光谱仪的性能参数

1 光谱范围

波长范围指光谱仪所能测量的波长区间，通常测量可见光选择380nm-780nm的范围，测量紫外光谱选择250nm–850nm，测量红外光谱选择350nm–1100nm。光栅及探测器的类型会影响波长范围，通常宽的波长范围意味着低的光谱分辨率。

2 光谱分辨率

光谱分辨率指能被光谱仪分辨开的最小波长差，光谱仪中有实际意义的分辨率定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM)，即最大峰值光强50%处所对应的谱线宽度。

分辨率依赖于狭缝宽度、光栅的分辨能力、系统的有效焦长、系统的光学像差等参数。入射狭缝决定了进入到光谱仪的光束宽度，狭缝越窄分辨率也越高；光栅刻划线数越多，色散效应随波长变化就会越明显，在最长波长处会得到最高分辨率；高像素的 CCD 探测器也可以获得更高的光谱分辨率。但是，分辨率越高，光信号越弱，噪声比也会变差，因此二者要适当兼顾。

3 灵敏度

灵敏度定义为某一特定波长照射到像元上的单位辐射度所产生的电信号输出，主要影响因素有光栅的效率、探测器材料等因素。

探测器的灵敏度在很大程度上由其材料特性决定，在CCD探测器上安装灵敏度增强透镜可以提高系统的灵敏度。适当增大狭缝，增加入射光通量，也能提高灵敏度。

4 动态范围

动态范围指光谱仪能测量到的最大与最小光能量的比值，比值越大性能越好。探测器的动态范围越大，所探测的光强度范围越大，光谱仪的信噪比与稳定性也就更好。

增大动态范围的途径是降低探测器的暗电流和噪声，可采用制冷型CCD，或选择量子效率更高、像素更大的CCD器件。

5 信噪比

信噪比指测得的信号能量水平与叠加在信号上的噪声水平的比值，信噪比越高，其测量值的偏差就越小。信噪比与光谱仪的探测器性能、电路噪声和光路杂散光相关。光谱仪的检测限也与信噪比直接相关，通常将测量的检测限定义为在信噪比为3时可成功测量到的信号水平。

对于CCD光谱仪，灵敏度越高，检测到的噪声信号越高，信噪比也就越低。CCD探测器的噪声包括自身的随机噪声、因温度引起的热噪声、读数时产生的读出噪声等几种。其中读出噪声与读取的速度有关，它发生在每次电荷转移过程中，因此读取速度越快，读出噪声也越高。在一定范围内，可以通过对多次读数进行平均来提高信噪比。另外，在牺牲分辨率的前提下，通过像素打包（BINNING）技术，将CCD探测器的多个像素绑定后对积累的电荷求和，也可以提高读取速度及信噪比。

6 读出速度

读出速度指在一定的入射光水平下，光谱仪输出谱图信号所需的时间，用来表征单位时间内数据处理速度的快慢。读出速度越快，单位时间内获得的信息越多，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及PC接口速度相关。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接口的最快速度可达到100张谱图/s，而RS232接口的最快速度只能达到2张谱图/s。

7 重复性

重复性是指光谱仪对多次测量同一样品的一致性。在机械扫描式光谱仪中，由于步进电机带来的机械定位问题，重复定位到同一波长有可能会出现误差，重复性可以用来衡量光谱仪返回原波长的能力。在阵列式光谱仪中，因为没有运动部件，因此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、系统的空间抗干扰能力等因素。

8 杂散光

在光谱仪中，杂散光指被测波长之外，探测器接收到的其他无用波长信号。杂散光会导致一定的背景光谱，影响测量信号的单色性，造成系统信噪比降低，导致分光测量误差增大，严重降低测量结果的精确度。

绝大多数光学参数都是通过对全谱段所测信号积分以后获得，尤其在测量窄波段LED的时候，测量结果很容易受到背景光（杂散光、探测器噪声等）的严重干扰，高精度光谱仪有较高的动态信号范围，能保证在全部光谱范围测量精度，而廉价光谱仪因为动态范围低而杂散光的水平高，在测量红光、蓝光尤其是白光LED的时候会产生很大的误差。

9 CCD的暗电流

CCD的暗电流指没有入射光时，像元内部因热激励载流子产生的电荷噪音。暗电流是CCD探测器固有的特性，它的存在限制了器件的灵敏度和动态范围。

由于CCD各像元的缺陷不完全一致，像元之间的的暗电流也呈现非均匀性，导致CCD输出带有固定背景噪音。通过关闭入射光，有意延长曝光时间，在探测器表面没有受到光子撞击时读取输出，可以求得各像元的修正系数，以此补偿测量值。另外，将CCD器件置于恒定的低温环境中，噪声影响将大大降低。