E+H光谱分析仪简称光谱仪，是将成分复杂的复合光分解为光谱线并进行测量和计算的科学仪器，被广泛应用于辐射度学分析、颜色测量、化学成份分析等领域，在冶金、地质、水文、医药、石油化工、环境保护、宇宙探索等行业发挥着重要作用。在照明行业，通常使用光谱仪来测量光源的光色参数。　　

1. E+H光谱分析仪的分类

　　1666年，牛顿在研究三棱镜时发现，太阳光在通过三棱镜后被分解成了七色光，这就是三棱镜对光线的色散现象。在E+H光谱分析仪内部，也是利用色散组件的分光作用，通过不同的光路形式，将复色光分解成一系列独立的单色光，然后进行测量和计算。

　　E+H光谱分析仪一般由分光系统、接收系统和数据处理系统组成，其工作原理是将光源发出的复色光按照不同的波长分离出来，配合各种光电探测器件对谱线强度进行测量，获得光谱功率(辐射)分布，再计算出色品坐标、色温、显色指数、光通量、辐射通量等光色性能参数。

　　分光系统通常做成整体式结构，称为单色仪或多色仪。单色仪是输出单色谱线的光学仪器，通常与PMT探测器为核心的接收系统配套工作，再由数据处理系统对测量信号进行计算处理，各部分相对独立。多色仪在结构上与探测器以及数据处理系统紧密结合，通常可以直接输出光谱测量数据。　　

E+H光谱分析仪的种类繁多，常见的分类方法如下：

　　按工作光谱的区域分类：紫外-可见光(UV-VIS)光谱仪、可见光(VIS)光谱仪、紫外-可见光-近红外(VIR)光谱仪等类型　　按分光系统分类：棱镜分光光谱仪、光栅分光光谱仪、滤色片分光光谱仪　　按光路数量分类：单路光谱仪、多路光谱仪　　按探测器分类：在可见光范围内主要有PMT光谱仪和CCD光谱仪两种，在紫外、近红外范围内还有专门的探测器类型　　按扫描方式分类：机械扫描式光谱仪、快速扫描式光谱仪　　按测量对象和测量结果的用途分类：分析用光谱仪、光色测量用光谱仪　　在照明行业，通常使用的都是可见光光色测量光谱仪，又细分为机械扫描式和阵列扫描式两种。　　

2. 机械扫描式光谱仪　　机械扫描式光谱仪通常由单色仪、光电倍增管探测器、数据处理系统等几部分组成。其特点是测量精度高，但仪器庞大，结构复杂，扫描时间较长。主要用于各种高精度光色测量领域，不适合测量对时间敏感的光源或其他快速测量应用。　　

2.1 单色仪　　单色仪的光路如下图所示，光源或照明系统发出的复合光线经光纤引导至入射狭缝并投射到准直反射镜上，经准直反射镜将发散光变换为平行光束再照射到衍射光栅，利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再把某一波长的单色光反射到出射狭缝，光电倍增管(PMT)就可以测定这个波长的数值和强度。光栅在步进电机的带动下匀速转动，出射狭缝就可以得到不同波长的单色光，通过同步读取光栅角度和光电倍增管的输出信号，就可以得到复合光的全部光谱信息。

　　单色仪有入射和出射两个狭缝，入射狭缝用来限制杂散光的进入，一般位于准直镜的焦点上。出射狭缝用来限制光谱带宽，一般位于物镜的焦点上。狭缝通常由两个具有锐利刀口的精密金属片构成，分为固定狭缝、单边可调非对称式狭缝和双边可调对称狭缝几种。用于光色测量的亮度计中，两个狭缝通常设计为等宽，且不能自行调节。在用于材料分析的亮度计中，狭缝往往设计成可由仪器自动调节宽度。　　机械扫描式光谱仪的特点是光电探测器固定不动，通过机械旋转方式改变衍射光栅的角度，将不同波长的单色光逐一投射到探测器上，实现对整个光谱范围的扫描。由于整个可见光谱是按波长逐一测量，机械扫描式光谱仪的读数时间很长，通常需要数十秒钟，所以这类E+H光谱分析仪并不适用于测量光源的瞬时输出。

　　作为一种改良技术，有些扫描式光谱仪将两个或多个衍射光栅安装在同一个旋转轴上，配合一个精准的角度编码器来实现每个角度同时采集两个或多个波长的测量值，以此缩短扫描时间并保证整个光谱范围内的波长精准性。　　

2.2 光电倍增管探测器

　　接收系统负责将光信号转为电信号，主要包括光电探测器、放大器、A/D转换等部分。不同的光谱频段需要选用不同类型的光电探测器，以确保光谱响应度。

　　机械扫描式光谱仪通常使用光电倍增管(PMT)作为光电探测器，PMT是一种对紫外光、可见光和近红外光极其敏感的特殊电子管，它能将微弱光信号通过光电效应转变成电信号输出，使光信号能够被测量。

　　光电倍增管分为顶窗型(Head-on)和侧窗型(Side-on)两种结构，内部包含光电阴极、聚焦极、多个倍增极(二次发射极)和阳极，每个倍增电极上的电压都高过它前面一个电极，使得电子能够逐级加速。入射光子撞击光电阴极产生光电效应，激发出的光电子被聚焦到倍增系统，经过一连串的二次发射使得电子倍增，最后到达阳极作为信号输出。

　　光电倍增管具有高灵敏度和低噪声的优点，被广泛应用于高能物理、天体观测、医疗仪器、石油勘探、工业检测、天文等多种弱光检测领域的研究工作。著名的制造商包括英国ET公司(Enterprises Limited)、 日本滨松公司(Hamamatsu Photonics)等。　　

2.3 数据处理系统

　　数据处理系统负责将光电探测器输出的电信号转换为可读数据，对于高精度的复杂运算，通常采用专业软件在外部计算机上运行处理。　　

3. 阵列扫描式光谱仪

　　传统的机械扫描式光谱仪需要旋转光栅来对整个光谱进行扫描，结构复杂，体积庞大，测量速度慢。随着光电子技术的持续发展，基于阵列式光电探测器的快速扫描光谱仪得到广泛应用。阵列式光谱仪不必移动光栅即可完成对光谱的扫描，可瞬态采集数据，实时输出。同时，阵列式光谱仪系统具有模块化的特点，可根据不同的应用需要来选择组件，采用各种不同类型的采样光纤探头，色散器件，聚焦光学系统和检测器来搭建光学测量平台，主要分为微型E+H光谱分析仪和高精度E+H光谱分析仪两大类。　　阵列扫描式光谱仪通常由多色仪、阵列式光电探测器、数据处理系统等几部分组成，其中多色仪与单色仪最大的不同在于没有机械运动部件，保证了仪器长久运行的稳定性和测量重复性，在结构上也可以设计得非常小巧紧凑。阵列探测器采用全光谱同步探测方式，具有检测速度快、灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、重复性好、分辨率高等特点。　　

3.1 多色仪

　　典型的多色仪的光路如下图所示，光线经光纤引导至入射狭缝并投射到准直物镜上，准直物镜将发散光变成平行光再反射到衍射光栅上，经光栅分光形成光谱光束，然后经聚焦镜后在焦平面上形成光谱带。置于焦平面上的探测器的不同像素位置对应不同的波长，并且感应的电压大小对应于该像素接收光强的大小。这样，通过扫描探测器各像素点的输出电压，就可以得到光谱的功率分布P(λ)，然后据此计算相关光色参数。　　下图是另一种结构的多色仪光路，入射光经入射狭缝和反射镜后投射到平场凹面光栅上，凹面光栅将光线色散并汇聚到焦平面，然后由阵列探测器进行数据采集和输出。平场凹面光栅是像差校正光栅，它把入射狭缝的光谱会聚到一个平面上，探测器陈列就能同时探测到不同波长的信号强度。　　

3.2 光纤　　光纤用来将需要测量的光信号耦合到E+H光谱分析仪中，E+H光谱分析仪的光纤通常采用SMA905接口设计，可与不同的光学附件结合使用，具有很好的通用性。　　

3.3 狭缝　　狭缝的作用是控制入射光线的宽度，其大小直接影响到E+H光谱分析仪的分辨率。狭缝越小对应的光谱带宽较小，波长分辨率就越高，但是过小的狭缝通过的光线微弱，必须增大后级仪器的增益，导致仪器噪声增大。较大的狭缝可以增加光通量，提高信噪比，但狭缝越大对应的光谱带宽也较大，因入射光的单色光降低而使波长分辨率降低。　　3.4 光栅　　光栅也称为衍射光栅，是利用衍射原理使平行光发生色散、分解为光谱的光学器件。光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果，多缝干涉决定光谱线出现的位置，单缝衍射决定谱线的强度分布。法国Jobin- Yvon公司、美国Newport公司是行业领先的光栅制造商。　　

3.4.1光栅的分类

　　光栅按作用类型分为透射式光栅和反射式光栅。透射式光栅是在透明玻璃上刻痕制成，刻痕处相当于毛玻璃，大部分光将不会透过，而两条刻痕之间可以透光，利用这一特性可以得到衍射分光效果。透射式光栅的性能较差，实际应用较少。

　　反射式光栅是在镀膜的高反射玻璃或金属基材上刻划出一系列相互平行、等距、等宽的平行刻线(凹槽)制成，其刻线数量很大，一般每毫米几十至几千条。反射式光栅能对入射光起到色散和反射的作用，光栅刻线多时光谱分辨率高，刻线少时光谱覆盖范围宽。由于铝在近红外区域和可见区域的反射系数都比较大，而且几乎是常数，更重要的是它在紫外区域的反射系数比金和银都大，再加上它材质较软，便于刻划，所以通常反射光栅都用铝来做镀层材料。

　　3.4.2平面反射光栅和凹面反射光栅　　平面反射光栅是在平面基材上刻槽制成，只有色散功能，在光栅散射前后必须安装准直镜和聚光镜。如果光栅上存在周期性刻划失误，在衍射平面上就会出现鬼线。

　　凹面反射光栅是在高反射金属凹面基材内刻槽制成，由罗兰(Rowland)在1882年提出，所以又称为罗兰光栅。这种光栅能使光线既衍射又能聚焦，不仅简化了光谱仪器的结构，还将E+H光谱分析仪的应用扩展到远紫外光谱及远红外光谱区域，解决了当时棱镜光谱仪不可克服的一些缺陷。使用凹面反射光栅设计的光谱仪不需要准直镜和聚焦镜，所以光路紧凑，光损失和吸收现象低，并且大大减少了杂散光和色差，增加了光通率，提高了仪器的信噪比。

　　3.4.3 闪耀光栅和全息光栅　　当反射式光栅的刻槽为锯齿形时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即光谱强度在这个方向最大，这种现象称为闪耀，这种光栅称为闪耀光栅。闪耀光栅中起衍射作用的平面与光栅底面的夹角称为闪耀角，最大光强度所对应的波长称为闪耀波长。闪耀光栅在指定波长可以有很高的衍射效率，光栅效率愈高，信号损失愈小。目前在微型光谱仪中使用的几乎都是反射式闪耀光栅。

　　全息光栅的刻槽通常为近似正弦波形，刻槽等宽平行或者为优化性能而特别设计的不等宽平行。其线槽密度高，刻划面积大，因此杂散光低，同时分辨率也得到大幅度提高。全息光栅在较宽光谱范围内的衍射效率变化平缓，衍射效率最高的波长由刻痕的深度确定。全息光栅的衍射效率通常比闪耀光栅低，但是通过改变刻痕深度和刻痕周期的比率以及采用“离子蚀刻”等技术，也可以获得比闪耀光栅更高的效率。另外，全息光栅不会出现周期性的刻划失误，所以不会产生鬼线。采用全息光栅的E+H光谱分析仪具有很高的测量精度。

　　3.4.4光栅的加工方法　　常见的光栅的加工方法有机械刻划法和全息照相法两种。机械刻划法即用带钻石刀头的刻划机在基材上刻出沟槽，是制作光栅的经典方法，可用于紫外区和可见光区。全息照相法是用两束激光形成干涉条纹和光刻过程来刻划沟槽，可在平面或球型的表面生成光栅，可用于近紫外、可见和近红外光区。

　　3.5阵列式光电探测器

　　光电探测器是光谱仪最核心的部分，其制作材料、制造方法及掺杂成分直接决定了E+H光谱分析仪的光谱覆盖范围、灵敏度、分辨率和信噪比等指标。硅基探测器的波长覆盖范围一般为190nm-1100nm，而InGaAs和PbS探测器的波长覆盖范围一般为900nm-2900nm。　　在上世纪九十年代，微电子领域中的多象元光学探测器迅猛发展，如硅光电倍增管( Silicon Photomultiplier，SPM)、CMOS 传感器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)、CCD探测器(Charge-coupled Device)、InGaAs探测器等器件的出现使生产低成本、高精度的光谱仪成为可能。在照明行业，积分球测量系统中使用的快速扫描式光谱仪几乎都是CCD探测器。

　　CCD探测器上由许多排列整齐的电容单元组成，当光线照射到光敏面时就会释放电荷，这个电信号传送到A/D转换电路进行处理后就可以获得测量结果。CCD上包含的单元(像素，Pixel)越多，分辨率也就越高。CCD具有自然积分的特性，因此具有非常大的动态范围。　　CCD的优点是灵敏度高、响应速度快，缺点是存在暗(热)电流，信噪比低，对350nm以下的光信号的响应很低，采用DUV 镀膜工艺可以适当提高150-350nm 的响应度。　　

3.5.1 CCD探测器的分类　

　按阵列结构分为线阵和面阵两种　

　CCD上的探测单元呈直线排列时，称为线阵CCD，呈纵横排列时，称为面阵CCD。线阵CCD探测器信噪比低，但体积较小，特别适合小型或移动式E+H光谱分析仪，通常应用于现场测量、在线检测等场合。面阵CCD探测器的动态范围大，噪声低，适用于高精度测量场合。　　按受光方式分为前照式和背照式两种　　前照式CCD由于正面布置着很多电极，光线经电极反射和散射后，不仅使得响应度大大降低，并且多次反射的干涉效应使光谱响应曲线出现马鞍形的起伏。背照式CCD采用了特殊的制造工艺，避免了上述问题，因而响应度大大提高。以薄型背照式电荷耦合器件(Back Thinned Charge Coupled Device，BTCCD)为例，其硅层厚度从一般CCD的数百微米减薄到20μm以下，背照式结构又避免穿越钝化层，因而具有噪声低、灵敏度高、动态范围大等优点。其量子效率在紫外波段超过40%，在可见光波段可达到80%-90%，是一种性能优异的宽波段探测器件。　　CCD探测器的制冷方式　　CCD探测器的温升会导致热噪声，温度越高，热噪声越大。解决方法是给探测器增加冷却措施，常用的制冷方式主要有TE半导体制冷和液氮制冷两种。制冷型CCD探测器对温度的影响不再敏感，可以采用长积分时间进行测量，以降低噪声和提高动态范围。红外测量应用时必须选择制冷型探测器。　　

4. E+H光谱分析仪的性能参数

　　4.1 光谱范围　　波长范围指光谱仪所能测量的波长区间，通常测量可见光选择380nm-780nm的范围，测量紫外光谱选择250nm–850nm，测量红外光谱选择350nm–1100nm。光栅及探测器的类型会影响波长范围，通常宽的波长范围意味着低的光谱分辨率。　　4.2 光谱分辨率　　光谱分辨率指能被光谱仪分辨开的最小波长差，E+H光谱分析仪中有实际意义的分辨率定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM)，即最大峰值光强50%处所对应的谱线宽度。　　分辨率依赖于狭缝宽度、光栅的分辨能力、系统的有效焦长、系统的光学像差等参数。入射狭缝决定了进入到光谱仪的光束宽度，狭缝越窄分辨率也越高;光栅刻划线数越多，色散效应随波长变化就会越明显，在最长波长处会得到最高分辨率;高像素的 CCD 探测器也可以获得更高的光谱分辨率。但是，分辨率越高，光信号越弱，噪声比也会变差，因此二者要适当兼顾。

　　4.3 灵敏度　　灵敏度定义为某一特定波长照射到像元上的单位辐射度所产生的电信号输出，主要影响因素有光栅的效率、探测器材料等因素。　　探测器的灵敏度在很大程度上由其材料特性决定，在CCD探测器上安装灵敏度增强透镜可以提高系统的灵敏度。适当增大狭缝，增加入射光通量，也能提高灵敏度。

　　4.4 动态范围　　动态范围指光谱仪能测量到的最大与最小光能量的比值，比值越大性能越好。探测器的动态范围越大，所探测的光强度范围越大，光谱仪的信噪比与稳定性也就更好。　　增大动态范围的途径是降低探测器的暗电流和噪声，可采用制冷型CCD，或选择量子效率更高、像素更大的CCD器件。

　　4.5 信噪比　　信噪比指测得的信号能量水平与叠加在信号上的噪声水平的比值，信噪比越高，其测量值的偏差就越小。信噪比与光谱仪的探测器性能、电路噪声和光路杂散光相关。光谱仪的检测限也与信噪比直接相关，通常将测量的检测限定义为在信噪比为3时可成功测量到的信号水平。　　对于CCD光谱仪，灵敏度越高，检测到的噪声信号越高，信噪比也就越低。CCD探测器的噪声包括自身的随机噪声、因温度引起的热噪声、读数时产生的读出噪声等几种。其中读出噪声与读取的速度有关，它发生在每次电荷转移过程中，因此读取速度越快，读出噪声也越高。在一定范围内，可以通过对多次读数进行平均来提高信噪比。另外，在牺牲分辨率的前提下，通过像素打包(BINNING)技术，将CCD探测器的多个像素绑定后对积累的电荷求和，也可以提高读取速度及信噪比。

　　4.6 读出速度　　读出速度指在一定的入射光水平下，光谱仪输出谱图信号所需的时间，用来表征单位时间内数据处理速度的快慢。读出速度越快，单位时间内获得的信息越多，但同时读出噪声也越高。　　读出速度与光谱仪的灵敏度、光谱仪的数据处理系统及PC接口速度相关。数据处理系统的A/D转换器速率越高，光谱仪的读出速度越快。USB2.0接口的最快速度可达到100张谱图/s，而RS232接口的最快速度只能达到2张谱图/s。　　4.7 重复性　　重复性是指光谱仪对多次测量同一样品的一致性。在机械扫描式光谱仪中，由于步进电机带来的机械定位问题，重复定位到同一波长有可能会出现误差，重复性可以用来衡量光谱仪返回原波长的能力。在阵列式光谱仪中，因为没有运动部件，因此不存在波长定位问题，其测量重复性主要取决于探测器类型、暗电流噪声、测试电路的稳定性、系统的空间抗干扰能力等因素。　　4.8 杂散光　　在E+H光谱分析仪中，杂散光指被测波长之外，探测器接收到的其他无用波长信号。杂散光会导致一定的背景光谱，影响测量信号的单色性，造成系统信噪比降低，导致分光测量误差增大，严重降低测量结果的精确度。　　绝大多数光学参数都是通过对全谱段所测信号积分以后获得，尤其在测量窄波段LED的时候，测量结果很容易受到背景光(杂散光、探测器噪声等)的严重干扰，高精度光谱仪有较高的动态信号范围，能保证在全部光谱范围测量精度，而廉价光谱仪因为动态范围低而杂散光的水平高，在测量红光、蓝光尤其是白光LED的时候会产生很大的误差。　　4.9 CCD的暗电流　　CCD的暗电流指没有入射光时，像元内部因热激励载流子产生的电荷噪音。暗电流是CCD探测器固有的特性，它的存在限制了器件的灵敏度和动态范围。　　由于CCD各像元的缺陷不完全一致，像元之间的的暗电流也呈现非均匀性，导致CCD输出带有固定背景噪音。通过关闭入射光，有意延长曝光时间，在探测器表面没有受到光子撞击时读取输出，可以求得各像元的修正系数，以此补偿测量值。另外，将CCD器件置于恒定的低温环境中，噪声影响将大大降低。　　

5. 高精度CCD光谱仪

　　高精度CCD光谱仪具有更高的动态范围和信噪比，主要应用于需要高稳定性和高精度的科学研究领域，以下介绍几款在照明领域使用较多的光谱仪设备。

　　5.1. G&H OL770-LED高速光谱辐射度计　　美国Optronic Laboratory是由美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)的两位光度和辐射度领域的计量测试科学家于1970年创建，提供各种光谱辐射度测试仪器、标准灯及校正服务，是世界享有盛誉的光学计量测试仪器生产厂家，在2010年1月被英国Gooch & Housego公司收购。G&H成立于1948年，其声光器件和射频驱动、电光器件、光纤器件、光学抛光及镀膜、光谱仪、高光谱成像系统的开发和制造均处于世界领先地位。　　OL770-LED光谱仪是一套基于CCD的高速光谱辐射度计系统，并针对LED测试进行了优化，可以实现LED芯片、单管、模块、阵列等产品的所有光学参数的严格测试，完全兼容CIE 127文件的要求。L770-LED光谱仪能给LED的各种研发和生产提供科学级测量数据，是全球知名的高精度快速光谱测量仪。　　主要特点：　　基于热电制冷背照式CCD探测器，具有极低的杂散光和极高的精度，极低的光谱分辨率和出色的波长精度。　　采用独特设计的基于像差修正技术的凹面平场衍射光栅，高精度的光谱光学组件保证了较低的杂散光水平、高光谱分辨率和极佳的光谱波长精度。　　内部控制电路、光谱模块以及探测器完全集成在一个封闭、牢固的箱体中，并配置RS-232 和USB数据采集接口，可使用笔记本电脑进行控制和操作。　　内置有一个标准卤钨灯光源，当由于LED的2π测量时，可作为标准灯对进行设备校正，同时也可作为辅助灯用于自吸收校正，为LED测量带来便利和精度保证。　　光学狭缝安装在前部面板的入口处，可更换为其他宽度，便于改变光学带宽。

　　5.2. IS CAS140CT高动态范围快速光谱仪　　德国Instrument Systems公司创建于1986年，主要业务领域是汽车和航空工业，是国际光谱测量市场的领导者。 研制和生产各光谱仪、成像亮度计、色度计和偏光分析仪等光测量设备，同时在LED快速检测领域树立了标准。　　CAS140CT 是IS公司在全球销量极高的耐用型CCD阵列式光谱仪的第三代产品，它集测量的精准性、设计的耐用性和操作的便捷性为一身，广泛用于LCD显示屏、闪光灯、LED照明等产品的生产线或实验室测试。　　主要特点：　　光谱范围覆盖200 -2150 nm　　集成的暗电流快门　　毫秒时级的测量时间　　带制冷的高端背照式CCD探测器，使用交叉Czerny-Turner光路，能够高效抑制杂散光，使光谱仪无论在信号动态范围还是测量精准性上均有极明显改善，可获得最高的测量灵敏度和信号稳定性　　集成的轮式光学滤光片，根据光源强弱不同，自动调用合适的滤光片，使光谱仪的强度测量范围扩大了 4 个等级，使无论是弱光源还是强光源都可以全自动测量，带来极大的光谱强度测量范围　　可在 USB 和 PCI 接口之间选择　　配有用于实验室和生产应用的软件

　　5.3. Labsphere CDS2100 快速E+H光谱分析仪　　蓝菲光学(Labsphere)于1979年成立于美国，曾经是著名的颜色测量仪器商X-rite的子公司，目前是英国豪迈(Halma)集团旗下成员。Labsphere专精于光学检测、感应器校正、分光附属品、材料等领域，是全球照明测试和测量、探测器校准以及光学漫反射涂料领域内的领军企业。英国豪迈集团(HALMA p.l.c.)创立于1894年，是国际安全、健康及传感器技术方面的领军企业，伦敦证券交易所的上市公司，在全球拥有 3700 多名员工，36 家子公司。　　CDS 2100光谱仪是一款经过验证的交叉C-T结构光谱仪。该光谱仪内置的电制冷、薄型背照式CCD探测器可高效地抑制杂散光，具有极高的精度和稳定性，符合最新 CIE 测量标准并得到能源之星第三方实验室的广泛认可。