2024-04-22 11:40:03 北京爱蛙科技有限公司
符号A,表示物质对光的吸收程度。lg(I0/It)式中I0是通过均匀的液体介质的一束平行光的入射光的强度;It是透射光强度;T是透射比。A值越大,表示物质对光的吸收越大。根据比尔定律,吸光度与吸光物质的量浓度c成正比,以A对c作图,可得到光度分析的校准曲线。在多组分体系中,如果各组分的吸光质点彼此不发生作用,那么吸光度便等于各组分吸光度之和,这一规律称吸光度的加和性。据此可以进行多组分同时测定及某些化学反应平衡常数的测定。在吸光度测定中,为抵消吸收池对入射光的吸收、反射以及溶剂、试剂等对入射光的吸收、散射等因素,可选用双光束分光光度计,并选光学性质相同、厚度相等的吸收池分别盛待测溶液和参比溶液。
绝对辐照度校准是指用一台已知光谱输出功率的灯来校准光谱仪每个像元下的响应强度。绝对辐射校准改变了整个光谱的形状和大小,校正了仪器的单个仪器响应函数(IRF)。通过绝对辐射校准后的光谱的单位是单位面积单位波长的功率输出,通常单位表达为µW/cm2*nm。
请注意,绝对辐照度不是这个量值的技术性的正确术语,这个量值是依赖波长的,它的正确术语应该是绝对光谱辐照度。
自动归零是用来调整光谱仪的基线回归,对于特定的光谱仪,可以把基线回归到用户指定的水平。如果用户需要用两台不同的光谱仪测量同一个光源的时候,需要用到这个功能。这个功能可以把不同光谱仪的基线调整成可以互相比较的状态,这样不同的光谱仪输出的光谱图才有比较的可能性。
背景光谱是指没有样品存在的时,光谱仪输出的光谱。不同的是,暗光谱代表在完全没有光存在的情况下的光谱图。比如:在反射率测量的时候,用光纤连接的光源,但在室内光的环境下完成。在这种情况下,即使是测量纯黑的样品,室内光也会进入到入射光纤中。这时阻隔入射光纤将会阻隔所有光,连背景光谱都被计算在内,就导致了纯黑的样品同样显示有一些反射,因为周围室内光线会被当做由样品发出的。当提取背景光谱时,只有反射光线会被阻止进入光谱仪,在这种情况下,提取背景光谱时应该关掉光纤连接的光源,只考虑背景光。作为对比,暗光谱是指在没有光进入到光谱仪,由检测器、电路、光学器件等导致检测器产生的信号。
光谱仪的基线漂移是因为温度改变导致的平均基线回归的整体偏差。随着温度的增加,暗噪声的影响将会增大。然而,取决于(不同)检测器,电子补偿可能会随着温度升高而增加,也可能会随着温度增加而减小。索尼ILX511B检测器就是一个很典型的基线随着温度增加而降低的实例,因为负电子补偿的影响掩盖了因暗噪声导致的基线小幅增加。理论上,温度的变化可能会在检测器上产生相同和相反的效果,因此不会产生基线漂移。
基线噪声是读出噪声、暗噪声和电子噪声的总和。基线噪声的规范是(通过以下步骤得到的),首先将光谱仪的积分时间设到最低(尽可能的减小暗噪声)进行测量,然后隔绝进入光谱仪的所有光线,记录下100次光谱数值。每个单一像素输出的标准差的平均值提供了设备的最小基线噪声。基线噪声并不是品质因数,但它可以用于计算动态范围。
基线回归指的是在没有光入射的情况下,仪器显示的数值。这些数值对于检测器的每个像元略有不同。像元与像元之间回归差异的最终形状形成了固定图像噪声。基线回归有三个基本影响因素:电子补偿,暗电流和读出噪声。仪器的单个平均值可以通过平均检测器所有的基线回归计算出来。
对于刻划光栅(刻蚀光栅),闪耀波长是光栅效率曲线的峰值波长。刻蚀光栅的三角形凹槽的倾斜度是典型的用来调整提高特定波长下特定衍射级次的亮度。全息光栅是正弦凹槽结构,因此它没有刻划光栅的亮度高,但它比刻划光栅的散射光水平低,所以减小了杂散光。全息光栅没有闪耀波长。
平滑是一种可以应用于光谱的空间平均。该过程通过平均相邻像素点的值来消除噪声,因此它会以牺牲光学分辨率为代价来提高信噪比。空间平均在光谱相对平坦以及相近像元变化较小的情况下使用是非常有效的,但由此产生是分辨率的损失会使得尖锐的光谱特征峰难以分辨。当应用空间平均时,信噪比会以像元平均的平方根为基数进行提高。请注意,在海洋光学软件中,平滑宽度的值是指所有像元以中间为基准靠左或靠右的像元和的平均数。平滑值是4实际上是将9个像元一起平均(4个靠左像元+1个中心像元+4个靠右像元),信噪比将以3为倍数增加。同样的,平滑值是2(5个像元)将使信噪比以2.2为倍数增加,平滑值是0(1个像元),信噪比以1为倍数增加(因此光谱不改变)。
• 色彩饱和度——这是测量样品的颜色有多丰富。越白的样品,越接近色度图的中间,越比接近色度图边缘的样品有更少的“色彩饱和度”。这与饱和度不同。
• 主波长——在这个波长下,可以用一条直线从CIE颜色图表中的白色“中心点”穿过CIE样品坐标,打在CIE图表边缘上。主波长不一定是光谱最高峰的波长。
色度通常由下面的图表来说明,它包含了人眼能够感知的每一种色调。在图像的边缘(从底角顺时针移动),可见光波长依次增大。每一种可以看到的颜色都可以通过图像边缘的波长的颜色叠加而成。
样品通常会给出CIE的xyz坐标(通过x-y图可以看出),尽管经常用L*a*b*图。样品的感知颜色将随着入射光的变化而变化,因此在进行颜色反射率测量时,表述出你用来照射你的样品的光的信息是很重要的。
光进入样品中或光谱仪中可能是准直的,也可能是色散的。准直光是指只包含了平行入射光的光束,而色散光包含了多个入射方向。有些技术(例如吸光度),入射光一定要是准直光,准直光穿透样品,并被另一侧的光谱仪捕捉到。在进行这样的测量时,为了确保海洋光学的光谱仪校准的准确性,准直透镜一定要与两根光纤相连,一根连接光源,一根连接光谱仪。
余弦校正器是一个通过光学散射方式捕捉180度视场角内光信号的部件。余弦校正器通常是和光纤配套使用,或者在特定情况下,直接和光谱仪相连。在测量平面的辐射时,余弦校正器是非常需要的一个配件。
检测器的输出信号,根据光子数量转换成电子的输出信号。
暗电流是因为随机热波动提供足够的能量,提升电子穿过带隙,进而形成电子空穴对。电子空穴对被局部电场分隔开,自由电子储存在像元阱中。光谱仪没法从入射光子产生的电子中分辨出热波动产生的电子,因此在它们在光谱仪的光谱中表现为噪声。在给定温度下,电子空穴对的产生率被称作暗电流。散粒噪声导致暗电流的波动,从而形成暗噪声。因为暗电流是由连续产生的电子空穴对形成的,所以更长的积分时间将导致更多数量的形成暗电流所需的电子产生。CCD的热电冷却能显著降低暗电流和暗噪声,在实践中,高性能的光谱仪通常将温度冷却在暗电流在一次典型积分间隔中是微不足道的程度。用TEC制冷可以大幅度的减低暗电流。
暗噪声是由于CCD的硅结构内热产生的电子 - 空穴对的数量的统计变化形成的。暗噪声与光子产生的信号无关,但与设备温度有很大的关系。在给定的CCD温度下,电子的产生率被称作暗电流。暗噪声是散粒噪声的一种形式,它与暗电流有直接关系,它的大小等于积分时间内电子产生的数量的平方根。CCD的热电冷却可以显著减小暗电流和暗噪声。在光谱仪中,在光子能是很低且暗噪声可以轻易掩盖有效信号时,热电冷却可以将暗电流减小到在整个积分间隔时间内可以不计的程度。
暗光谱是指在没有光入射(无论是从样品发出,还是周围的环境光源发出的光都不存在)的情况下,光谱仪在给定积分时间内一系列的光谱的波长数值。暗光谱被用来校正基线回归和固定图形噪声。暗光谱在其他海洋光学文献中也被称作“暗信号”。
值得注意的是,暗光谱不同于背景光谱,背景光谱代表了在没有参考光源时光谱仪的信号。
在光学中,衍射光栅是一个有周期条纹结构的光学元件,它可以使光发生衍射并在不同的方向上分成不同的光束。这些光束的方向取决于光栅的条纹间距和光的波长(对光谱学来说最重要)。在光谱仪中,光栅充当一个分光元件。总之,衍射光栅是一种由密集﹑等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件,分反射和透射两大类。
光进入样品或光谱仪时可能发生色散或准直。色散光包含了多个方向的光束,而准直光只包含平行入射的光束。为了得到自由空间的测量,在光谱仪上连接一个海洋光谱色散仪配件。这可以捕捉180°视野范围的光线。色散仪同样可以用来捕捉平面发出的光谱。(光谱仪配件,CC-3-UV-S,漫反射塑料片,使光谱仪可以捕捉180°的散射光,收集到的光符合朗博特性)。
动态范围是指最大可检信号(接近饱和时)值除以最小可检信号 ,这可以认为是被光谱仪分解成的不同强度单元。最小可检信号定义为平均值等同于基线噪声的信号,这代表了信噪比为1。我们一般认为最弱信号是指3倍于噪声信号,单次信号采集的动态范围是指在最短的积分时间内得到最大可能的动态范围。整个系统的动态范围是指在最长的积分时间下最大信号与最小信号的比,乘以最长积分时间与最短积分时间的比。信号采集的动态范围=饱和状态下信号强度/最短积分时间下的基线噪声,系统的动态范围=(饱和状态下的信号强度/最长积分时间下的基线噪声)x(最长积分时间/最短积分时间)。
电子暗噪声:由于不需要的像元素产生的噪声;
光谱噪声:包含:电子暗噪声、由于光的不稳定性造成的噪声;
组成电子噪声的其中一种噪声是在A/D转换器的信号通道中产生的。这可能是由于设备中其他电子元件耦合的噪声,放大器噪声或A/D转换错误的结果导致的。这些噪声转换完全相同的电荷并不一定得到完全相同的A/D转换结果。量化误差也是产生电子噪声的原因之一。
每一个像元相当于一个单独的检测器,在相邻像元之间的基线回归和灵敏度可能稍有不同。这里灵敏度的不同被称作图片响应的非一致性(PRNU)。这会产生数据的非随机结构。它的影响可以通过在软件中减去暗光谱和进行照度定标来补偿。
荧光可以用于研究一些样品,因为荧光分子会吸收特定波长的光,发射另一种光。通过已知的入射光波长,根据样品发出的光谱可以鉴定出样品的组成。因为荧光发生在分子范畴(通常一种光子入射,一种光子发出),这是唯一一种可以鉴定单分子的光谱技术。
荧光粉涂层是应用在检测器上用来提高紫外波段的灵敏性。这种涂层能够发射出被检测器紫外末端的像元识别的更低频率的光子。参考紫外涂层。
F-number是光学组件的直径和它的焦距之间的比值,这和数值孔径是有关系的。比如:在很多海洋的光谱仪上,准直镜是F/4(有时候会写成ƒ:4或者ƒ-4)。这意味着焦距是准直镜的直径的4倍。一个光学组件的F-number越小,它越容易收集到光,但是比F-number大的部件更容易收到像差的影响。在所有光学系统中,有效F-number是光学系统的最大F-number决定的。
积分时间是检测器在将累积的电荷通过A/D转换器加工之前,被允许收集光子的时间长度。最小积分时间是设备支持的最短积分时间,它取决于检测器读出所有像素信息的快慢,积分时间与数据传输速度是不同的概念。
暗噪声:热效应引起的噪声。由于检测其中的热效应而产生的电子引起的噪声,而不是因为入射光产生的信号,一般随着温度的上升而增加,可以用TEC计数降低。
光子噪声:在既定时间内,光子撞击到检测器时,由于统计学误差引起的噪声,当入射光增强时光子噪声增强。
电子噪声:由A/D转换器和电路板的错误而产生电子,被光谱仪误以为是信号的噪声。
偏差:由于不同光学器件造成的在不同波长上的的聚焦偏差。
杂散光:光由于反射、衍射、折射而出现在检测器上不应该出现的位置产生的噪声。是系统噪声的一种。
硬件的不完善和瑕疵:像素坏点或者在聚焦镜上的划痕都可能造成光谱噪声。
读出噪声:由于读出像元的累积电荷而产生的噪声,这个噪声是由于检测器的读出过程产生的,首要影响因素是前置放大器。
一般情况下,噪声可以通过一些光谱学平均算法和控制设备温度来减弱。
海洋光学的光纤的数值孔径是0.22,跟光谱仪相匹配,发散角(接收角)是25.4度,可以根据这个角度计算,照射时光斑的大小,或者被测物的距离、可观测尺寸等信息。
这个比值海洋光学称之为色散,单位是:纳米/像素。这个数值对检测器和光栅的结合是很重要的。
这类滤光片用于检测器的窗口上,其作用是消除二级和三级衍射效应。这种设计可以消除较低波长的光撞击到应该接受较高波长光的检测器的位置。比如,如果没有这种滤光片,253.652nm波长的汞灯光源的光将会同时出现在检测器的253.653nm和507.304nm波长处。
PAR的单位是μmol.s-1.m-2。在各个波长的光子数量是通过分隔在各个波长的光的能量计算的。
光度测量是通过人眼来诠释对光的研究和分析。因此它是辐射测量的范畴。可见光谱不同部分的亮度根据人眼的感知亮度(响应功能)来校准匹配。测量方式分为绝对辐射测量和相对辐射测量。
光子噪声是散粒噪声的一种类型,它是由于CCD中光子到达率的固有统计变化引起的。光子到达检测器的时间间隔符合柏松分布,因此光子噪声等于入射光子数的平方根。当光子信号很小时,光子噪声相较于光子信号是很大的,导致系统的信噪比降低。由于它们不同的增长速率,然而,当光子信号数量变得很大时光子噪声相对于光子信号就变得不那么重要了。尽管随着更多的光撞击检测器时,光子噪声的数量在增多,光子信号会以更大的比率增加,从而导致信噪比增大。要注意很重要的一点,在小信号水平时,暗噪声是主要的噪声源,但在大信号水平时,光子噪声占主导。通常,术语“散粒噪声”经常被用来代替光子噪声。
检测器中每个像元可以储存的电子的最大数目叫做阱深。像元阱深决定了可用于像元单次读出结果或能接收的最大信号。CCD的动态范围也与阱深刚好成正比。入射光的强度和积分时间决定了每一个像元采集电子的数目。如果入射光产生的电子超出了像元阱深所能承受的范围,像元就会饱和。在测量过程中一定不要让光谱仪出现饱和(甚至没有被用到的任何一段光谱 即使光谱的一部分没有被使用),因为这会影响光谱的其余部分。
量子效率是衡量检测器能够响应入射光子产生电子的能力。更高的量子效率值意味着检测器更灵敏。检测器的灵敏度对不同波长的入射光有所不同,所以量子效率最好用曲线表示,而不是用单个量子效率值表示。对于光谱仪,量子效率并不是一个品质因数性能系数,因为它只是决定光谱仪整体性能的其中一个指标。
辐射测量是研究电磁辐射的科学,包括可见波普。它的含义是电磁波谱中的能量分布,与光度测量不同,光度测量定义了人眼能够看到了可见光的接收强度。
附加频率值与振动能级有关的称作大拉曼位移,与同一振动能级内的转动能级有关的称作小拉曼位移:
大拉曼位移:(为振动能级带频率)
小拉曼位移:(其中B为转动常数)
简单推导小拉曼位移:利用转动常数
灵敏度可以表示成生成每个count时需要的入射光的光子数量。海洋光学说明书通常显示在特定波长下(通常在400nm和600nm)counts(计数值)(在OceanView 或SpectraSuite软件中y-轴的数值)与入射光子数量的比值。这个定义是最有用的定义,因为它直接反应了用户在海洋光学软件上看到的结果。
散粒噪声是统计产生的变化,它存在于任何离散的随机系统中。与光谱仪有关的散粒噪声的类型有光子噪声和暗噪声。
虽然这些方法对于获得精确数据是有用的,但它会混淆不同光谱仪的比较。海洋光学给出了所有光谱仪的没有通过信号平均方法获得提升的信噪比值。我们的一些竞争对手利用信号平均的方法,人为的提高一些质量较差的光谱仪的信噪比。
狭缝的宽度与光学分辨率有关,宽度越小,分辨率越大,但是进入光谱仪的光线越少,灵敏度也就越低。大多数海洋的设备:狭缝高度为1000微米,宽度从5微米到200微米。对于没有狭缝的光谱仪来说,光纤的直径限制了进入光谱仪的光量,所以,光纤直径起到了狭缝的作用.
在工作原理方面,光谱传感器与其他光谱仪不同,它用的不是光栅,用的是固态光学组件,这是海洋光学的系技术。这个传感器用于定性和定量测量。
光谱仪连续采集数据,当没有任何外部需求时,可以使用。
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