光谱响应校正：标准度的效果

光谱仪是一种用途极其广泛的仪器，能够根据其组成波长（即颜色）测量光强度。像IS仪器MSP1000（右）这样的光纤耦合、经济高效的光谱仪被用于不同的领域，包括农业、化学和生物、天文、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。（左）获得钨卤素灯泡的原始谱;（右）相同的光谱，校正仪器响应

图1显示了给定光谱仪观察到的原始光谱以及应用校正算法时的响应。图1中观察到的振荡效应存在于许多紧凑型光谱仪中，这是由于仪器内的电子定标。校正算法被认为是每像素强度校正。其目的是为CCD上的每个像素获得一个比例因子。这些比例因子校正了光谱仪中与波长相关的损耗。在一些学科中，如天文学，这也被称为平场。

这实际上不应与波长校准混淆，将每个像素与波长相关联，这是制造商提供的大部分时间。每个像素接收的计数数由仪器响应校正调整。若有其他处理步骤，如暗电流减法不是依赖的波长，并且应该在拍摄测量时常规执行。

我应该在什么时候校正我的仪器?

对于许多应用，即使图1中显示的效果非常显著，也无需校正仪器内的损耗。例如，这种效应与处理相对测量的实验无关。反射光谱或吸收光谱就是这种情况。由于这些测量是相对于参考（例如，发光的空反应杯的光谱）进行的，因此仪器的影响被抵消。

如果要查找特征光谱峰（一个或多个峰）的存在，而不是其相对高度，则通常无需执行仪器校正。使用线发射灯进行波长校准就是这样一个例子。

但是，如果用户想要进行功率测量、真彩色测量或两个峰值的相对高度测量，则准确了解并校正仪器响应非常重要。此过程需要校准（例如NIST可追踪）光源。如果存在具有近似已知光谱的光源，例如普通卤钨灯泡，则也可以进行相对仪器校正。

仪器响应

仪器响应由光谱仪内所有部件的性能控制。镜子和光谱仪中的检测器并不完美，并且由于制造缺陷或灰尘，它们的表面差异。当光进入光学系统时，它被吸收和衰减。该衰减是波长依赖性的，例如CCD具有由其量子效率（QE）曲线控制的波长灵敏度。

光纤和反射镜(Ag或Al涂层)往往具有相当低的损耗，在感兴趣的(可见)光谱范围是均匀的。探测器和光栅可以有更显著的变化，如图3所示。在400nm以下，标准光纤和反射镜性能显著下降。

图2。左:标准光纤的衰减。右图:入射到镀银镜面上的非偏振光的反射率。大部分可见光区域的反射率都在96%以上。

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。右图：东芝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。尽管硅的特征很好，但是QE曲线的实际形式对于每个检测器不同，并且通常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

带盖玻璃的探测器能产生干涉效应。这种效应通常被称为窗口扩展。入射光在探测器的罩玻璃和表面之间以及玻璃内部经历多次反射，从而导致建设性和破坏性干涉。这主要表现在光谱仪中，因为入射到探测器上的光接近单色。这种效应在宽带频谱上表现为信号的低频振荡或纹波。

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进行了一些有趣的非同行评审工作，调查这种现象。

图4。覆盖探测器内部发生的反射。左图显示了通常的情况：光线可以在探测器和玻璃之间反射。中间：如果使用（双面）氩涂层，从探测器反射的大部分光线将丢失。右图：如果没有覆盖玻璃，则所有反射光都会丢失．

信号的周期性和精确形状取决于若干因素，包括检测器和盖玻片之间的距离以及它们的反射率。

在背光近红外探测器中也观察到类似的效应，探测器衬底本身表现为光学标准具。垂直落差是光在两个平面之间反射时产生的一种效应，两个平面之间的距离与入射光的波长相当。在背薄探测器中，衬底的光学厚度是几十微米，是光波长的100到200倍。在可见光谱仪的情况下，不太可能发生真正的标准距离，因为玻璃和探测器之间的距离和覆盖玻璃的厚度都比波长长得多。

消除干扰或“沉降”效应

有很多方法可以防止这个问题:第一种方法是在探测器窗口的两侧涂上AR涂层。这保留了CCD保护罩的好处，但可能只减少而不是消除边缘。其次，窗户可以完全移除。最后，可以使用楔形盖玻璃。光楔可以调节光线的折射角，使射出的光线和射入的光线不再平行(因此不会相互干涉)。图5显示了中使用的无窗和有窗探测器之间的比较IS-Instruments微型光谱仪。

图5。（左）钨卤素灯的光谱，使用窗户覆盖的检测器（MSP1000光谱仪）。干扰效应清晰可见。（右）相同灯的光谱，在同一光谱仪中使用无窗口检测器。没有存在干扰效应。

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。

为了简单起见，建议大多数用户使用无窗口检测器。

仪器响应校正

全辐射矫正

补偿系统总光谱响应的最简单方法是获取具有已知发射的光源的光谱。这些灯具有校准数据，能够用于对光谱仪进行辐射校正。该程序基本上与相对修正相同，但增加了一个比例因子。此外，辐射定标仅适用于进行校正的实验装置。例如，如果使用特定光纤校准光谱仪，更改光纤将取消结果。对于某些光谱仪，甚至应避免旋转光纤。

还有其他需要考虑的问题:在需要重新校准之前，校准灯的寿命通常小于50小时。灯需要长达半小时的预热时间，尽管获取光谱可能需要几毫秒。

校准取决于灯和其他仪器几何结构（如光谱仪的孔径大小）的精确定位，所有这些都增加了一些不确定性。

由于这些原因，制造商通常不提供作为标准的放射体校准的光谱仪。然而，有一些情况这一要求是不可避免的。

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:

哪里（ν，T)，在ν和温度下，c是光速，h普朗克常数，和k是boltzmann常数。可以使用这种等式以产生具有已知温度的灯的理论黑体光谱。观察到的灯光谱由该理论谱除以相关仪器响应。然后使用该响应函数来乘以每个新频谱。图6显示了示例响应函数。必须注意，在更高的像素数量下，缩放因子大大增加，对应于检测器敏感的更长波长。

图6。使用家庭钨卤素灯和预测的黑体谱产生的示例仪器响应功能。朝向右侧的急剧上升反映了CCD QE在红外线差，因此这里有更大的校正。

许多作者详细讨论了这一问题的更正^［2］．应该注意的是^［2］，作者描述了具有已知色温的卤素灯的计算发射光谱，显示与测量的发射光谱相同到5％以内。由于可追踪灯的准确性通常在百分点的阶数，这表明了如何准确的近似校正。

结论

在进行时光谱测量，了解所需的校准步骤（如果有的话）至关重要。对于相对测量，没有必要纠正仪器响应。然而，如果需要绝对测量，则必须执行近似或全部辐射校正至关重要。如果需要，仪器可以提供带无窗口探测器的光谱仪，以避免常见的干扰效果。

参考文献

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

[1] Novak，E.，AI，C.，Wyant，J.C.，1997.利用严格相干成像引起的激光FIZEAU干涉仪中的几乎平行的光学元件引起的错误。Proc。SPIE 3134,456-460。DOI：10.1117 / 12.295146

[2]仪器响应校正，技术说明203，Horiba Jobin Yvon

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