光谱响应校正:垂直沉降的影响

光谱仪是具有能够在其部件波长（即，颜色）方面测量光强度的异常通用仪器。纤维耦合，具有仪器MSP1000（右）的纤维耦合，成本有效的光谱仪在不同的领域中使用，包括农业，化学和生物学，天文学，照明等。

广泛的测量需要各种各样的实验装置，如透射、荧光或反射/吸收光谱。根据实验的类型，对系统校准的灵敏度可能是关键的。

对于广泛的光谱应用，如测量相对光谱峰高或进行绝对强度或颜色测量，必须补偿仪器内的光学损失。对于其他应用程序，应进行相对校正，以生成形状适当的光谱。本文讨论了入射光如何受到分光计的影响，以及可以和应该进行哪些校正。

图1所示。(左)钨卤灯泡的原始光谱;(右)相同的光谱，根据仪器响应进行校正

图1显示了通过给定光谱仪观察的原始频谱以及应用校正算法时的响应。在许多紧凑的光谱仪中存在图1中观察到的振荡效果，并且是因为仪器内的标准体。校正算法被认为是每像素强度校正。目的是达到CCD上的每个单个像素的缩放因子。这些缩放因子对光谱仪中的波长依赖性损耗进行了正确。这也被称为某些学科的平面，例如天文学。

这确实不应该与波长校准相混淆，即将每个像素与一个波长相关联，这是大多数时间由制造商提供的。每个像素接收到的计数由仪器响应校正来调整。其他一些处理步骤，如暗电流减法，与波长无关，应该在进行测量时例行执行。

我应该在什么时候校正我的仪器?

对于许多应用程序，即使图1中显示的效果出现剧烈，也没有必要纠正仪器内的损失。例如，这种效果不关心处理相对测量的实验。这是反射或吸收光谱的情况。由于这些测量相对于参考（例如，照明，空比色皿）的光谱来执行，因此仪器的效果被抵消。

如果一个人正在寻找存在特征光谱峰值（或峰值）但不是它们的相对高度，则通常需要执行仪器校正。使用线发射灯的波长校准是这样的例子。

然而，重要的是，如果用户想要执行功率测量，真测量或两个峰的相对高度的测量，则重要地知道仪器响应和校正。此过程需要校准（例如NIST可追踪的）光源。如果存在具有大致已知光谱的光源，例如常见的钨卤素灯灯泡，也可以进行相对仪器校正。

仪器响应

仪器的响应是由光谱仪内所有部件的性能控制的。分光计中的镜子和探测器并不完美，由于制造缺陷或灰尘，它们的表面存在差异。当光进入光学系统时，它被吸收并衰减。这种衰减与波长有关，例如CCD的波长灵敏度由其量子效率(QE)曲线决定。

光纤和镜子（Ag或Al涂层）倾向于具有相当低的损耗，其均匀于兴趣的（可见）光谱范围内。检测器和光栅可以具有更大的变化，如图3所示。低于400nm，标准光纤和镜像性能大大降低。

图2。左：标准光纤中的衰减。右：反射非极化光入射在银色涂层镜子上的光线。对于大多数可见区域，反射率高于96％。

对于大多数系统来说，探测器的QE和光栅的效率对最终信号的贡献是最大的。光栅根据特定的波长(或闪耀)进行优化。在500nm处闪耀的典型光栅的效率曲线如图3所示。在400-850纳米的典型可见范围内，差异几乎达到30%。因此，为应用选择合适的光栅是很重要的。IS仪器提供不同发光角度的光谱仪，范围从500到1000纳米，以满足个人应用。

图3。左：典型光栅的衍射光栅效率。右：TOSHIBA TCD1304AP / DG CCD传感器的光谱响应（改编自制造商数据表）。

硅衬底用于可见成像探测器。虽然硅的特性很好，但每个检测器的QE曲线的实际形式是不同的，一般在制造商的数据表中提供粗略的指示。

探测器盖玻璃的干扰

覆盖玻璃的探测器能够产生干扰效果。这种效果通常称为窗口标准化。进入的光在盖玻璃和检测器的表面之间进行多次反射，以及玻璃本身内部，这导致建设性和破坏性干扰。这主要在光谱仪中发音，因为入射在探测器上的光线接近单色。宽带光谱在信号中最明显可见效果，作为信号中的低频振荡或纹波。

三种反射场景是可能的(加上基本情况下，当所有的光被捕获)探测器与未涂层的盖玻璃。如图4所示。Novak et al.， 1997认为CCD的反射率可以低到足以使大多数干涉仅由窗口引起。这种影响很难用数值模型来模拟，因此很难准确地找出是哪个反射情景导致了这个问题。彼得Schlatter¹对这一现象进行了一些有趣的非同行评议的研究。

图4。发生在有盖探测器内部的反射。左边的图像显示了通常的情况:光线可以在探测器和玻璃之间反射。中间:如果使用(双面)AR涂层，大部分探测器反射的光都会丢失。正确用法:如果没有覆盖玻璃，所有的反射光都失去了。

信号的周期性和精确形状取决于几个因素，包括探测器和盖玻璃之间的距离，以及它们的反射率。

在后照射的NIR探测器中观察到类似的效果，其中检测器衬底本身的表现为光学标准物。当光线在两个平坦表面之间反射时，标准度是一种效果，通过与入射光的波长相当的小距离分离。在后稀释的探测器中，基板的光学厚度是几十微米，这是光的波长的100至200倍。在可见光谱仪的情况下，由于玻璃和检测器之间的距离和盖玻璃厚度长于波长，因此不太可能发生真正的标准孔。

消除干扰或“沉降”效应

有许多选项可用于防止此问题：首先可以将AR涂层施加到探测器窗口的两侧。这保留了在CCD上具有保护盖的益处，但可能只减少流苏而不是消除它。其次，可以完全删除窗口。最后，可以使用楔形覆盖玻璃。光学楔形力调节光的折射角，使得输出和输入光线不再平行（并且因此不干扰）。图5显示了无窗口和窗口覆盖的检测器之间的比较IS-Instruments迷你光谱仪。

图5。(左)钨卤素灯的光谱，使用一个覆盖窗口的探测器(MSP1000光谱仪)。干扰效应是显而易见的。(右)同一盏灯的光谱，在同一分光计中使用无窗探测器。没有干扰效应。

使用无窗CCD被认为是最具成本效益和最简单的解决方案。这个过程的缺点是，移开窗户使探测器暴露在灰尘中(毕竟，盖玻璃的目的主要是为了保护)。对于在静态环境中使用的光谱仪，如实验室，这不太可能是一个问题。如果光谱仪在户外使用，经常移动，甚至在尘土飞扬的环境中使用，这可能是一个问题。

建议大多数用途使用无窗口检测器以简单起见。

纠正仪器响应

全辐射校正

补偿系统的总光谱响应的最简单方法是采用具有已知发射的光源的光谱。这些灯具可提供校准数据，并且能够用于执行光谱仪的辐射校正。该程序与相对修正案基本相同，但具有额外的缩放因子。另外，辐射校准仅适用于进行整流的实验设置。例如，如果使用特定光纤来校准光谱仪，则更改光纤将取消结果。对于某些光谱仪，应避免均匀旋转纤维。

还有其他问题需要考虑：校准灯，在需要重新校准之前，通常具有小于50小时的寿命。尽管获得光谱可能需要毫秒，但灯需要预热时期即可达半小时。

校准取决于灯和其他仪器几何的精确定位（例如光谱仪的光圈尺寸），所有这些都增加了一些不确定性。

由于这些原因，制造商通常不提供放射性校准光谱仪作为标准。然而，在一些情况下，这种要求是不可避免的。

近似相对校正

近似法可以很好地消除仪器的影响。可以使用发射光谱接近黑体的灯，例如普通的白炽灯泡。这些灯由钨丝组成，通过电阻加热来发光。它们的发射光谱可以用普朗克关系计算:

在哪里(ν,T）在频率△和温度下，C是光速，h普朗克是常量的，还是k是玻尔兹曼常数。用这个方程可以得到已知温度的灯的理论黑体光谱。将观察到的灯的光谱除以这个理论光谱，以得到相应的仪器响应。然后用这个响应函数乘以每个新的频谱。图6显示了一个示例响应函数。必须指出的是，在较高的像素数下，比例因子显著增加，对应于探测器灵敏度较低的较长的波长。

图6。使用家用钨卤灯和预测黑体光谱生成的仪器响应函数示例。右边的急剧上升反映了CCD QE在红外中很差，所以这里有一个较大的校正。

许多作者详细讨论了这个问题的纠正^［2］．应该注意的是^［2］结果表明，在已知色温条件下，卤灯的计算光谱与实测光谱吻合在5%以内。由于可追踪灯的精度通常在几个百分点的量级上，这显示了近似校正的准确性。

结论

当执行光谱测量,了解需要哪些校准步骤(如果有的话)是至关重要的。对于相对测量，不需要对仪器的响应进行校正。然而，如果需要绝对测量，则必须进行近似或完全的辐射校正。如果需要，IS Instruments可以为光谱仪提供无窗探测器，以避免常见的干扰影响。

参考

¹http://www.astrosurf.com/aras/fringing/schlatter/ripple.htm

[1]诺瓦克，E.， Ai, C.， Wyant, j.c.， 1997。采用严格相干成像的激光菲索干涉仪中光学元件几乎平行引起的误差。SPIE 3134, 456-460。doi: 10.1117/12.295146

[2]仪器响应修正，技术说明203,Horiba Jobin Yvon

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