光譜儀

光譜儀( Spectroscope)是將成分複雜的光分解為光譜線的科學儀器，由稜鏡或衍射光柵等構成，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，可見光只佔光譜中很小的範圍，其餘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，或電腦化自動顯示數值儀器顯示和分析，從而測知物品中含有何種元素。這種技術被廣泛地應用於空氣污染、水污染、食品衞生、金屬工業等的檢測中。

將複色光分離成光譜的光學儀器。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稜鏡光譜儀、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。

如圖《圖片》所示是三稜鏡色譜儀的基本結構。狹縫S與稜鏡的主截面垂直，放置在透鏡L的物方焦面內，感光片放置在透鏡L的像方焦面內。用光源照明狹縫S， S的像成在感光片上成為光譜線，由於稜鏡的色散作用，不同波長的譜線彼此分開，就得入射光的光譜。稜鏡攝譜儀能觀察的光譜範圍決定於稜鏡等光學元件對光譜的吸收。普通光學玻璃只適用於可見光波段，用石英可擴展到紫外區，在紅外區一般使用氯化鈉、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範圍取決於光柵條紋的設計，可以具有較寬的光譜範圍。

表徵光譜儀基本特性的參量有光譜範圍、色散率、帶寬和分辨本領等。基於干涉原理設計的光譜儀（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，常用於光譜精細結構的分析。

根據現代光譜儀器的工作原理，光譜儀可以分為兩大類：經典光譜儀和新型光譜儀。經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製原理上的儀器。經典光譜儀器都是狹縫光譜儀器。調製光譜儀是非空間分光的，它採用圓孔進光。

根據色散組件的分光原理，光譜儀器可分為：稜鏡光譜儀，衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀。光學多道分析儀OMA (Optical Multi-channel Analyzer)是近十幾年出現的採用光子探測器(CCD)和計算機控制的新型光譜分析儀器，它集信息採集，處理，存儲諸功能於一體。由於OMA不再使用感光乳膠，避免和省去了暗室處理以及之後的一系列繁瑣處理，測量工作，使傳統的光譜技術發生了根本的改變，大大改善了工作條件，提高了工作效率；使用OMA分析光譜，測量準確迅速，方便，且靈敏度高，響應時間快，光譜分辨率高，測量結果可立即從顯示屏上讀出或由打印機，繪圖儀輸出。它己被廣泛使用於幾乎所有的光譜測量，分析及研究工作中，特別適應於對微弱信號，瞬變信號的檢測。

一台典型的光譜儀主要由一個光學平台和一個檢測系統組成。包括以下幾個主要部分：

1. 入射狹縫: 在入射光的照射下形成光譜儀成像系統的物點。

2. 準直元件: 使狹縫發出的光線變為平行光。該準直元件可以是一獨立的透鏡、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: 通常採用光柵，使光信號在空間上按波長分散成為多條光束。

4. 聚焦元件: 聚焦色散後的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像，其中每一像點對應於一特定波長。

5. 探測器陣列：放置於焦平面，用於測量各波長像點的光強度。該探測器陣列可以是CCD陣列或其它種類的光探測器陣列。

光譜儀的種類很多，分類方法也很多，根據光譜儀所採用的分解光譜的原理，可以將其分成兩大類：經典光譜儀和新型光譜儀。經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製原理上的儀器，故又稱為調製光譜儀。 ^[1] 

經典光譜儀依據其色散原理可將儀器分為：稜鏡光譜儀、衍射光柵光譜儀、 ^[2]  干涉光譜儀。

根據光譜儀器所能正常工作的光譜範圍，光譜儀可分為：

光譜儀應用很廣，在農業、天文、汽車、生物、化學、鍍膜、色度計量、環境檢測、薄膜工業、食品、印刷、造紙、拉曼光譜、半導體工業、成分檢測、顏色混合及匹配、生物醫學應用、熒光測量、寶石成分檢測、氧濃度傳感器、真空室鍍膜過程監控、薄膜厚度測量、LED測量、發射光譜測量、紫外/可見吸收光譜測量、顏色測量等領域應用廣泛。 ^[3] 

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

絕對測量需要知道單色儀的絕對透射率：對於相對測量，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大的實驗困難，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。在許多實驗步驟中已成功地避免了校準上的困難。

曾經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係。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，並且光柵的效率低於1%，光柵的不同部分可能有明顯不同的效率。