光谱仪主要指标定义

硬件概念：

1. 入射狭缝: 在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。

2. 准直元件: 使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。

3. 色散元件: 通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。

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狭缝的像，其中每一像点对应于特定波长。

5. 探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。

参数概念：

1. 波长范围

  波长范围是光谱仪所能测量的波长区间。光栅的类型以及探测器的类型会影响波长范围。一般来说，宽的波长范围意味着低的波长分辨率，所以用户需要在波长范围和波长分辨率两个参数间做权衡。如果同时需要宽的波长范围和高的波长分辨率，则需要组合使用多个光谱仪通道（多通道光谱仪）。

2. 波长分辨率 

  顾名思义，波长分辨率描述了光谱仪能够分辨波长的能力，最常用的光谱仪的波长分辨率大约为1nm，即可以区分间隔1nm的两条谱线。波长分辨率与波长的取样间隔（数据的x坐标的间隔）是两个不同概念。一般来说，高的波长分辨率意味着小额度波长范围，所以用户需要在波长范围和波长分辨率两个参数间做权衡。如果同时需要宽的波长范围和高的波长分辨率，则需要组合使用多个光谱仪通道（多通道光谱仪）。

3. 噪声等效功率和动态范围 

  当信号的值与噪声的值相当时，从噪声中分辨信号就会非常困难。一般用与噪声相当的信号的值（光谱辐照度或光谱辐亮度）来表征能一个光谱仪所能够测量的最弱的光强(Y轴的最小值)。噪声等效功率越小，光谱仪就可以测量更弱的信号。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型等等参数都会影响噪声等效功率。因为这些参数也会影响波长范围和波长分辨率，用户需要在这些指标间做出取舍。对探测器制冷有助于减小探测器的热噪音，优化探测器检测弱光的能力。

  动态范围描述一个光谱仪所能够测量到的最强的信号与最弱的信号的比值。最强的信号为光谱仪在信号不饱和情况下，所能测量的最大信号值，最弱的信号用上述的噪声等效功率衡量。动态范围主要受制于探测器的类型。传统上，动态范围是影响测量方便性的一个关键的指标，但目前大部分光纤光谱仪都可以通过调整积分时间的方式等效地扩大动态范围，因此，动态范围一般不会对用户的测量带来困扰。 

4. 灵敏度与信噪比

  灵敏度描述了光谱仪把光信号变成电子学信号的能力，高的灵敏度有助于减小电路本身的噪声对结果影响。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型以及电路的参数都会影响灵敏度。衍射效率高的光栅和量子效率高的探测器都有利于提高光谱仪的灵敏度。人为地调高前置放大电路的放大倍数也会提高名义上的灵敏度，但并不一定有助于实际的测量。宽的狭缝会改善灵敏度，但也会降低分辨率，因此，需要用户综合考虑和权衡。

  光谱仪的信噪比定义为：光谱仪在强光照射下，接近饱和时的信号的平均值与信号偏离平均值的抖动值（以标准偏差横向）的比。需要注意的是，因为定义中没有对光源做任何限制，使用这个定义所测量到的信噪比并不能等同于用户在实际实验中所能实现的信噪比。光谱仪的信噪比主要受探测器限制。通过光谱仪电路的平均功能累加信号，可以提高实际测量中的信噪比。

5. 干扰与稳定性 

  实际光谱仪与理想光谱仪的重要区别之一是其内部存在杂散光等干扰。杂散光会影响信号的准确性，并对测量弱信号带来麻烦。特殊设计的低杂散光光路能够降低光路中的杂散光。

  光谱仪的光路和探测器都不可避免地随着环境而变化，例如，环境温度的变化会导致光谱仪波长（X轴）的漂移。对光路和探测器做特殊处理能够增强光谱仪的长期稳定性。然而，这些特殊处理会增加光谱仪的硬件成本。

6. 光谱笑脸效应 

    光谱笑脸效应定义为仪器测量的光谱通道中心波长随位置（空间像素）的变化。这个效应通常看起来在跨过仪器的像面视场上的一条弯曲或倾斜的窄光谱线（如一条激光线），请参阅下图。

导致光谱的笑脸效应原因主要有两个：（1）表现为跨过视场的一条弯曲或弧形的光谱线，这是由于光学系统或分光原件的畸变造成的。（2）是狭缝和传感器没有对准造成的，表现为跨过视场的一条倾斜的光谱线。

7. 等效辐射噪声 

    用于描述传感器的噪声特性和灵敏度方面，噪声等效辐亮度（NER）和信噪比相比更通用一些。NER定义为能够产生信噪比为1 时的辐亮度（W/m2 nm sr）。NER越小，说明传感器越好（高

灵敏度）。由于信噪比是波长的函数，所以NER同样是波长的函数，而不仅仅是一个数值。和信噪比不同，信噪比和测量时使用的光源相关，而NER曲线和入射的辐亮度无关。NER曲线的幅值的确和积分时间有关，所以NER曲线应该伴随给出积分时间信息。

8. 杂散光

    高光谱成像系统的杂散光是指那些照射到传感器上错误的空间和光谱位置的光线。这是由于没有适当成像，当通过其他光路从目标到达像面上。由于光学系统的问题（比如散焦，光学畸变

等）杂散光没有照射到像面正确的像素上。杂散光将导致获得的数据出现严重误差，并且不能

通过系统标定来补偿去掉。

    在日常摄影时，我们会遇到杂散光效应，比如不干净的镜头的影响。杂散光可能来自不同的光源，比如视场外的光线进入光谱仪，并从内壁反射到达传感器，来自灰尘或有缺陷的镀膜的散

射光，来自其他衍射级的而非用于成像的反射光等。另外一种类型的杂散光就是通过仪器机箱

的孔径或狭缝泄露到传感器上所谓的寄生杂散光。