檢測。

構(gòu)成

一臺(tái)典型的光譜儀主要由一個(gè)光學(xué)平臺(tái)和一個(gè)檢測系統(tǒng)組成。包括以下幾個(gè)主要部分：

1.入射狹縫:在入射光的照射下形成光譜儀成像系統(tǒng)的物點(diǎn)。

2.準(zhǔn)直元件:使狹縫發(fā)出的光線變?yōu)槠叫泄狻Ｔ摐?zhǔn)直元件可以是一獨(dú)立的透鏡、反射鏡、或直接集成在色散元件上，如凹面光柵光譜儀中的凹面光柵。

3.色散元件:通常采用光柵，使光信號(hào)在空間上按波長分散成為多條光束。

4.聚焦元件:聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像，其中每一像點(diǎn)對應(yīng)于一特定波長。

5.探測器陣列：放置于焦平面，用于測量各波長像點(diǎn)的光強(qiáng)度。該探測器陣列可以是CCD陣列或其它種類的光探測器陣列。

分類

光譜儀的種類很多，分類方法也很多，根據(jù)光譜儀所采用的分解光譜的原理，可以將其分成兩大類：經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀是建立在空間色散（分光）原理上的儀器；新型光譜儀是建立在調(diào)制原理上的儀器，故又稱為調(diào)制光譜儀。

經(jīng)典光譜儀依據(jù)其色散原理可將儀器分為：棱鏡光譜儀、衍射光柵光譜儀、干涉光譜儀。

應(yīng)用

光譜儀應(yīng)用很廣，在農(nóng)業(yè)、天文、汽車、生物、化學(xué)、鍍膜、色度計(jì)量、環(huán)境檢測、薄膜工業(yè)、食品、印刷、造紙、拉曼光譜、半導(dǎo)體工業(yè)、成分檢測、顏色混合及匹配、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、熒光測量、寶石成分檢測、氧濃度傳感器、真空室鍍膜過程監(jiān)控、薄膜厚度測量、LED測量、發(fā)射光譜測量、紫外/可見吸收光譜測量、顏色測量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

透射測定

光譜儀的透射率或它的效率可用輔助單色儀裝置來測定。在可見和近紫外實(shí)現(xiàn)這些測量沒有任何困難。測量通過第一個(gè)單色儀的光通量，緊接著測量通過兩個(gè)單色儀的光通量，以這種方式來確定第二個(gè)單色儀的透射率。

絕對測量需要知道單色儀的絕對透射率：對于相對測量，以各種波長處的相對單位可以測量透射率。真空紫外線的這些測量有相當(dāng)大的實(shí)驗(yàn)困難，因此通常使用輔助單色儀。在各種入射角的情況下分別測量衍射光柵的效率。在許多實(shí)驗(yàn)步驟中已成功地避免了校準(zhǔn)上的困難。

曾經(jīng)研究過光柵效率與波長、入射角、鍍層厚度、鍍層材料以及其它因素的關(guān)系。所有這些測量都指出，在許多情況下能量損失是非常顯著的，并且光柵的效率低于1%，光柵的不同部分可能有明顯不同的效率。