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光纖光譜儀術語表

2025-11-12 09:09:45

使用術語表的目標是幫助您了解整個行業(yè)中使用的光譜學和技術術語,闡明了常見術語的定義,如信噪比、熱穩(wěn)定性和靈敏度。 

注意:此術語表按字母排序

1.Aberration 像差 

像差是指實際光學系統(tǒng)中,由非近軸光線追跡所得的結(jié)果和近軸光線追跡所得的結(jié)果不***致,與高斯光學的理想狀況的偏差。在光譜儀中,光學像差通常表現(xiàn)為來自單點的光在通過系統(tǒng)后不能匯聚成***點,在光譜中表現(xiàn)為 “模糊 “或 “變形”。像差并不***定是由于光學元件的缺陷造成的,出現(xiàn)像差的原因是簡單的準軸理論并不能完全準確地模擬光學系統(tǒng)對光線的影響??赡苡绊懝鈱W系統(tǒng)的各種像差包括以下幾種:

  • 色差–不同波長的光線被鏡頭聚焦到不同的點上,導致光譜中出現(xiàn)條紋圖案。 

  • 慧差–軸外物點以寬光束成像的***種失對稱的垂軸像差。 

  • 像散–在兩個垂直面上傳播的光線被鏡頭聚焦在不同的距離上,因此圖像的***部分可能聚焦,而另***部分則模糊。 

  • 球差 – 鏡頭邊緣的光線比中心的光線聚焦得更銳利或更不銳利,導致銳利的物體邊緣變得模糊。

通過使用精密光學儀器和薄膜涂層,可以減少其中***些像差的影響。像差會導致小狹縫的光譜峰值形狀變得非高斯,更重要的是當光譜儀的入口狹縫尺寸較小時,像差限制了光學分辨率。

2.Absolute (Spectral) Irradiance Calibration 絕對輻照度校準 

絕對輻照度校準是指用***臺已知光譜輸出功率的燈來校準光譜儀每個像元下的響應強度。絕對輻射校準改變了整個光譜的形狀和大小,校正了儀器的單個儀器響應函數(shù)(IRF)。通過絕對輻射校準后的光譜的單位是單位面積單位波長的功率輸出,通常單位表達為μW/cm2*nm。

請注意,絕對輻照度不是這個量值的技術性的正確術語,這個量值是依賴波長的,它的正確術語應該是絕對光譜輻照度。

3. Absorbance 吸光度

吸光度(absorbance):是指光線通過溶液或某***物質(zhì)前的入射光強度與該光線通過溶液或物質(zhì)后的透射光強度比值的以10為底的對數(shù)(即lg(I0/It)),其中I0為入射光強,It為透射光強,影響它的因素有溶劑、濃度、溫度等等。
吸光系數(shù)與入射光的波長以及被光通過的物質(zhì)有關,只要光的波長被固定下來,同***種物質(zhì),吸光系數(shù)就不變。當***束光通過***個吸光物質(zhì)(通常為溶液)時,溶質(zhì)吸收了光能,光的強度減弱。吸光度就是用來衡量光被吸收程度的***個物理量。吸光度用A表示。
其中,A(λ)為某波長下的吸光度值,ε(λ)為吸收系數(shù),c為溶液的濃度(單位mol/L),l為溶液厚度(單位cm)。
當***束平行單色光垂直通過某***均勻非散射的吸光物質(zhì)時,其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度l成正比,而與透光度T成反比。
透過率T是透射光強度 (It) 與入射光強度 (I0) 的比值,并且會隨著光程長度和濃度的增加而降低。通過透射率T來計算吸光度:

符號A,表示物質(zhì)對光的吸收程度。lg(I0/It)式中I0是通過均勻的液體介質(zhì)的***束平行光的入射光的強度;It是透射光強度;T是透射比。A值越大,表示物質(zhì)對光的吸收越大。根據(jù)比爾定律,吸光度與吸光物質(zhì)的量濃度c成正比,以A對c作圖,可得到光度分析的校準曲線。在多組分體系中,如果各組分的吸光質(zhì)點彼此不發(fā)生作用,那么吸光度便等于各組分吸光度之和,這***規(guī)律稱吸光度的加和性。據(jù)此可以進行多組分同時測定及某些化學反應平衡常數(shù)的測定。在吸光度測定中,為抵消吸收池對入射光的吸收、反射以及溶劑、試劑等對入射光的吸收、散射等因素,可選用雙光束分光光度計,并選光學性質(zhì)相同、厚度相等的吸收池分別盛待測溶液和參比溶液。

4.Analog Input/Output模擬輸入/輸出 

模擬輸入/輸出引腳允許光譜儀與外部設備通信。例如,輸出引腳上的電壓可在指定范圍內(nèi)增量變化,以控制外部設備,因此由模擬輸出引腳控制的燈可根據(jù)光譜儀產(chǎn)生的電壓改變強度。在這種情況下,可將燈的強度設置為 0 V 時為零,+5 V 時為***大,燈的亮度以 0.1 V 為增量逐漸變化。反過來,模擬輸入引腳可以接受來自外部設備的變化電壓,以改變光譜儀系統(tǒng)的某些特性(如觸發(fā)延遲)。與 GPIO 引腳(只存在開或關狀態(tài))不同,模擬輸入/輸出引腳是漸進式可變的。

5.Analog to Digital Converter (ADC)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 

光譜儀中的這***組件負責將探測器的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后發(fā)送到計算機并由計算機進行處理,以便進行圖形顯示。入射光子在探測器像素中產(chǎn)生電子,然后由 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。A/D 向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)的速度以 MHz(每秒百萬次)為單位。由于探測器的***大時鐘速度通常是光譜儀系統(tǒng)速度的限制因素,因此 A/D 速度規(guī)格通常不應被用來比較不同光譜儀的性能。此外,設備中其他電子元件的速度也會限制光譜儀的整體采集速度。因此,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度或分辨率并不是表征光譜儀的特性。

6. Autonulling 自動歸零

自動歸零是用來調(diào)整光譜儀的基線回歸,對于特定的光譜儀,可以把基線回歸到用戶指定的水平。如果用戶需要用兩臺不同的光譜儀測量同***個光源的時候,需要用到這個功能。這個功能可以把不同光譜儀的基線調(diào)整成可以互相比較的狀態(tài),這樣不同的光譜儀輸出的光譜圖才有比較的可能性。

7.Averaging (Time and Spatial) 平均(時間和空間)

在查看或采集光譜時,可以進行兩種信號平均:基于時間的平均和基于空間的平均?;跁r間的平均法通過計算單個像素在多次光譜掃描中的平均輸出來增加捕獲的光譜信息量。這***過程比查看***次掃描結(jié)果花費更多時間,但能產(chǎn)生更高的信噪比 (SNR),并能穩(wěn)定波動的數(shù)據(jù)。信噪比將以基于時間的平均值數(shù)量的平方根遞增。例如,如果使用 100 次平均值,信噪比將增加 10 倍,但測量所需的時間將是單次掃描的 100 倍。

基于空間的平均法(或海洋光學軟件中的滑動平滑法)通過將相鄰像素的值平均在***起,在視覺上平滑單次掃描的結(jié)果。這***過程提高了信噪比,但犧牲了光學分辨率??臻g平均法在光譜相對平坦且相鄰像素之間變化較小的情況下非常有用,因為由此造成的分辨率損失會使銳利的光譜特征難以分辨。使用空間平均法時,信噪比將按平均像素數(shù)的平方根增加。

8. Background Spectrum 背景光譜

背景光譜是指沒有樣品存在的時,光譜儀輸出的光譜。不同的是,暗光譜代表在完全沒有光存在的情況下的光譜圖。比如:在反射率測量的時候,用光纖連接的光源,但在室內(nèi)光的環(huán)境下完成。在這種情況下,即使是測量純黑的樣品,室內(nèi)光也會進入到入射光纖中。這時阻隔入射光纖將會阻隔所有光,連背景光譜都被計算在內(nèi),就導致了純黑的樣品同樣顯示有***些反射,因為周圍室內(nèi)光線會被當做由樣品發(fā)出的。當提取背景光譜時,只有反射光線會被阻止進入光譜儀,在這種情況下,提取背景光譜時應該關掉光纖連接的光源,只考慮背景光。作為對比,暗光譜是指在沒有光進入到光譜儀,由檢測器、電路、光學器件等導致檢測器產(chǎn)生的信號。

9.Band Gap (also Bandgap)帶隙 

在硅探測器等半導體中,帶隙指的是價帶頂部和導帶底部之間的電子能量差。當能量與帶隙相匹配的光子落在探測器上時,電子就會從價帶上升到導帶,并加入像素 “池 “中進行處理。電子被儲存在像素井中,直到累積的電荷從探測器中移除并傳輸?shù)?A/D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器輸出經(jīng)處理后形成所需的光譜。

不過,電子也可能因受熱而升高。探測器無法將這些電子與光子吸收產(chǎn)生的電子區(qū)分開來。這些不需要的電子就是暗噪的原因。由于光子的能量隨著波長的增加而減少,1100 納米以上的紅外光子無法用硅 CCD 檢測到,因為它們?nèi)狈Υ龠M電子穿過帶隙的必要能量。紅外光譜儀通常使用 InGaAs 檢測器,因為與硅檢測器相比,InGaAs 的帶隙更小,波長截止點更高。帶隙較小的***個副作用是 “熱噪音 “電子產(chǎn)生的暗噪較高。

10. Baseline Drift 基線漂移

光譜儀的基線漂移是因為溫度改變導致的平均基線回歸的整體偏差。隨著溫度的增加,暗噪聲的影響將會增大。然而,取決于(不同)檢測器,電子補償可能會隨著溫度升高而增加,也可能會隨著溫度增加而減小。索尼ILX511B檢測器就是***個很典型的基線隨著溫度增加而降低的實例,因為負電子補償?shù)挠绊懷谏w了因暗噪聲導致的基線小幅增加。理論上,溫度的變化可能會在檢測器上產(chǎn)生相同和相反的效果,因此不會產(chǎn)生基線漂移。

11. Baseline Noise 基線噪聲

基線噪聲是讀出噪聲、暗噪聲和電子噪聲的總和?;€噪聲的規(guī)范是(通過以下步驟得到的),***先將光譜儀的積分時間設到***低(盡可能的減小暗噪聲)進行測量,然后隔絕進入光譜儀的所有光線,記錄下100次光譜數(shù)值。每個單***像素輸出的標準差的平均值提供了設備的***小基線噪聲。基線噪聲并不是品質(zhì)因數(shù),但它可以用于計算動態(tài)范圍。

12. Baseline Offset 基線回歸(基線補償)

基線回歸指的是在沒有光入射的情況下,儀器顯示的數(shù)值。這些數(shù)值對于檢測器的每個像元略有不同。像元與像元之間回歸差異的***終形狀形成了固定圖像噪聲?;€回歸有三個基本影響因素:電子補償,暗電流和讀出噪聲。儀器的單個平均值可以通過平均檢測器所有的基線回歸計算出來。

13.Bend Radius彎曲半徑

光纖在無損壞風險的情況下可彎曲成的***小圓半徑。這個術語可能有點令人困惑,因為數(shù)字越小,表示允許的彎曲越緊。這個半徑是纖維直徑的函數(shù),較大的纖維硬度更高,***小彎曲半徑也更大。

  • LTBR(長期彎曲半徑):作為儲存條件下允許的***小半徑。
  • STBR(短時彎曲半徑):在使用和搬運過程中,應遵守允許的***小半徑。

14.Best Efficiency (of a diffraction grating)***佳效率(衍射光柵)

所有刻線或全息蝕刻光柵都能優(yōu)化某些波長區(qū)域的***階光譜;”***佳 “或 “***有效 “區(qū)域是效率大于 30% 的范圍。在某些情況下,光柵的光譜范圍大于有效衍射范圍。例如,海洋光學 1 號光柵的光譜范圍為 650 nm,但在 200 nm 至 575 nm 的 375 nm 范圍內(nèi)效率***高。在這種情況下,由于光柵的效率降低,檢測器上看到的波長大于 575 nm 的光強明顯較低。

14.Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF)雙向反射分布函數(shù) (BRDF)

描述在指定的輸出和輸入方向上,從表面射出的輻射量與射入表面的輻照量之比的函數(shù),因為輸入和輸出方向都是二維的(方位角和天頂角),所以整個函數(shù)是四維的。由于正常 BRDF 不包括波長項,因此對光譜分析不是很有用,也不是大多數(shù)表面的良好模型。添加入射波長項可以輕松解決這個問題。不過,完整的 BRDF 需要測角儀的設置,而且大多數(shù)情況下并不需要完整的與波長相關的 BRDF – ***個簡單的子集或近似值就足夠了。

例如,***個表面通常只有漫反射(45° 輸入角,0° 輸出角)和鏡面反射(0° 輸入角,0° 輸出角)。

15. Blaze Wavelength (of a diffraction grating) 衍射光柵的閃耀波長

對于刻劃光柵(刻蝕光柵),閃耀波長是光柵效率曲線的峰值波長??涛g光柵的三角形凹槽的傾斜度是典型的用來調(diào)整提高特定波長下特定衍射***次的亮度。全息光柵是正弦凹槽結(jié)構(gòu),因此它沒有刻劃光柵的亮度高,但它比刻劃光柵的散射光水平低,所以減小了雜散光。全息光柵沒有閃耀波長。

16.Blue Light Hazard藍光危害 

這***術語是指可見光譜內(nèi)的波長(特別是 400-500 納米范圍內(nèi)的波長)可能對視網(wǎng)膜造成的損害,而不是已知會造成損害的紫外線波長。據(jù)信,430 納米以下的光線會對視網(wǎng)膜造成特別嚴重的損傷。光譜儀可以提供光源所有相關波長的詳細數(shù)據(jù),而不是將整個光譜歸結(jié)為簡單的 xy 色度。

17.Boxcar Smoothing滑動平均 

滑動平均法是***種空間平均法,可應用于光譜。這種處理方法通過平均相鄰像素的值來消除噪聲,從而提高信噪比,但會犧牲光學分辨率。空間平均法在光譜相對平坦、相鄰像素之間變化不大的情況下非常有用,因為由此造成的分辨率損失會使銳利的光譜特征難以分辨。使用空間平均法時,信噪比將按平均像素數(shù)的平方根增加。請注意,在海洋光學軟件中,輸入的寬度值是將單個像素左側(cè)和右側(cè)的像素數(shù)量平均到***起?;瑒悠骄禐?4 時,實際是將 9 個像素(左邊 4 個像素 + 中間 1 個像素 + 右邊 4 個像素)平均在***起,信噪比提高了 3 倍。 同樣,滑動平均值為 2(5 個像素)時,信噪比提高了 2.2 倍,滑動平均值為 0(1 個像素)時,信噪比提高了 1 倍(光譜保持不變)。

由于大多數(shù)光譜儀都會對光譜進行 “超采樣”(即光學分辨率超過探測器上兩個像素之間的距離),因此可以對相鄰幾個像素的信號進行平均,以降低噪聲而不損失光譜分辨率。在 OceanView 中,這種類型的降噪是通過滑動平均來實現(xiàn)的。通過 “滑動平均寬度 “設置來選擇平均值中包含的中心像素兩側(cè)像素的數(shù)量,0 表示不進行平均。

但是,***旦平均值中包含的像素總數(shù)超過光譜儀的像素分辨率,就需要在平滑與光譜分辨率之間進行權(quán)衡。光譜儀的像素分辨率取決于光譜儀的光學平臺和狹縫尺寸(請參閱 “光譜儀狹縫尺寸的選擇如何影響光學分辨率?)以 10 μm 狹縫的光譜儀為例,2 或更大的滑動平均寬度將開始降低光譜儀的分辨率。這通常不是***個問題,但在要求高分辨率的應用中,或在存在容易導致探測器飽和的尖銳特征(如氘燈光譜中觀測到的 D-α 線)的應用中,則應加以考慮。

18.CCD Back Thinned DetectorCCD 背照式探測器 

傳統(tǒng)硅 CCD 檢測器的正面包含多個結(jié)構(gòu),負責將電子電荷從像素中轉(zhuǎn)移出來。這些結(jié)構(gòu)在***定程度上減少了所有波長光子的穿透。它們會大大減少 450 納米以下的光子,并完全阻擋 400 納米以下的光子,從而使標準硅探測器在紫外線波長范圍內(nèi)的響應較差。背面減薄探測器通過蝕刻減薄的探測器芯片背面照射光線,從而克服了紫外線吸收的問題。紫外線光子從芯片背面進入,不需要通過這些吸收結(jié)構(gòu)就能被探測到,從而大大提高了芯片在紫外線范圍內(nèi)的靈敏度。不過,蝕刻工藝成本高昂,而且生產(chǎn)出的芯片易碎得多。另***種提高檢測器紫外線性能的方法是使用在紫外線下會發(fā)出熒光的紫外線涂層。這種涂層會發(fā)出較低頻率的光子,這些光子可能會被探測器紫外端像素接收到。

19.Charge-Coupled Device (CCD)電荷耦合器件 

電荷耦合器件(CCD)是***種電氣元件,負責將進入的光子轉(zhuǎn)換為電荷。光譜儀中的探測器就是 CCD 的***個例子,它用于測量進入系統(tǒng)的每個波長的光量。當光子落在 CCD 的不同像素上時,就會產(chǎn)生并存儲電子。在記錄樣本后,累積的電荷會從芯片中轉(zhuǎn)移出來,數(shù)字化并發(fā)送到計算機進行分析。光譜儀的輸出顯示為光譜。

20. Chromaticity 色度
海洋光學光譜儀可以測量樣品的色度或顏色。色度是***個光度參數(shù)(匹配人眼的響應),通常用CIE標準坐標表示。人眼中有錐體細胞,它充當***個紅,綠,藍顏色傳感器,你“看”到的每種顏色都是這些細胞綜合響應的結(jié)果。同樣的,光譜儀通過接收這些傳感器(根據(jù)它的光譜輸出)的光度響應來計算樣品的顏色,使其***匹配我們所看到的顏色。光譜儀還可以進***步操作,通過量化所看到的樣品的顏色,進而計算出以下參數(shù):
 相關色溫(CCT)——當絕對黑體發(fā)射出光與樣品顏色***致時,黑體的溫度。與傳統(tǒng)意義上的“冷光源、熱光源”不同,光源如果發(fā)藍光可以被表述為冷光源,如果偏紅光可以被表述為暖光源,然而黑體從紅光到黃光到白光到綠光變化時,溫度卻逐漸升高。***個有很高相關色溫的藍光LED看起來比***個有很低色溫的紅光LED更“冷”。

? 色彩飽和度——這是測量樣品的顏色有多豐富。越白的樣品,越接近色度圖的中間,越比接近色度圖邊緣的樣品有更少的“色彩飽和度”。這與飽和度不同。

? 主波長——在這個波長下,可以用***條直線從CIE顏色圖表中的白色“中心點”穿過CIE樣品坐標,打在CIE圖表邊緣上。主波長不***定是光譜***高峰的波長。

色度通常由下面的圖表來說明,它包含了人眼能夠感知的每***種色調(diào)。在圖像的邊緣(從底角順時針移動),可見光波長依次增大。每***種可以看到的顏色都可以通過圖像邊緣的波長的顏色疊加而成。

樣品通常會給出CIE的xyz坐標(通過x-y圖可以看出),盡管經(jīng)常用L*a*b*圖。樣品的感知顏色將隨著入射光的變化而變化,因此在進行顏色反射率測量時,表述出你用來照射你的樣品的光的信息是很重要的。

21.CMOS DetectorCMOS 探測器 

CMOS(互補金屬氧化物半導體)探測器的功能與 CCD 探測器相同,都是將入射光子轉(zhuǎn)換為電荷。與 CCD 相比,CMOS 檢測器是***種較新的技術,其推動力來自智能手機攝像頭。

CMOS 探測器的每個像素都附有***個放大器,用于將測量后的累積電荷傳輸?shù)?A/D 轉(zhuǎn)換器(而 CCD 則是將每個像素的電荷單獨傳輸?shù)?**個放大器)。與 CCD 相比,CMOS 檢測器可能含有更多的固定模式噪聲,因此需要對每個像素進行單獨的線性校正。CMOS 檢測器確實減少了從***個像素到鄰近像素的電荷泄漏,從而提高了峰值的清晰度。CMOS 探測器的運行速度通常比 CCD 快得多。

22. Collimated 準直

光進入樣品中或光譜儀中可能是準直的,也可能是色散的。準直光是指只包含了平行入射光的光束,而色散光包含了多個入射方向。有些技術(例如吸光度),入射光***定要是準直光,準直光穿透樣品,并被另***側(cè)的光譜儀捕捉到。在進行這樣的測量時,為了確保海洋光學的光譜儀校準的準確性,準直透鏡***定要與兩根光纖相連,***根連接光源,***根連接光譜儀。

23.Communication Bus通信總線 

通信總線是光譜儀向計算機傳輸數(shù)據(jù)的端口。海洋光學光譜儀利用 USB、RS-232、SPI、I2C 或以太網(wǎng)與計算機連接。

24. Cosine Corrector 余弦校正器

余弦校正器是***個通過光學散射方式捕捉180度視場角內(nèi)光信號的部件。余弦校正器通常是和光纖配套使用,或者在特定情況下,直接和光譜儀相連。在測量平面的輻射時,余弦校正器是非常需要的***個配件。

25.Dark Current 暗電流 

暗電流是隨機熱波動產(chǎn)生足夠的能量,推動電子穿過帶隙,產(chǎn)生電子-空穴對的結(jié)果。電子-空穴對被局部電場分離,自由電子被儲存在阱中。光譜儀無法將這些熱電子與入射光子產(chǎn)生的電子區(qū)分開來,因此它們在光譜中顯示為噪聲。在給定溫度下電子-空穴對的生成率稱為暗電流。暗電流的波動是入射噪聲的結(jié)果,并產(chǎn)生暗噪聲。由于暗電流是電子-空穴對的持續(xù)產(chǎn)生,因此積分時間越長,暗電流產(chǎn)生的電子數(shù)量就越多。CCD 的熱電冷卻可顯著降低暗電流和暗噪,在實際應用中,高性能光譜儀通常會冷卻到在典型曝光間隔內(nèi)暗電流可忽略不計的溫度。

26. Dark Noise 暗噪音

暗噪聲是由于CCD的硅結(jié)構(gòu)內(nèi)熱產(chǎn)生的電子 - 空穴對的數(shù)量的統(tǒng)計變化形成的。暗噪聲與光子產(chǎn)生的信號無關,但與設備溫度有很大的關系。在給定的CCD溫度下,電子的產(chǎn)生率被稱作暗電流。暗噪聲是散粒噪聲的***種形式,它與暗電流有直接關系,它的大小等于積分時間內(nèi)電子產(chǎn)生的數(shù)量的平方根。CCD的熱電冷卻可以顯著減小暗電流和暗噪聲。在光譜儀中,在光子能是很低且暗噪聲可以輕易掩蓋有效信號時,熱電冷卻可以將暗電流減小到在整個積分間隔時間內(nèi)可以不計的程度。

27. Dark Spectrum 暗光譜

暗光譜是指在沒有光入射(無論是從樣品發(fā)出,還是周圍的環(huán)境光源發(fā)出的光都不存在)的情況下,光譜儀在給定積分時間內(nèi)***系列的光譜的波長數(shù)值。暗光譜被用來校正基線回歸和固定圖形噪聲。暗光譜在其他海洋光學文獻中也被稱作“暗信號”。

值得注意的是,暗光譜不同于背景光譜,背景光譜代表了在沒有參考光源時光譜儀的信號。

28.Data Transfer Speed數(shù)據(jù)傳輸速度

數(shù)據(jù)傳輸速度是指設備每秒可獲取和傳輸?shù)墓庾V數(shù)量(假設接收設備不產(chǎn)生延遲)。這個數(shù)字通常取決于通信總線。***大數(shù)據(jù)傳輸速度不能簡單地用***短積分時間來計算,因為除了積分時間外,還受其他因素影響。

29.Dead Pixel 壞像素

像素或像素組的響應明顯低于周圍像素的平均值。有時也稱為缺失。如果該像素只是響應較弱,而不是完全失真,則可將其視為儀器響應功能的***部分,并通過適當?shù)膮⒖歼M行校正。不過,像素的響應速度降低會導致該像素的信噪比降低,但這通常不是問題。如果像素太弱或完全無響應,則可將其視為有缺陷的像素并進行插值處理。

30.Defective Pixel有缺陷的像素

出現(xiàn)不可接受信號的像素。這種行為可能是***個壞像素、***個彈出像素或***個不可接受的熱像素。典型的解決方法是不使用該像素,用***個內(nèi)插值代替。例如,NIRQuest 系列光譜儀支持存儲像素位置以供參考。OmniDriver 和 OceanView 會自動用該像素前后相鄰良好像素的平均值替換該像素。

31.Detector探測器

光譜儀中的探測器捕捉光信號并輸出電信號。海洋光學的光譜儀采用 CCD 或 CMOS 探測器,通常由硅(紫外-可見光測量)或InGaAs(近紅外測量)制成。

這些半導體材料會因光子釋放的電子而積累電荷,然后在每次讀數(shù)結(jié)束時讀出電荷值。對每個像素的讀出值進行處理,并計算出光譜。

32.Diffraction Grating (also known as Grating)衍射光柵(又稱光柵)

在光學中,衍射光柵是***種具有周期性結(jié)構(gòu)的光學元件,它能將光分成幾束并衍射到不同的方向。這些光束的方向取決于光柵的間距和(對光譜學來說***重要的)光的波長。在光譜儀中,光柵起著色散元件的作用。

大多數(shù)光譜儀利用光柵將進入的光束分成不同波長的光束。這就利用了光學原理中的衍射原理:不同波長的光束會通過不同角度從色散元件透射或反射出來,從而將***束多波長光束分離成許多單波長光束。

海洋光學公司提供***系列衍射光柵,以滿足各種波長范圍和分辨率的要求。通常情況下,必須在這兩個參數(shù)之間取得平衡:當光柵上的線數(shù)/毫米增加時,分辨率會提高,但可能發(fā)生散射的波長范圍會縮小。

33. Diffuse 色散

光進入樣品或光譜儀時可能發(fā)生色散或準直。色散光包含了多個方向的光束,而準直光只包含平行入射的光束。為了得到自由空間的測量,在光譜儀上連接***個海洋光譜色散儀配件。這可以捕捉180°視野范圍的光線。色散儀同樣可以用來捕捉平面發(fā)出的光譜。(光譜儀配件,CC-3-UV-S,漫反射塑料片,使光譜儀可以捕捉180°的散射光,收集到的光符合朗博特性)。

34.Dispersion (concept)色散(概念)

色散是指光的波長分離。在光譜儀中,光的分離可以由棱鏡或衍射光柵來實現(xiàn)。正是這種光的色散使得不同波長的光可以照射到探測器上的不同像素上。

35.Dispersion (value)色散度(值)

衍射光柵的光譜范圍與探測器元件數(shù)量之比稱為色散。該值以納米/像素為單位,與像素分辨率***起用于確定光譜儀的光學分辨率。請注意,海洋光學對色散的定義與衍射光柵的常用單位略有不同。

36.Drop out Pixel 無效像素

***個或多個壞像素或弱像素。

37.Dynamic Range (Single Acquisition/System)動態(tài)范圍(單次采集/系統(tǒng))

動態(tài)范圍是指***大可檢信號(接近飽和時)值除以***小可檢信號 ,這可以認為是被光譜儀分解成的不同強度單元。***小可檢信號定義為平均值等同于基線噪聲的信號,這代表了信噪比為1。我們***般認為***弱信號是指3倍于噪聲信號。

單次信號采集的動態(tài)范圍是指在***短的積分時間內(nèi)得到***大可能的動態(tài)范圍。整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍是指在***長的積分時間下***大信號與***小信號的比,乘以***長積分時間與***短積分時間的比。

信號采集的動態(tài)范圍=飽和狀態(tài)的信號強度/***短積分時間下的基線噪聲

系統(tǒng)的動態(tài)范圍=(飽和狀態(tài)下的信號強度/***長積分時間下的基線噪聲) x (***長積分時間/***短積分時間)

38. Electric Dark Correction 電子暗噪聲校正(電子暗噪聲扣除)

電子暗噪聲:由于不需要的像元素產(chǎn)生的噪聲;

光譜噪聲:包含:電子暗噪聲、由于光的不穩(wěn)定性造成的噪聲;

為了補償隨時間變化的回歸基線產(chǎn)生的變化,海洋光學光譜儀都有***組有不參加光譜圖的像元(這些像元接收不到光)。將這些暗像元的輸出值作平均,并在電子暗噪聲校正激活狀態(tài)下從檢測器中所有像元的輸出值中減去。這會導致檢測器所有像元總數(shù)的基線回歸(沒有光入射)讀數(shù)下降到零左右,更重要的是,整個試驗中任何可能產(chǎn)生的基線回歸的變化都會被自動補償。強烈推薦用電子暗噪聲校正。
39. Electronic Noise 電子噪聲

組成電子噪聲的其中***種噪聲是在A/D轉(zhuǎn)換器的信號通道中產(chǎn)生的。這可能是由于設備中其他電子元件耦合的噪聲,放大器噪聲或A/D轉(zhuǎn)換錯誤的結(jié)果導致的。這些噪聲轉(zhuǎn)換完全相同的電荷并不***定得到完全相同的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。量化誤差也是產(chǎn)生電子噪聲的原因之***。

40.Electronic Offset電子偏移 

電子偏移是探測器輸出***低電壓時顯示的計數(shù)數(shù)。這是探測器輸出電壓如何映射到 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍的結(jié)果。這個數(shù)字與暗噪聲、讀出噪聲、電子噪聲和有用信號光子無關。電子偏移可能與溫度有關,在某些設備中,基線偏移可能會隨著溫度的升高而降低,而不是像典型的 CCD 所預期的那樣升高。

包括 HR2000+ 和 USB2000+ 光譜儀在內(nèi)的早期型號光譜儀就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。在短積分時間內(nèi),大部分基線偏移值都是電子偏移的結(jié)果。當沒有光存在時,基線噪聲會增加該值,使圖表上顯示的計數(shù)數(shù)增加。

41.F-number F 數(shù)

F數(shù)是光學組件的直徑和它的焦距之間的比值,這和數(shù)值孔徑是有關系的。比如:在很多海洋的光譜儀上,準直鏡是F/4(有時候會寫成?:4或者?-4)。這意味著焦距是準直鏡的直徑的4倍。***個光學組件的F-number越小,它越容易收集到光,但是比F-number大的部件更容易收到像差的影響。在所有光學系統(tǒng)中,有效F-number是光學系統(tǒng)的***大F-number決定的。

42.Field-Programmable Gate Array (FPGA)現(xiàn)場可編程門陣列

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是***種邏輯芯片,包含運行某些海洋光學光譜儀所需的程序代碼。與預先印制的電路板不同,當需要更新固件時,F(xiàn)PGA 可以重寫以進行更改。

43.Figures of Merit 性能指標

“性能指標 “是***個通用術語,并非光譜學專用。它指的是對設備或系統(tǒng)***關鍵的參數(shù)。重要的是,要清楚地識別任何系統(tǒng)中真正的性能指標,而忽略其他與***終性能無直接關系的指標。在評估光譜儀時,這些就是關鍵的性能指標:

  • 動態(tài)范圍
  • 光學分辨率
  • 信噪比
  • 靈敏度
  • 雜散光
  • 波長范圍
  • 熱穩(wěn)定性

44.Firmware固件

固件是***存儲在光譜儀存儲芯片上的程序代碼。固件指示光譜儀如何控制光譜儀中的所有電子設備,并允許設備與用戶計算機連接。固件還保留了某些控制光譜儀性能的操作參數(shù)(如波長校準系數(shù))。

45.Fixed Pattern Noise 固定噪聲

每個像素都是獨立的檢測器,其基線偏移和靈敏度可能與相鄰像素略有不同。這種靈敏度差異被稱為光響應不均勻性(PRNU)。這會在數(shù)據(jù)上產(chǎn)生非隨機結(jié)構(gòu)。其影響可在軟件中通過減去暗光譜和執(zhí)行輻照度校準來補償。

46.Fluorescence 熒光

熒光是指吸收光和后來的發(fā)射光是兩個不同的頻率或波長。這通常出現(xiàn)在***個實驗裝置中,***種低波長帶的入射光在***個方向上被吸收,另***種更高波長帶的光在所有方向被發(fā)射出。在樣品吸收紫外光(人眼不可見),發(fā)射可見光的時候,這種情況更加明顯。

樣品分子可以是激發(fā)電子,由于入射光子的影響而振動,通過加熱周圍樣品而變成更低的振動狀態(tài),然后電子返回基態(tài),發(fā)射比吸收的光子更低能量(更高波長)的光子。

熒光可以用于研究***些樣品,因為熒光分子會吸收特定波長的光,發(fā)射另***種光。通過已知的入射光波長,根據(jù)樣品發(fā)出的光譜可以鑒定出樣品的組成。因為熒光發(fā)生在分子范疇(通常***種光子入射,***種光子發(fā)出),這是唯******種可以鑒定單分子的光譜技術。另請參閱熒光測量技術 “測量技術中的熒光 “。

47.Fluorophore Coating熒光涂層

熒光粉涂層是應用在檢測器上用來提高紫外波段的靈敏性。這種涂層能夠發(fā)射出被檢測器紫外末端的像元識別的更低頻率的光子。參考紫外涂層。

48.Focal Length焦距

透鏡或反射鏡的焦距是入射平行光匯聚到空間中***個點的距離。光譜儀所能產(chǎn)生的色帶的狹窄程度與其準直鏡的焦距直接相關。光學系統(tǒng)的焦距越長,光學分辨率就越高。但使用較長的焦距會減少光源可接受的光量,因為較長的焦距對應較低的數(shù)值孔徑。

49.Full Width at Half Maximum (FWHM)半***大值全寬

在分析圖表中的光譜峰時,半峰全寬(FWHM)是***個描述波峰的形狀和總值的有效方式。半峰全寬是由波峰強度為峰值***大值***半處的兩邊兩個***大值的波長差計算得到的。它不但能測量波峰高度,也可以測量波峰寬度。同樣的,四分之***峰寬(FWQM)也可以用來描述波峰的傳播。

此外半峰全寬也可以用來表示光譜儀的分辨率,它與光柵的波長范圍、檢測器的像素數(shù)、狹縫寬度都有關系。

半峰全寬是指強度為峰值***大值***半處的波長差,同時半峰寬也是光譜儀分辨率的表征,它跟光柵的光譜范圍、檢測器的像素數(shù)量以及狹縫的寬度都有關系。詳細可參考光譜分辨率。

50.General Purpose Input/Output (GPIO)通用輸入/輸出

通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳允許光譜儀與外部設備通信。這些引腳可設置為輸入,接收外部設備的數(shù)字信號;也可設置為輸出,從光譜儀輸出數(shù)字信號,改變外部設備的狀態(tài)。與模擬輸入/輸出引腳不同,GPIO 引腳的狀態(tài)為打開(+5 V)或關閉(0 V)。電壓不能在此范圍內(nèi)增量變化。

51.Groove Density (of a diffraction grating)刻線密度(衍射光柵的溝槽密度)

光柵的刻線密度(毫米-1)決定了它的色散,而溝槽的角度則決定了光譜儀的***有效區(qū)域和發(fā)光波長??叹€密度越大,光學分辨率越高,但光譜范圍越窄。以毫米-1為單位的刻線密度有時也被寫成每毫米線數(shù)(l/mm)或每毫米溝槽數(shù)(g/mm)。

52.High Throughput Virtual Slit (HTVS)高通量虛擬狹縫

從光纖中發(fā)出的光呈圓錐形,由光纖的數(shù)值孔徑描述。當光線進入傳統(tǒng)光譜儀時,必須通過***個垂直矩形的開口狹縫。為了完全填滿狹縫的垂直尺寸,狹縫左右兩側(cè)的大部分光線都無法進入光譜儀。對于窄縫來說,這意味著通過光纖的光能真正進入檢測器的比例較低。盡管窄縫的光吞吐量較低,但由于它比寬縫具有更高的光學分辨率,因此還是比較理想的。

為了盡可能獲得***佳的光吞吐量和分辨率,可以使用***種稱為高吞吐量虛擬狹縫(HTVS)的替代設計。利用轉(zhuǎn)向鏡和透鏡將光束的圓形切碎、操縱并重新組合成狹窄的垂直矩形。然后,這束光會像之前***樣被分成不同的波長,并由探測器成像。因此,光不會被浪費,從而可以用更短的積分時間獲得相同的光學性能。

53.Hot Pixel熱像素

暗電流大大高于平均值的像素。熱像素的暗電流溫度曲線也可能與其他像素不同。熱像素***般可視為暗光譜的***部分,并可通過存儲背景進行校正。因此,普通熱像素通常并不是***個真正的問題。過熱的像素如果容易飽和,則可能難以使用。在這種情況下,***好將其標記為有缺陷。熱像素通常會因暗電流較大而產(chǎn)生較高的暗噪。

54.Instrument Response Function (IRF)儀器響應函數(shù) 

海洋光學公司的每臺光譜儀都具有所謂的儀器響應函數(shù),即 IRF。IRF 描述了光譜儀在其波長范圍內(nèi)對光的響應。這種響應是非***致的:光譜儀在每個像素上都會產(chǎn)生不同的響應(此處定義為對固定數(shù)量的光子產(chǎn)生的Quick View模式counts計數(shù))。IRF 之所以不均勻,是因為光路中光學效率低下的累積效應。這些影響包括但不限于以下與波長相關的影響:光纖中光的衰減;反射鏡對光的吸收;光柵效率;以及探測器響應。每個光譜儀的 IRF 都是獨***無二的,無法真正測量。不過,可以對 IRF 進行補償。兩種常見的校正方法是相對輻照度和絕對輻照度計算。

55. Integration Time 積分時間

積分時間是檢測器在將累積的電荷通過A/D轉(zhuǎn)換器加工之前,被允許收集光子的時間長度。***小積分時間是設備支持的***短積分時間,它取決于檢測器讀出所有像素信息的快慢,積分時間與數(shù)據(jù)傳輸速度是不同的概念。

56.Jitter抖動

在觸發(fā)外部設備時,從信號發(fā)出到設備響應之間會有***定的延遲。這個值被稱為延遲,是***致的,可以計算在內(nèi)。而抖動則是觸發(fā)延遲的不確定性。例如,光譜儀的觸發(fā)規(guī)格可能是 8.3 μs ± 9 ns。在這種情況下,8.3 μs 是觸發(fā)延遲,9 ns 是抖動。抖動值越小,觸發(fā)外部設備的可靠性就越高。

57.Lambertian Reflector朗伯反射鏡

完美的擴散面–即無論輸出角度如何,都具有相同的輻射輸出。朗伯表面遵循朗伯余弦定律,即輻射強度與視角的余弦成正比。

58.Latency延遲

參見抖動。

59.Linearity線性度

線性度衡量的是光譜儀在整個強度范圍內(nèi)對光量的響應***致性。例如,如果穩(wěn)定光源的 10 毫秒積分時間產(chǎn)生 500 個計數(shù),那么 100 毫秒積分時間應產(chǎn)生 5,000 個計數(shù)。在理想的線性設備中,每秒計數(shù)與積分時間的關系圖將是恒定的。與這條直線的偏差就是非線性度量。為了校正探測器的非線性,我們進行了***項實驗,觀察像素對恒定光源的響應隨積分時間變化的情況。然后將數(shù)據(jù)與7階多項式擬合,并存儲在光譜儀中,以校正未來的測量結(jié)果。

線性度不能與吸光度線性度混淆。后者是比爾定律中所述的線性–溶液在給定波長處吸收光,會在該波長處產(chǎn)生***個吸光峰,其強度隨溶液濃度的變化而線性變化。因此,如果濃度增加***倍,吸光峰的高度也會增加***倍。例如,被稱為 “2.5 AU 以下為線性 “的光譜儀在 2.5 AU 以下會顯示出這種關系,超過 2.5 AU 后,這種關系就會中斷(因為到達光譜儀的入射光較少,使得信號噪聲相對于信號本身更為顯著)。

60. Noise 噪聲
噪聲是***個通用術語,描述的是所有在光譜儀中不期望出現(xiàn)的信號。它可能是經(jīng)常隨著光譜信號出現(xiàn)的信號,也可能是不經(jīng)常出現(xiàn)的光譜信號。它的來源主要有以下幾種:

  • 暗噪聲:熱效應引起的噪聲。由于檢測其中的熱效應而產(chǎn)生的電子引起的噪聲,而不是因為入射光產(chǎn)生的信號,***般隨著溫度的上升而增加,可以用TEC計數(shù)降低。

  • 光子噪聲:在既定時間內(nèi),光子撞擊到檢測器時,由于統(tǒng)計學誤差引起的噪聲,當入射光增強時光子噪聲增強。

  • 電子噪聲:由A/D轉(zhuǎn)換器和電路板的錯誤而產(chǎn)生電子,被光譜儀誤以為是信號的噪聲。

  • 偏差:由于不同光學器件造成的在不同波長上的的聚焦偏差。

  • 雜散光:光由于反射、衍射、折射而出現(xiàn)在檢測器上不應該出現(xiàn)的位置產(chǎn)生的噪聲。是系統(tǒng)噪聲的***種。

  • 硬件的不完善和瑕疵:像素壞點或者在聚焦鏡上的劃痕都可能造成光譜噪聲。

  • 讀出噪聲:由于讀出像元的累積電荷而產(chǎn)生的噪聲,這個噪聲是由于檢測器的讀出過程產(chǎn)生的,***要影響因素是前置放大器。

***般情況下,噪聲可以通過***些光譜學平均算法和控制設備溫度來減弱。

61.Noise Equivalent Power (NEP)噪聲等效功率 

噪聲等效功率(NEP)是將探測器的靈敏度與光譜儀整體性能聯(lián)系起來的***種方法。NEP 是指在 0.5 秒積分時間內(nèi)(該時間相當于 “1 赫茲輸出帶寬”)產(chǎn)生信噪比為 1 所需的光功率。NEP 的單位是W/√Hz,用下式確定(其中 λp是 峰值波長):

NEP(單位:W/√Hz)= 噪聲頻譜密度(單位:A/√Hz)/ λp 時的響應度( 單位:A/W)

噪聲頻譜密度是單位帶寬內(nèi)噪聲的輻射功率,響應度是每瓦特照射到探測器上的電流輸出(通常稱為探測器的靈敏度)。

兩個系統(tǒng)的 NEP 可用作比較其 “靈敏度 “的手段。例如,***個 NEP 為 0.001 W/√Hz 的光譜儀可以在 0.5 秒的積分時間內(nèi),以 1 的信噪比檢測到 1 毫瓦的輻射信號功率,而***個 NEP 為 1 W/√Hz 的光譜儀在同樣的積分時間內(nèi),當受到整瓦特的輻射時,只能達到 1 的信噪比。

62. Numerical Aperture (NA) 數(shù)值孔徑
光學元件(比如透鏡或光纖)的數(shù)值孔徑是***個無單位的量,它描述了光學元件可以發(fā)射和接收光的角度范圍。比如:***個有很高數(shù)值孔徑的光纖,具有更大的接收入射光的錐形接受角。所有的海洋光學標準玻璃光纖電纜的數(shù)值孔徑都為0.22,反射半角即全反射角為12.7°。在任何復合的光學系統(tǒng)中有效數(shù)值孔徑都是由光學系統(tǒng)中***小的數(shù)值孔徑?jīng)Q定的。對于透鏡和反射鏡,***個與數(shù)值孔徑有關的量,稱作F數(shù),也可以用來描述入射光的錐形接受角。
數(shù)值孔徑=接受角的正弦值

海洋光學的光纖的數(shù)值孔徑是0.22,跟光譜儀相匹配,發(fā)散角(接收角)是25.4度,可以根據(jù)這個角度計算,照射時光斑的大小,或者被測物的距離、可觀測尺寸等信息。

63.Optical Density光學密度 

該術語既指樣品的吸光度,也指物質(zhì)的折射率(穿過物質(zhì)的光速與真空中光速之比)。

64. Optical Resolution 光學分辨率
光譜儀的光學分辨率是指測量曲線的半峰寬(FWHM),它是由光柵刻線密度和入射光口徑(光纖或狹縫)決定的。光學分辨率隨著光柵刻線密度的增大而減小,但是增加光柵刻線密度的同時,光譜范圍會隨之變窄。光學分辨率同樣隨著狹縫寬度或光纖直徑的減少而增大,但減少狹縫寬度或者光纖芯徑的同時,信號強度會降低。光學分辨率通過下面的公式計算出來:
OR = SR/n x PR
OR=光譜儀的光分辨率(單位:nm)
SR=光柵分光范圍(單位:nm)
n=檢測器原件的數(shù)量(單位:像素)
PR=光譜儀和狹縫的像素分辨率(單位:像素)

這個比值海洋光學稱之為色散,單位是:納米/像素。這個數(shù)值對檢測器和光柵的結(jié)合是很重要的。

65. Order Sorting Filters 消高階衍射濾光片

這類濾光片用于檢測器的窗口上,其作用是消除二***和三***衍射效應。這種設計可以消除較低波長的光撞擊到應該接受較高波長光的檢測器的位置。比如,如果沒有這種濾光片,253.652nm波長的汞燈光源的光將會同時出現(xiàn)在檢測器的253.653nm和507.304nm波長處。

66. PAR  光合有效輻射
光合有效輻射是測量被***偏平原吸收、并且作用于光合作用的入射光的總量。因此在農(nóng)業(yè)研究中,它是***個非常有用的參數(shù)。
光合作用是***個量子過程:被葉綠素吸收的光子的數(shù)量(不是能量)決定光合作用化學反應的速率(被吸收的400nm波長的光子與500nm的光子具有相同的效率,多余的能量被當做熱量散發(fā))。
PAR是指在單位時間內(nèi)射入單位面積的,在400-700nm波長范圍內(nèi)的光子的總數(shù)。因此,我們假設在這個波長范圍內(nèi)所有光子具有相同的效率,在這個范圍外的光子沒有效率。更重要的似乎PAR不會提供任何有關吸收效率的問題,僅僅是潛在的,有用的光子的數(shù)量。它是***個“寬帶數(shù)量”而不是光譜。***個PAR度數(shù)將會提供經(jīng)過計算的落在給定地點的光譜圖內(nèi)的所有有效光子的數(shù)量。

PAR的單位是μmol.s-1.m-2。在各個波長的光子數(shù)量是通過分隔在各個波長的光的能量計算的。

67.Photo Response Non-Uniformity (PRNU)光響應不均勻度 

光響應不均勻性(PRNU)是光譜中產(chǎn)生固定模式噪聲的主要原因。這是由于檢測器中的單個像素對入射光的非線性響應造成的,當溫度變化或積分時間過長時,這種非線性響應會加劇,可能會表現(xiàn)為相鄰像素之間強度的顯著變化。固定噪聲可通過對光譜儀進行輻射校準來消除。

68. Photometry 光度測量(包含:絕對輻射、相對輻射)

光度測量是通過人眼來詮釋對光的研究和分析。因此它是輻射測量的范疇??梢姽庾V不同部分的亮度根據(jù)人眼的感知亮度(響應功能)來校準匹配。測量方式分為絕對輻射測量和相對輻射測量。

69. Photon Noise 光子噪聲

光子噪聲是散粒噪聲的***種類型,它是由于CCD中光子到達率的固有統(tǒng)計變化引起的。光子到達檢測器的時間間隔符合柏松分布,因此光子噪聲等于入射光子數(shù)的平方根。當光子信號很小時,光子噪聲相較于光子信號是很大的,導致系統(tǒng)的信噪比降低。由于它們不同的增長速率,然而,當光子信號數(shù)量變得很大時光子噪聲相對于光子信號就變得不那么重要了。盡管隨著更多的光撞擊檢測器時,光子噪聲的數(shù)量在增多,光子信號會以更大的比率增加,從而導致信噪比增大。要注意很重要的***點,在小信號水平時,暗噪聲是主要的噪聲源,但在大信號水平時,光子噪聲占主導。通常,術語“散粒噪聲”經(jīng)常被用來代替光子噪聲。

70.Pixel Resolution像素分辨率

像素分辨率是指 CCD 上狹縫的像產(chǎn)生的 FWHM(以像素為單位)。這個數(shù)字根據(jù)狹縫尺寸和光學工作臺的不同而變化,并通過實驗確定。這個數(shù)字乘以色散(以像素為單位)就是光學分辨率。在理想的系統(tǒng)中,狹縫尺寸與像素分辨率的關系將呈線性趨勢。然而,當狹縫尺寸較小時,像差和有限的像素尺寸會限制像素分辨率。

71.Pixel Resolution像素井深度

檢測器中每個像元可以儲存的電子的***大數(shù)目叫做阱深。像元阱深決定了可用于像元單次讀出結(jié)果或能接收的***大信號。CCD的動態(tài)范圍也與阱深剛好成正比。入射光的強度和積分時間決定了每***個像元采集電子的數(shù)目。如果入射光產(chǎn)生的電子超出了像元阱深所能承受的范圍,像元就會飽和。在測量過程中***定不要讓光譜儀出現(xiàn)飽和(甚至沒有被用到的任何***段光譜 即使光譜的***部分沒有被使用),因為這會影響光譜的其余部分。

72.Popping Pixel突變像素

突變像素是指像素值突然發(fā)生變化的像素。這種像素基本上就像***個暗電流會突然改變大小的熱像素。這可能是***個特別令人頭疼的問題,因為數(shù)值的突然變化意味著,即使在參考之后,它也會突然重新出現(xiàn)在處理過的光譜中。如果某個像素被識別為突變像素,***好將其作為缺陷像素處理并去除。突變像素在很大程度上是 CCD 獨有的現(xiàn)象,被認為是材料缺陷導致電荷陷阱的結(jié)果。

73. Quantum Efficiency 量子效率

量子效率是衡量檢測器能夠響應入射光子產(chǎn)生電子的能力。更高的量子效率值意味著檢測器更靈敏。檢測器的靈敏度對不同波長的入射光有所不同,所以量子效率***好用曲線表示,而不是用單個量子效率值表示。對于光譜儀,量子效率并不是***個品質(zhì)因數(shù)性能系數(shù),因為它只是決定光譜儀整體性能的其中***個指標。

74.Quick View Mode快速查看模式 

在海洋光學公司的 OceanView 軟件中,”快速查看 “模式是***種圖表視圖,可讓用戶在不進行任何調(diào)整、校準或補償?shù)那闆r下查看原始探測器計數(shù)。雖然快速查看模式對設置積分時間和調(diào)整光照水平很有用,但它并不能真正準確地反映入射光,因為它沒有考慮儀器響應函數(shù)、固定模式噪聲和基線偏移。要查看真正有意義的發(fā)射測量數(shù)據(jù),應使用相對輻照度模式或絕對輻照度模式查看光譜。

75. Radiometry 輻射測量

輻射測量是研究電磁輻射的科學,包括可見波普。它的含義是電磁波譜中的能量分布,與光度測量不同,光度測量定義了人眼能夠看到了可見光的接收強度。

76. Raman  拉曼光譜
光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分,非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分, 統(tǒng)稱為拉曼效應。拉曼效應是光子與光學支聲子相互作用的結(jié)果。
拉曼光譜-原理:拉曼效應起源于分子振動(和點陣振動)與轉(zhuǎn)動,因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能***(點陣振動能***)與轉(zhuǎn)動能***結(jié)構(gòu)的知識。用虛的上能***概念可以說明了拉曼效應:
設散射物分子原來處于基電子態(tài),振動能***如圖所示。當受到入射光照射時,激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收,表述為電子躍遷到虛態(tài)(Virtual state),虛能***上的電子立即躍遷到下能***而發(fā)光,即為散射光。設仍回到初始的電子態(tài),則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線,也有與入射光頻率不同的譜線,前者稱為瑞利線,后者稱為拉曼線。在拉曼線中,又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線,而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。

附加頻率值與振動能***有關的稱作大拉曼位移,與同***振動能***內(nèi)的轉(zhuǎn)動能***有關的稱作小拉曼位移:

大拉曼位移:(為振動能***帶頻率)

小拉曼位移:(其中B為轉(zhuǎn)動常數(shù))

簡單推導小拉曼位移:利用轉(zhuǎn)動常數(shù)

77.Readout Noise讀出噪聲

讀出噪聲是指讀取像素累積電荷時產(chǎn)生的噪聲。這是由于讀取過程本身而引入探測器的噪聲,主要來自探測器的前置放大器。

78.Relative Irradiance相對輻照度

相對輻照度使用具有已知色溫(但不***定具有已知輸出功率)的燈來校正光譜的形狀,但不校正光譜的大?。ㄒ虼似錁俗R為 “相對”)。相對輻照度允許用戶確定某***波長的光是否比另***波長多(由于儀器響應函數(shù)的原因,無法通過查看原始計數(shù)來確定),但它不提供任何有關絕對功率大小的信息。

79.Saturation飽和

當入射光足夠大,超過了某***點的像素井深度,探測器為該像素產(chǎn)生***大可能的電壓時,就會出現(xiàn)像素飽和。出現(xiàn)飽和的原因通常是光源過亮或積分時間過長。重要的是,在測量時不要讓光譜儀飽和(即使是在光譜中沒有被研究的部分),因為這可能會影響光譜的其余部分。

80.Scope Mode觀察模式

OceanView 軟件中的 “范圍 “模式已被 “快速查看 “模式取代。

81.Second and Third Order Effects二階和三階效應

當光線被光譜儀中的光柵衍射時,每個波長都會分裂成無數(shù)光束。每個波長的第***束,也是***強烈的衍射光束,會聚焦到檢測器上。第二、第三和更高的光束則以更高的角度衍射。由于這種衍射會產(chǎn)生雜散光,海洋光學公司的光譜儀內(nèi)部涂有***層黑色涂層,以減少這些高階衍射光束從光譜儀內(nèi)部反射到探測器上。

對于波長低于光譜儀波長范圍內(nèi)***大波長***半的波長,必須使用濾光片來防止二階和三階光束直接落在探測器上。波長為 250 nm 的光束會被光柵衍射到波長為 250 nm、500 nm 和 750 nm 的探測器上。同樣,入射光中的 350 納米分量也會衍射到探測器的 350 納米和 700 納米部分。因此,必須在探測器上安裝***個低通濾波器,以阻止來自較低波長的二階和三階衍射光束,從而產(chǎn)生實際波長兩倍或三倍的錯誤讀數(shù)。

82. Sensitivity 靈敏度
光譜儀的靈敏度是***個衡量可見光輸入與光譜輸出關系的參數(shù),可以在海洋光學軟件中看到這個參數(shù)。檢測器靈敏度,不是指光譜儀靈敏度,通常是可以通過以下兩種方法表示的:
1)單位入射輻射功率(單位:W)的輸出電流(單位:A)
靈敏度可以由在給定輻射功率的發(fā)光光源條件下,檢測器輸出的電流值來確定。這種方法測得的單位通常是A/W(這經(jīng)常作為檢測器的響應率,見NEP)。當靈敏度被表達成A/W時,檢測器的量子效率和靈敏度由以下公式得出:
QE = Sx1240/λ x 100 (%),這里λ是波長,單位是nm。
2)單位入射曝光量(單位:lux.s)的輸出電壓(單位:V)
靈敏度也可以由在***定大小的曝光量下,檢測器的輸出電壓值來確定。通常這種方法測得的靈敏度單位是V/lux.s。

靈敏度可以表示成生成每個count時需要的入射光的光子數(shù)量。海洋光學說明書通常顯示在特定波長下(通常在400nm和600nm)counts(計數(shù)值)(在OceanView 或SpectraSuite軟件中y-軸的數(shù)值)與入射光子數(shù)量的比值。這個定義是***有用的定義,因為它直接反應了用戶在海洋光學軟件上看到的結(jié)果。

83. Shot Noise 散粒噪聲

散粒噪聲是統(tǒng)計產(chǎn)生的變化,它存在于任何離散的隨機系統(tǒng)中。與光譜儀有關的散粒噪聲的類型有光子噪聲和暗噪聲。

84.Shutter快門 

快門用于阻擋光線在黑光譜測量時進入光譜儀??扉T通常由光譜儀作為外部頻閃進行控制,以便在測量時及時打開和關閉??扉T可通過光譜儀前的光纖連接,但 QEPro包含***個內(nèi)部快門,可提供這種控制,而不會造成光纖信號的潛在衰減。

85. Signal to Noise Ratio 信噪比
信噪比(SNR)的定義是,在***個特定的信號水平,信號強度與噪聲強度的比值——因此它會隨著測量不同而有所不同。由于光子噪聲的原因,噪聲通常以信號函數(shù)的形式增長,信噪比函數(shù)實際上是單個信噪比值與它們獲得的該信號的曲線圖。海洋光學數(shù)據(jù)表中記載的光譜儀信噪比值是***大可能的信噪比值(在檢測器飽和狀態(tài)下獲得)。假設每***個像元的信噪比響應曲線都相同。
具體測量如下:當挑選好光源,以便在***低的積分時間或積分時間遠低于熱噪聲限制的積分時間內(nèi)使光譜峰值飽和(光譜仍需要有低于0 counts(計數(shù)值)或其左右的區(qū)域);想要計算信噪比,需要取100個沒有光入射的掃描,計算出每個像元的平均基線值,再取100個有光入射的掃描,計算出每個像元輸出值的平均值和標準差;然后信噪比由以下公式給出:
SNRρ = (S – D)/σρ
這里SNRρ=信噪比
S=光照條件下樣品信號強度平均值
D=黑暗條件下信號強度平均值
σ=光照條件下樣品信號強度標準偏差
ρ=像素序號
想要獲得完整的信噪比與信號圖,畫出計算得到的SNRρ值(噪聲)和Sρ – Dρ值(信號)。這將涵蓋了***個很寬的峰值范圍(從光譜暗狀態(tài)到近乎飽和)。因為所有的像元都有相同的響應曲線,所以信噪比和信號圖的數(shù)據(jù)可以來自不同的像元。因為在信號大值的時候,光子噪聲是主要的噪聲來源,故理想的光譜圖應該與y =√x的圖形相似。
請注意,應用不同類型的信號平均方法可以提高信噪比。在基于時間的信號平均時,信噪比將以光譜掃描次數(shù)的平方根增加。舉例說明,信噪比為300:1,如果將100次掃描取平均時,信噪比會變成3000:1。在基于空間的信號平均時,信噪比將以取平均的像元數(shù)量的平方根增加。

雖然這些方法對于獲得精確數(shù)據(jù)是有用的,但它會混淆不同光譜儀的比較。海洋光學給出了所有光譜儀的沒有通過信號平均方法獲得提升的信噪比值。我們的***些競爭對手利用信號平均的方法,人為的提高***些質(zhì)量較差的光譜儀的信噪比。

86. Slit 狹縫

狹縫的寬度與光學分辨率有關,寬度越小,分辨率越大,但是進入光譜儀的光線越少,靈敏度也就越低。大多數(shù)海洋的設備:狹縫高度為1000微米,寬度從5微米到200微米。對于沒有狹縫的光譜儀來說,光纖的直徑限制了進入光譜儀的光量,所以,光纖直徑起到了狹縫的作用.

87.Spectrometer光譜儀

海洋光學公司生產(chǎn)微型光譜儀和輔助配件。這些設備通過將樣本光束分解為其組成波長來分析光線。

光譜儀會將這些信息發(fā)送出去進行處理,從而獲得每個樣品的光譜。該光譜可突出顯示每個波長的相對信號,通過將樣品光譜與已知(或參考)光譜進行比較,可獲得有價值的信息。

海洋光學公司的微型光譜儀通過***個孔徑捕捉光束,然后利用衍射光柵將光束分成不同的波長。光束中的紅外線、紅光、綠光、藍光、紫外線和紫外線(以及介于兩者之間的所有波長)的數(shù)量都可以進行量化和處理。

光與物質(zhì)相互作用,有的被吸收,有的透過,有的散射。通過分析穿過或反射樣品的光線,可以識別和了解樣品。

海洋光學公司的光譜儀可作為模塊化設置中的***個組件,使用戶能夠在更廣泛的應用和環(huán)境中處理大量樣品。

88.Spectrum光譜

這是***張顯示樣本光源發(fā)出的光如何隨波長變化的圖表。光譜是***種二維圖形,顯示波長(通常以納米為單位)與某種強度(根據(jù)實驗的不同,可以是百分比(%)、功率輸出(μW.cm-2.nm-1)或某種任意單位(計數(shù)))的對比。

光與物質(zhì)相互作用,有的被吸收,有的透過,有的散射。通過分析穿過或反射樣品的光線,可以識別和了解樣品。

光譜設備(如光譜儀)可通過分析樣品發(fā)出、穿過或反射的光

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