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包括近红外光谱仪系列产品、光源和激光器、光纤和探头、光路配件等光谱测量全系列产品

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光纤型光谱仪
带壳体光纤型近红外光谱仪
光纤型近红外光谱仪尺寸图
高性能光纤光谱仪

SPEC-CMS960是一款宽波段高灵敏度的专业型光纤光谱仪,默认波长范围是190-1100nm,其他波长需求可按需配置。内置消阶衍射滤光片和增强柱面镜,实现了高阶衍射消除和灵敏度提升。

光谱仪配置的电路板,由专业高水平电子工程师设计,运用了反馈、滤波、信号完整性及抗电磁干扰等技术和工艺,使得除探测器噪声外的电路板电子噪声几乎为零,不仅提高了整体信噪比,还具有强大的抗干扰能力,并支持多台光谱仪同时长期不掉线采集数据,非常适合在线设备集成。

一、产品特点

  • 高灵敏度,高信噪比。采用日本滨松2048像素探测器,柱面增强,高水平电路设计,消除电路板噪声。
  • 长期在线测量不掉线。支持多台设备同时长期在线采集,优异的信号完整性和抗干扰设计。
  • 紫外增强,平衡镀膜。紫外增强镀膜,可结合光源特性进行光谱分布平衡处理。
  • 多种通信,工业协议。支持USB、RS232和RS485通信,用户可选多种协议,支持工业通信Modbus协议。
  • 二次开发,全面适配。支持Windows(C++、C#、Labview、Matlab、Qt)、Linux、Keil单片机等各种开发平台和语言。对于需要自行封装SDK的用户,提供底层通信指令及技术支持。

二、应用场景

        光纤光谱仪,可结合光纤和光源等附件,灵活搭建透射、反射、荧光等光路,用于实时测量光谱分布曲线。常用的测量光路包括:

  • 积分球测光源光路。可测量光源的波长分布、半高宽、颜色坐标、光功率、色品坐标、色温等。
  • 液体比色皿支架光路。测量比色皿溶液的透射率或吸光度,对应于国标中的分光光度法。
  • 浸入式探头光路。把探头投掷到溶液中,让溶液充满测量缺口,实时测量透射率或吸光度。
  • 固体透射光路。配置透射支架,测量表面平整的镜片镀膜、塑料、油墨孔等光谱透过率分布。
  • 反射探头或反射积分球光路。测量物体表面光谱反射率分布,如膜厚、颜色、成分等检测。
  • 荧光测量光路。短波单波长光源做激发光,使用反射探头或反射积分球接收发射光。

三、技术参数

项目 参数 描述
产品型号 SPEC-CMS960 全波段高性能光纤光谱仪
波长范围 190-1100nm 现货默认波长范围,其他范围需定制
光学分辨率 0.3-3.2nm(视配置而定) 常用峰值波长半高宽表示
波长精度 Typ.±0.01 nm 测量峰值与校准样品峰值的波长偏差
信噪比 500:1 满量程相对强度值与系统电子噪声波动值的比值
狭缝尺寸 50μm(默认),其他可选10μm、25μm、100μm、200μm 光谱仪入光口狭缝,影响灵敏度和分辨率
探测器 日本滨松S11637-2048Q 高灵敏度2048像素探测器
模数转换 16位ADC 数值范围0-65535
光学接口 SMA905 光纤光谱仪行业通用接口
通讯接口 TypeC、RS232、RS485 支持TypeC型USB通信,接口更稳固
通讯协议 USB标准版、USB扩展版、Modbus(串口)等可选 多种协议版本可选,串口支持modbus协议
内置传感器 温度传感器 实时监测光谱仪温度
工作功率 1.0W 5V,Min.200mA
工作温度 -20~60℃ 高低温箱非极限测试
尺寸 105*68*24.5mm 有方便固定的螺丝孔位
重量 238g 净重

四、原理介绍

4.1 光纤光谱仪组成原理

        光纤光谱仪常用Czerny-Turner结构,入射光经狭缝后,经过镜片组后照射到光栅,光栅分光后,不同波长打在线阵探测器的不同像素上,再进行ADC转换解析成光谱曲线。内部工作原理图如下:

光谱仪内部光路原理

        1. 入射光接口。将光纤连接到光谱仪,与入口狭缝精确对准。 具有良好的位置重复性和机械强度,作为通用光学连接器,它支持8μm至2000μm的光纤直径。

        2. 狭缝。主要作用是限制进入光谱仪的光的量。光谱仪厂家一般提供多种狭缝可选,常用宽度从10μm-200μm不等。狭缝宽度在确定光谱仪分辨率和灵敏度方面至关重要,通常是狭缝越宽灵敏度越高,但光学分辨率就越小。

        3. 长通滤光片。入射口滤光一般用于过滤短波波段,当光谱仪未加消阶衍射滤光片时,可起到消阶作用。对于特定应用场景,有时为了均匀光谱曲线,也会换成特定分布的滤光片。

        4. 凹面反射镜。约束发散光,增加光程。

        5. 光栅。光谱仪最核心部件之一,用于把入射的复合光分成不同波长并反射。常用光栅有平面、凹面和全息光栅。光栅的线数越多,即单位面积刻线越密,光学分辨率就越高,但覆盖的波长范围就越窄。

        6. 凹面反射镜。约束发散光,增加光程。

        7. 消阶衍射滤光片。光栅分光后,会产生多阶光谱带,光谱仪使用一阶光谱带,但二阶或以上的高阶光谱带常会与一阶光谱带有重叠区域,如一个需要测200-800nm透射率的场景,光源发出的200-400nm的光,对应的二阶衍射光会落在400-800nm,与光源原本400-800nm的一阶光有重叠,此时必须把二阶以上的光谱带消除,才能得到正确的光谱,因此当一个光谱仪需要使用宽光谱时,就需要在探测器前加消阶衍射滤光片。

        8. 柱面镜。用于把光聚焦到探测器上,增强灵敏度。

        9. 线阵或面阵CCD探测器。光谱仪最核心部件之一,各像素一次接收不同波长的光,通过ADC转为数字量,再由软件构建成完整的光谱曲线。光谱仪的级别和价格大多是以探测器为依据。探测器最常用的是日本滨松的系列型号,也有少部分用日本索尼和日本东芝的某型号。

        综上可知,光纤光谱仪的设计目的,就是把原本入射的复合光,分成不同波长的光,用探测器读出并显示成按波长分布的曲线,因此可以通过光纤光谱仪来对入射光的成分分布做分析。

五、光纤光谱仪选型

5.1 光纤光谱仪选型依据

        在光谱仪选型时,首先需要考虑的是波长范围,但并非波长范围越宽越好,还需要考虑分辨率和灵敏度。光栅和狭缝尺寸对分辨率和灵敏度有显著影响,其基本规律可以做如下总结:

        1. 光栅线数越高,光学分辨率则越高,但可覆盖的波长跨度就越短。

        2. 狭缝尺寸越大,灵敏度就越高,但光学分辨率就越低。

        3. 波长范围越宽,相对光学分辨率就越低。

        然而,分辨率和覆盖范围是此消彼长的关系,不能想着200-1100nm范围,还想有0.5nm的分辨率,同时还想要50μm狭缝的灵敏度。比如同为50μm狭缝的条件下,1200线光栅,光学分辨率约0.5nm,但覆盖跨度为320nm,对于300-600nm可用,但对于300-800nm就不够了。而600线光栅,光学分辨率约1.2nm,覆盖跨度为520nm,对于300-800nm就够用了。

        那么怎么知道什么场景选择什么样的配置呢?回答这个问题,一般从分辨率和灵敏度两个来评估,进而可得出配置怎样的光栅和狭缝。

        对于分辨率,有个简单的衡量指标,即应用场景测得的光谱图是否有明显很细的线状尖峰。如果有线状尖峰,就需要高分辨率;如果是平滑的峰,就不需要高分辨率。比如测的是LED灯,或者是有机物的透射率或反射率,这类基本都是平滑的峰,对分辨率要求不高,5-20nm的分辨率一般就可以满足需求。但如果测的是原子谱,比如汞原子、金属原子、等离子体等场景,就需要高分辨率。如果需要测激光器的半高宽,也需要高分辨率。

        对于灵敏度,需要考虑能进入光谱仪入射口的光的强弱。光谱仪的响应一般是μw级别,属于很高灵敏度的设备。但有些场景,如需要搭配积分球测透射率或反射率,或需要用积分球接收的光源,如光致发光的量子产率,因为积分球的衰减倍率非常高,导致对光谱仪的灵敏度要求也更高。

5.2 光学分辨率选型

        如6.1所述,对于同一光路和探测器的光谱仪,决定光学分辨率的参数是光栅线数和狭缝尺寸,下面给出常用配置的分辨率选型表。

光纤光谱仪分辨率常用配置选型表

波长范围(nm) 光栅线数(lines/mm) 狭缝尺寸(μm) 光学分辨率(nm) 应用场景
190-1100 300 50 3.5 常规透反射率及荧光测量
190-1100 300 25 1.9 常规透反射率及荧光测量
190-800 600 50 2.0 水质分析
190-380 1200 50 0.5 烟气、紫外分析
350-800 600 50 0.8 LED、面板、颜色测量
300-1100 600 50 0.8 膜厚测量
380-1100 400 50 2.5nm 火焰离子、等离子、常规透反射率及荧光测量
780-1100 1200 50 0.5 拉曼
750-1100 900 10 0.3 光传感、激光波长
在选型光谱仪时,切忌盲目追求光学分辨率,否则会牺牲波长范围和灵敏度,分辨率只要场景够用即可。光纤光谱仪应用场景非常多,有些侧重波长范围,有些侧重灵敏度,而有些侧重分辨率。对于非专业用户,最好在购买时和厂家的销售或技术人员先做沟通。