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：
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 |