解决方案 | 可见近红外光纤光谱仪在透射率应用中的示例

光谱仪器是光学仪器的重要组成部分，它是应用光学原理，对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理的基本设备，具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点。

目前市面上的可见近红外光谱仪多采用背向减薄式或镀膜CCD作为感光元件，价格都比较昂贵，所以本文提出了将高性价比的CMOS传感器芯片应用于可见近红外光谱仪中的设计方案，系统采用光纤作为导光元件，通过光栅进行分光处理，处理过的光束平行投射在传感器的表面，进而转化为电信号，再通过电路部分的A/D转化、信号存储和传输，将数据上传到上位机，进行光谱图像显示和分析设计中，为了让传感器感光元件得到均匀单色性好、分辨率高的平行光束，需要搭建一套结构大小合理的光学系统。

文章最后通过设计实验对比，验证了用该方案设计的可见近红外光纤光谱仪，具有良好的可见波段敏感性，频谱范围为200nm～1100nm，分辨率可达2.0nm。

二、       应用原理

首先，光源发出的光经过光纤传输到光谱仪中。光纤的引入使得采样方式更加灵活，可以适应被测样品的复杂形状和位置。当光线入射到玻璃等透明材料时，会表现出反射、吸收和透射三种性质。透射光是指除去反射和吸收损失掉的光能后，通过材料的光。这种通过材料前后光能的变化即为材料的透射性能，以透射率表示。

在光谱仪内部，光信号首先通过入射狭缝，投射到准直物镜上。狭缝的作用是限制光线的进入范围，而准直物镜则将发散的光变成准平行光束。接着，准平行光被投射到色散元件上，通常是光栅。光栅的作用是将不同波长的光分散开来，形成光谱。这个色散过程基于光的波动性和干涉效应，不同波长的光在光栅的作用下会产生不同的衍射角度，从而实现光谱的分离。

分散后的光经过成像反射镜，将光谱成像在阵列探测器的接收面上。每个像元对应光谱中的一个微小谱带，从而实现对整个光谱的测量。探测器对光信号进行检测和分析，得到光的光谱信息。通过对光谱信息的分析和处理，可以获取被测物质的光谱特征和相关参数，包括透射率等。

总的来说，可见光纤光谱仪透射率应用原理是通过光学干涉、色散以及光的透射性质，利用光纤将光信号引入光谱仪，经过光栅的色散和探测器的检测，获取被测物质的透射率等光谱信息。这种方法在材料科学、光学研究等领域具有广泛的应用价值。该仪器选用的光谱仪其波长范围为200-1110nm，波长准确度为±0.5nm，波长重现性为±0.1nm（波长温度漂移0.4nm/10℃）。

三、       样品及测试方法

本次测试样品为五种类型的测试样品：

5种不同透射位置的滤光片

采用奥谱天成（厦门）光电有限公司生产的可见近红外微型光纤光谱仪ATP2400。

测试条件：积分时间80 us，平均次数5次，扫描范围200-1110nm，室温。

四、       测试结果和分析

4.1 样品相对强度对比

图 1 样品相对强度对比

4.2 样品透射率对比

图 2 样品透射率对比

五、       结论

透射率测试结论主要取决于具体的测试条件、测试样品以及所使用的光谱仪性能。我们可以了解到使用奥谱天成2400光纤光谱仪对五种玻璃样品进行了透射率测试。

在500-700nm波段，这四种玻璃样品的透射率普遍较高，但彼此之间的区分度较小。其中，2号与3号的透射率位置相差不大，透射率相差越4%，而4号与5号的透射率位置相差也基本一致，透射率相差约2%。1号样品的透射位置及透射与其他几种样品差异较大。然而，这并不意味着这些样品在这个波段的性能差异不显著，具体还需要根据具体的应用场景和需求来判断。

此外，透射率的测试结论还受到光谱仪性能的影响。如奥谱天成2400光纤光谱仪具有结构设计小巧、光谱范围可配置、分辨率高以及杂散光低等优点，这有助于获得更准确、可靠的透射率测试结果。

综上所述，透射率测试结论需要根据具体的测试条件、样品以及光谱仪性能来综合判断。在实际应用中，还需要考虑其他因素如样品的厚度、表面状态以及光源的稳定性等，以获得更全面、准确的透射率测试结果。

六 奥谱天成生产的光纤光谱仪产品

图 3 奥谱天成生产的光纤光谱仪产品