光譜學(xué)術(shù)語(yǔ)和定義詞解析3

Pixel Well Depth

像元（像素）阱深

檢測(cè)器中每個(gè)像元可以儲(chǔ)存的電子的最大數(shù)目叫做阱深。像元阱深決定了可用于像元單次讀出結(jié)果或能接收的最大信號(hào)。CCD的動(dòng)態(tài)范圍也與阱深剛好成正比。入射光的強(qiáng)度和積分時(shí)間決定了每一個(gè)像元采集電子的數(shù)目。如果入射光產(chǎn)生的電子超出了像元阱深所能承受的范圍，像元就會(huì)飽和。在測(cè)量過程中一定不要讓光譜儀出現(xiàn)飽和（甚至沒有被用到的任何一段光譜 即使光譜的一部分沒有被使用），因?yàn)檫@會(huì)影響光譜的其余部分。

Quantum Efficiency

量子效率

量子效率是衡量檢測(cè)器能夠響應(yīng)入射光子產(chǎn)生電子的能力。更高的量子效率值意味著檢測(cè)器更靈敏。檢測(cè)器的靈敏度對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有所不同，所以量子效率最好用曲線表示，而不是用單個(gè)量子效率值表示。對(duì)于光譜儀，量子效率并不是一個(gè)品質(zhì)因數(shù)性能系數(shù)，因?yàn)樗皇菦Q定光譜儀整體性能的其中一個(gè)指標(biāo)。

Radiometry

輻射測(cè)量

輻射測(cè)量是研究電磁輻射的科學(xué)，包括可見波普。它的含義是電磁波譜中的能量分布，與光度測(cè)量不同，光度測(cè)量定義了人眼能夠看到了可見光的接收強(qiáng)度。

**Raman **拉曼光譜

光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長(zhǎng)相同的成分,非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的和短的成分, 統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。拉曼效應(yīng)是光子與光學(xué)支聲子相互作用的結(jié)果。

拉曼光譜－原理拉曼效應(yīng)起源于分子振動(dòng)(和點(diǎn)陣振動(dòng))與轉(zhuǎn)動(dòng)，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動(dòng)能級(jí)(點(diǎn)陣振動(dòng)能級(jí))與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。用虛的上能級(jí)概念可以說(shuō)明了拉曼效應(yīng):

設(shè)散射物分子原來(lái)處于基電子態(tài)，振動(dòng)能級(jí)如圖所示。當(dāng)受到入射光照射時(shí)，激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態(tài)（Virtual state），虛能級(jí)上的電子立即躍遷到下能級(jí)而發(fā)光，即為散射光。設(shè)仍回到初始的電子態(tài)，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，后者稱為拉曼線。在拉曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。

附加頻率值與振動(dòng)能級(jí)有關(guān)的稱作大拉曼位移，與同一振動(dòng)能級(jí)內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)的稱作小拉曼位移：

大拉曼位移：(為振動(dòng)能級(jí)帶頻率)

小拉曼位移：(其中B為轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù))

簡(jiǎn)單推導(dǎo)小拉曼位移：利用轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)

Sensitivity

靈敏度

光譜儀的靈敏度是一個(gè)衡量可見光輸入與光譜輸出關(guān)系的參數(shù)，可以在海洋光學(xué)軟件中看到這個(gè)參數(shù)。

檢測(cè)器靈敏度，不是指光譜儀靈敏度，通常是可以通過以下兩種方法表示的：

1.單位入射輻射功率（單位：瓦）的輸出電流（單位：安）

靈敏度可以由在給定輻射功率的發(fā)光光源條件下，檢測(cè)器輸出的電流值來(lái)確定。這種方法測(cè)得的單位通常是A/W（這經(jīng)常作為檢測(cè)器的響應(yīng)率，見NEP）。當(dāng)靈敏度被表達(dá)成A/W時(shí)，檢測(cè)器的量子效率和靈敏度由以下公式得出：

QE = Sx1240/λ x 100 (%),這里λ是波長(zhǎng)，單位是nm。

2.單位入射曝光量（單位：lux.s）的輸出電壓（單位：V）

靈敏度也可以由在一定大小的曝光量下，檢測(cè)器的輸出電壓值來(lái)確定。通常這種方法測(cè)得的靈敏度單位是V/lux.s。

3、靈敏度可以表示成生成每隔count時(shí)需要的入射光的光子數(shù)量。海洋光學(xué)說(shuō)明書通常顯示在特定波長(zhǎng)下（通常在400nm和600nm）counts（計(jì)數(shù)值）（在OceanView 或SpectraSuite軟件中y-軸的數(shù)值）與入射光子數(shù)量的比值。這個(gè)定義是最有用的定義，因?yàn)樗苯臃磻?yīng)了用戶在海洋光學(xué)軟件上看到的結(jié)果。

Shot Noise

散粒噪聲

散粒噪聲是統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生的變化，它存在于任何離散的隨機(jī)系統(tǒng)中。與光譜儀有關(guān)的散粒噪聲的類型有光子噪聲和暗噪聲。

Signal to Noise Ratio

信噪比

信噪比（SNR）的定義是，在一個(gè)特定的信號(hào)水平，信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值——因此它會(huì)隨著測(cè)量不同而有所不同。由于光子噪聲的原因，噪聲通常以信號(hào)函數(shù)的形式增長(zhǎng),信噪比函數(shù)實(shí)際上是單個(gè)信噪比值與它們獲得的該信號(hào)的曲線圖。海洋光學(xué)數(shù)據(jù)表中記載的光譜儀信噪比值是最大可能的信噪比值（在檢測(cè)器飽和狀態(tài)下獲得）。假設(shè)每一個(gè)像元的信噪比響應(yīng)曲線都相同。

具體測(cè)量如下：當(dāng)挑選好光源，以便在最低的積分時(shí)間或積分時(shí)間遠(yuǎn)低于熱噪聲限制的積分時(shí)間內(nèi)使光譜峰值飽和（光譜仍需要有低于0 counts（計(jì)數(shù)值）或其左右的區(qū)域）；想要計(jì)算信噪比，需要取100個(gè)沒有光入射的掃描，計(jì)算出每個(gè)像元的平均基線值，再取100個(gè)有光入射的掃描，計(jì)算出每個(gè)像元輸出值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；然后信噪比由以下公式給出：

SNRρ = (S – D)/σρ

這里

SNRρ=信噪比

S=光照條件下樣品信號(hào)強(qiáng)度平均值

D=黑暗條件下信號(hào)強(qiáng)度平均值

σ=光照條件下樣品信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差

ρ=像素序號(hào)

想要獲得完整的信噪比與信號(hào)圖，畫出計(jì)算得到的SNRρ值（噪聲）和Sρ – Dρ值（信號(hào)）。這將涵蓋了一個(gè)很寬的峰值范圍（從光譜暗狀態(tài)到近乎飽和）。因?yàn)樗械南裨加邢嗤捻憫?yīng)曲線，所以信噪比和信號(hào)圖的數(shù)據(jù)可以來(lái)自不同的像元。因?yàn)樵谛盘?hào)大值的時(shí)候，光子噪聲是主要的噪聲來(lái)源，故理想的光譜圖應(yīng)該與y = √x的圖形相似。

請(qǐng)注意，應(yīng)用不同類型的信號(hào)平均方法可以提高信噪比。在基于時(shí)間的信號(hào)平均時(shí)，信噪比將以光譜掃描次數(shù)的平方根增加。舉例說(shuō)明，信噪比為300:1,如果將100次掃描取平均時(shí)，信噪比會(huì)變成3000：1。在基于空間的信號(hào)平均時(shí)，信噪比將以取平均的像元數(shù)量的平方根增加。

雖然這些方法對(duì)于獲得精確數(shù)據(jù)是有用的，但它會(huì)混淆不同光譜儀的比較。海洋光學(xué)給出了所有光譜儀的沒有通過信號(hào)平均方法獲得提升的信噪比值。我們的一些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手利用信號(hào)平均的方法，人為的提高一些質(zhì)量較差的光譜儀的信噪比。

Slit

狹縫

狹縫的寬度與光學(xué)分辨率有關(guān)，寬度越小，分辨率越大，但是進(jìn)入光譜儀的光線越少，靈敏度也就越低。大多數(shù)海洋的設(shè)備：狹縫高度為1000微米，寬度從5微米到200微米。對(duì)于沒有狹縫的光譜儀來(lái)說(shuō)，光線的直徑限制了進(jìn)入光譜儀的光量，所以，光纖直徑起到了狹縫的作用.

**Spectral sensor **

光譜傳感器

光譜傳感器是海洋光學(xué)產(chǎn)品系列中的新增產(chǎn)品。這類產(chǎn)品是微型光譜儀設(shè)備，并且有單獨(dú)的配件產(chǎn)品線。第一款產(chǎn)品是SPARK-VIS。

這類產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就為了這些目的：批量生產(chǎn)、低成本、小體積。SPARK-VIS是我們最低成本的光譜儀，并且精簡(jiǎn)版本是最輕的光譜設(shè)備，僅重1克。

在工作原理方面，光譜傳感器與其他光譜儀不同，它用的不是光柵，用的是固態(tài)光學(xué)組件，這是海洋光學(xué)的系技術(shù)。這個(gè)傳感器用于定性和定量測(cè)量。

Stray Light

雜散光

雜散光是指光意外落在檢測(cè)器上的任意位置，并導(dǎo)致錯(cuò)誤的讀數(shù)。檢測(cè)器可能無(wú)法區(qū)分出落在一個(gè)像元上的多個(gè)波長(zhǎng)，它只能簡(jiǎn)單的測(cè)量出入射光的強(qiáng)度；因此當(dāng)光照在檢測(cè)器錯(cuò)誤的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處，檢測(cè)器就會(huì)錯(cuò)誤的輸出這個(gè)波長(zhǎng)處的讀數(shù)。這種雜散光是典型的通過一個(gè)特定光源發(fā)出，但經(jīng)過光譜儀分光后照在檢測(cè)器錯(cuò)誤的位置，或者也可能完全由兩個(gè)不同的光源發(fā)出。這些光經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍中出現(xiàn)一個(gè)有效工作范圍，這會(huì)限制系統(tǒng)的暗程度進(jìn)而降低系統(tǒng)信噪比。顏色或吸光度的絕對(duì)值可能會(huì)受雜散光的影響。如下為引起雜散光的主要原因：（測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：用標(biāo)準(zhǔn)濾光片或者標(biāo)準(zhǔn)溶液）

?2階和3階衍射

?衍射光柵的缺陷

?光譜儀的內(nèi)部反射

?光譜儀外殼漏光（外界光進(jìn)入到光譜儀）

**Triggering **觸發(fā)

觸發(fā)是許多海洋光學(xué)的光譜儀可以應(yīng)用的一個(gè)特點(diǎn)，跟一般的光譜過程有關(guān)。第一類：一個(gè)采樣系統(tǒng)之外的事件（按鍵或者脈沖激光）可以觸發(fā)光譜儀，使光譜儀開始數(shù)據(jù)采集過程。這種觸發(fā)是海洋光學(xué)的“外部觸發(fā)”。另一種觸發(fā)是光譜儀引入一個(gè)外部設(shè)備（比如燈）去指示光譜儀立即采集數(shù)據(jù)。這被稱為是“外部事件觸發(fā)”。

下面是應(yīng)用在海洋光學(xué)光譜儀上的五種觸發(fā)模式：

1、外部硬件邊緣觸發(fā)

光譜儀設(shè)定積分時(shí)間。當(dāng)觸發(fā)器的輸入針腳上有一個(gè)尖銳的電壓上升的信號(hào)時(shí)，光譜儀開始采集信號(hào)。這種觸發(fā)是每當(dāng)一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生，光譜儀開始采集一個(gè)光譜信號(hào)（如果設(shè)定了多個(gè)采集過程）。當(dāng)你使用一個(gè)脈沖激發(fā)信號(hào)或者光源、當(dāng)你在做激光致熒光或磷光、當(dāng)你想要你的采集過程與外部信號(hào)同步時(shí)，你可以用這種觸發(fā)模式

2、外部硬件水平觸發(fā)

光譜儀設(shè)置積分時(shí)間，當(dāng)光譜儀接收到觸發(fā)器電壓信號(hào)時(shí)，開始采集數(shù)據(jù)，當(dāng)信號(hào)消失時(shí)結(jié)束采集光譜數(shù)據(jù)。當(dāng)你需要一個(gè)連續(xù)采集譜圖時(shí)（在特殊情況下），比如樣品達(dá)到某種特殊的，你想要測(cè)量的狀態(tài)時(shí)，你可以用這種方式觸發(fā)。

3、外部軟件觸發(fā)

積分時(shí)間在軟件中設(shè)定。當(dāng)軟件接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光譜，并且觸發(fā)發(fā)生在這個(gè)過程中。當(dāng)你應(yīng)用一個(gè)連續(xù)指示光源，并且光源的強(qiáng)度在觸發(fā)前，觸發(fā)過程中，處罰之后是連續(xù)變化的，你可以用這種觸發(fā)模式。

4、外部同步觸發(fā)

光譜儀在接收到外部信號(hào)后開始采集數(shù)據(jù)，當(dāng)再次接受到信號(hào)后結(jié)束采集數(shù)據(jù)。在第二次接收到信號(hào)時(shí)，結(jié)束第一次采集，同時(shí)開始此二次采集數(shù)據(jù)。這種情況下，不用設(shè)置積分時(shí)間，因?yàn)橛|發(fā)器可以啟動(dòng)開始或者停止。當(dāng)你必須要你的光譜掃描和外部信號(hào)同步時(shí)，當(dāng)你用一個(gè)內(nèi)部放大器或者用斬波器時(shí)，你可以用這種觸發(fā)模式

5、正常/隨機(jī)/連續(xù)

光譜儀連續(xù)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)沒有任何外部需求時(shí)，可以使用。