開學第一課｜一文讀懂奧譜天成全系列光譜儀，選型不再迷茫！
根據不同的分類標準，光譜儀可以分為多種類型，每種類型都有其獨特的原理和應用。
圖1：光譜儀結構原理圖
按照原理分類：
1. 吸收光譜：包括紫外吸收、可見吸收、紅外吸收等，用于檢測樣品對特定波長光的吸收情況。
2. 發射光譜：包括熒光、拉曼光譜等，用于檢測樣品在受激發后發射的光譜。
3. 旋光光譜：用于測量樣品對偏振光的旋轉能力。
按照應用分類：
1. 分子光譜：涉及分子能態改變時的吸收或發射光譜，如紅外光譜、紫外可見光譜等。
2. 原子光譜：涉及原子能級變化時的吸收或發射光譜，如原子吸收光譜、原子熒光光譜等。
按照分光元件分類：
1. 棱鏡光譜儀：利用棱鏡作為色散元件，通過折射將不同波長的光分散開來。
2. 衍射光柵光譜儀：利用衍射光柵作為色散元件，通過衍射將不同波長的光分散開來，具有更高的分辨率。
3. 干涉光譜儀：利用干涉原理進行光譜分析，常用于高精度的光譜測量。
一、棱鏡光譜儀
圖2：棱鏡光譜儀
棱鏡光譜儀是一種利用棱鏡折射不同波長光的儀器，通過棱鏡的折射作用，不同波長的光會以不同的角度被折射出來，從而實現光譜的分離和分析。棱鏡光譜儀廣泛應用于地球資源普查、環境監測、醫療器械以及自然災害檢測等領域。
圖3：棱鏡光譜儀結構圖
棱鏡光譜儀的光譜分辨率主要由以下因素決定：
棱鏡的色散：色散越強，分辨率越高；
準直透鏡和照相透鏡的焦距：焦距越長，分辨率越高。
在設計棱鏡光譜儀時，通常會考慮色散元件的選擇和優化。例如，棱鏡-光柵-棱鏡（PGP）組合色散元件的設計可以有效校正光譜彎曲，提高成像光譜儀的性能。此外，棱鏡材料的選擇也非常重要，不同材料的棱鏡具有不同的色散特性，如熔融石英和CaF2材料組合的消色差棱鏡組可以優化色散非線性。
棱鏡光譜儀的設計還需要考慮系統的光路共軸性、色散線性度以及像差校正等因素。例如，采用三片膠合棱鏡的設計可以保證中心波長無偏離，色散接近線性。另外，通過優化材料和結構，可以提高光譜分辨率和色散均勻性。
棱鏡光譜儀在實際應用中，還可以結合其他光學元件和技術進行改進。例如，利用離軸校正透鏡可以有效校正大視場像差和色散非線性。此外，基于組合棱鏡的大視場干涉成像光譜儀可以通過偏振干涉技術擴大視場，提高光學性能。
衍射光柵光譜儀
衍射光柵分光方式現為目前主流光譜分光模式，奧譜天成主要采用閃耀光柵作為光譜儀分光元件，根據光柵固定與否，常見的光譜儀主要分為光纖光譜儀與光柵光譜儀。
光纖光譜儀：
圖4：光纖光譜儀
光纖光譜儀內部通常采用固定光柵，通過光纖將被測光耦合到光譜儀中進行分析，利用CCD或CMOS傳感器，從而獲取整個光譜范圍的光譜。
圖5：光纖光譜儀光路構造
光纖光譜儀基本構造由光纖接頭、入射狹縫、準直鏡、光柵、聚焦光學系統、探測器組成。其中按內部光路系統區別，可分為反射式和透射式光纖光譜儀，反射式光路中比較普遍采用的光路結構分別為：基本型切尼-特納(czerny-turner)光路結構(非交叉式)和交叉式切尼-特納光路結構。
光纖光譜儀由于使用光纖進行耦合，支持靈活搭建光譜采集系統，非常便于集成到各類系統里。光纖光譜儀為“定制化"產品，對于不同場景要求，可選配不同光路結構、狹縫尺寸、光柵線數來實現光譜采集。因其模塊化及高集成度，在諸如農業、生物、化學、地質考古、寶石檢測、食品安全、色度計算、環境檢測、醫藥衛生、LED檢測、半導體工業、石油化工等領域都有廣泛應用。
光柵光譜儀：通常利用光柵將復合光分解為不同波長的光譜線，通過旋轉光柵或移動狹縫來掃描不同波長的光。
圖6：一些標準的光柵光譜儀
這種光譜儀由于光柵可轉動，且通常內部提供多個光柵，支持切換使用，具有多套光譜，因此兼顧了超寬光譜范圍與超高光學分辨率，適用于需要高分辨率和高靈敏度的應用，且可靈活適應不同波段范圍的場景測試。
圖7：奧譜天成光柵光譜儀
奧譜天成深耕光譜行業多年，業已成功推出全系列光柵光譜儀產品。采用高精密電機驅動光柵 , 進行旋轉掃描 , 具有波段范圍寬 , 動態范圍大、分辨率高、 配置靈活等特點。還可選配多種探測器 , 實現從深紫外到中遠紅外的各個波段范圍的探測。
干涉光譜儀
干涉光譜儀是一種基于干涉原理進行光譜測量的儀器，其核心部件是干涉儀。干涉光譜儀通過引入入射光的相位變化并安排在所需頻率處產生相干干涉，以及在所有其他頻率處產生破壞性干涉來實現光譜區分。
干涉光譜儀通常利用F-P干涉儀或邁克爾遜干涉儀等結構，通過動鏡的移動產生不同的光程差，從而獲取干涉圖。這些干涉圖經過傅里葉變換后，可以得到目標物體的光譜信息。
法布里-鉑羅（F-P）光譜儀：
圖8：F-P腔光路示意圖
圖9：探測器的成像是同心圓。反射率越高，圖形越尖銳
F-P干涉儀的工作原理是利用多光束干涉現象，當入射光在兩個平行反射面之間多次反射后，不同路徑長度的光束會相互干涉，形成同心圓狀的干涉條紋。這些條紋的精細度取決于反射面的反射率和平行度，以及腔體的長度。通過調節腔體長度或反射率，可以實現對干涉條紋的精細控制，從而達到高光譜分辨率。
特點：
除了光譜，還可提供成像（不同入射角會出現在探測器的不同位置）；
小體積同時提供極&高光譜分辨率；
需嚴格控制溫度及各種物理擾動；
腔體反射面平面度要求高。
傅里葉紅外光譜儀（FTIR）：
圖9：傅里葉紅外光譜儀
傅里葉紅外光譜儀主要基于邁克爾遜干涉儀，通過干涉圖樣來獲取光譜信息。光源發出的光被分束器分成兩束，分別經過樣品和參考路徑后重新合成，形成干涉圖樣，再通過傅里葉變換計算得到紅外光譜圖，這種光譜儀廣泛應用于材料化學鍵的定性和半定量分析，以及物質對紅外光的吸收測量。
性能特點：
可以同時獲得所有波長的光譜信息。在探測器本身噪聲占主導時，增加所收集光譜的波長范圍不會降低噪聲，相反，波長越寬，信噪比越好；
可以提供非常高的光譜分辨率，而不需要很大體積；
中遠紅外波段，寬光譜范圍。
一，ATP1 系列（超微型光纖光譜儀，代表型號 ATP1010、ATP1030）
圖11.ATP1030實物圖
ATP1 系列屬于超微型光纖光譜儀，整機體積小巧緊湊，無活動光學部件，具備良好穩定性，ATP1030 相比 ATP1010 擁有更高像素與分辨率，覆蓋紫外?可見?近紅外波段，硬件可按需選配狹縫、光柵做定制化配置，非常適合設備集成嵌入，多用于水質在線監測、地物光譜采集、樣品反射透射測試、小型便攜式光譜設備開發等場景。
二，ATP2 系列（高性價比通用光纖光譜儀，代表型號 ATP2000P、ATP2002、ATP2400）
圖12.ATP2000P實物圖
ATP2 系列為通用型紫外?可見光纖光譜儀，綜合性能均衡、性價比突出，其中 ATP2000P 主打通用測量，ATP2002 內置脈沖氙燈驅動模塊，適配熒光、吸光度測試，ATP2400 為超薄高速版本，采樣幀率高，該系列可完成透射、反射、輻照度等常規光譜檢測，廣泛應用于光學鏡片與晶圓檢測、光源測試、教學實驗、工業在線檢測、各類光學系統集成等領域奧譜天成。
三，ATP3 系列（高分辨率光纖光譜儀，代表型號 ATP3030、ATP3330）
圖13.ATP3030實物圖
ATP3 系列是高分辨率光纖光譜儀，部分機型采用 M 型光學光路，在不犧牲過多信噪比的前提下實現優秀光譜分辨能力，支持多機 HUB 組網、外觸發同步采集，波長校準精度高，適合對譜峰分辨能力有要求的測試，主要應用于激光光譜檢測、拉曼預實驗、薄膜光譜分析、微弱特征譜線測量、多通道同步采集系統搭建等科研與工業場景。
三，ATP5 系列（制冷型高靈敏度光纖光譜儀，代表型號 ATP5020、ATP5200、ATP5330）
圖14.ATP5200P實物圖
ATP5 系列搭載半導體制冷 CCD 探測器，通過制冷有效降低暗電流與背景噪聲，顯著提升信噪比與長時間測量穩定性，分為普通制冷與 M 型光路超高分辨率制冷版本，針對微弱光信號做優化，適合弱光采集，多用于拉曼光譜測試、熒光檢測、低亮度樣品光譜分析、長時間不間斷在線監測、紫外波段精密測量等對靈敏度要求高的場景奧譜天成。
四，ATP6 系列（科學級光纖光譜儀，代表型號 ATP6500）
圖14.ATP6500實物圖
ATP6 系列為科研級微型光纖光譜儀，采用高性能背照式制冷 CCD 探測器，擁有大動態范圍、低暗噪聲的優勢，光譜綜合性能強，支持復雜定標與高級算法處理，面向實驗室級精密光譜測量，常用于材料科研、光學器件表征、高級拉曼與熒光實驗、各類高校科研平臺搭建，也可用于要求嚴苛的工業品質檢測場景。
四，ATP7 系列（掃描光柵系列，代表型號 ATP7330、ATP7510）
圖15.ATP7510實物圖
ATP7 系列為掃描光柵類儀器，區別于固定光柵光纖光譜儀，依靠電機驅動光柵完成波長掃描，包含高性能科研光柵光譜儀 ATP7330 與微型光柵單色儀 ATP7510；ATP7330 具備多焦長可選、塔式多光柵切換、超高分辨率、雙探測器接口等優勢，面向高&端科研實驗，ATP7510 體積小巧、支持光纖 的輸入輸出、5V 低壓供電，便于 OEM 集成，該系列可輸出可調諧單色光，也可做發射光譜掃描，廣泛用于拉曼、熒光、光致發光實驗、光學器件標定、高校科研平臺以及定制化光電測試系統搭建。
四，ATP8 系列（近紅外 / 短波紅外光纖光譜儀，代表型號 ATP8000、ATP8130、ATP8600、ATP8730）
圖16.ATP8000實物圖
ATP8 系列為紅外波段光纖光譜儀，搭載 InGaAs 紅外探測器，覆蓋 900?2500nm 近紅外、短波紅外區間，包含深度制冷、超微型、超高分辨率多個子型號，部分機型支持深度制冷進一步壓低暗噪聲，適配紅外波段物質分析，大量應用于農產品成分檢測、中藥在線監控、激光波長監測、FBG 光纖解調、材料紅外光譜分析、分選設備集成等場景。
