光谱仪、光谱辐射计和分光光度计：三者的区别和应用

那些从事光谱和光测量设备处理的人有时候会想要了解光谱仪、光谱辐射计、光谱仪和光度计之间的区别。要了解这些差异对于特定的应用非常重要，这样就不会浪费资金在不适用于完成工作的错误设备上。在这份技术说明中，我们将解释这些差异，并提供每个类别的实例。不过，首先应该提到任何名称中包含“光谱”的设备都会测量作为波长函数的参数。它可以提供每个波长上的光强度、反射率或吸收率等值，覆盖了一定范围。

以下是每个仪器的说明：

光谱仪

光谱仪用于测量光的相对强度，其中光的波长是作为函数来表示的。通常使用反射几何结构的衍射光栅将光分散到CCD相机上。每个像素将接收入射辐射的一小段波长范围。图1展示了几何结构的示意图。

图1：包含了衍射光栅和CCD相机的光谱仪

最近几年，随着数字光处理（DLP）技术的引入，出现了新型光谱仪。该光谱仪使用微镜组将光谱分成小部分，并反射到单晶探测器上。然后，被反射的光谱逐段构建成完整的光谱。图2展示了这种安排方式。

图2：光谱仪采用DLP技术。

与使用阵列检测器相比，使用DLP技术具有显著优势。特别是在近红外区域，单晶检测器的成本远低于InGaAs检测器阵列，并且InGaAs检测器阵列很可能非常昂贵。采用DLP反射镜不会大幅增加仪器价格。除了成本优势外，DLP的检测器区域可大幅增加（几毫米而不是几十微米），这有助于提高信噪比（SNR）并减少由于缺陷像素和像素间不均匀性引起的扫描错误，这一点仅有单晶检测器才能实现。

分光辐射计

光谱辐射计是一种带有光强校准功能的光谱仪器。因此，对于每个波长的测量光线，都有一个相应的单位。这个单位可以是辐射单位，例如瓦特/平方米，也可以是光度单位，例如勒克斯，具体取决于应用领域或量子单位，例如μmol/m^2/sec（用于测量光合通量密度）。

在第三张图中，展示了照明护照测量的两个结果。左边的图显示了相对强度，右边的图表显示了以勒克斯或英尺烛光为单位的总照度。

校准光谱辐射计测量强度的单位为Lux，如图3所示。

图4：PPFD测量图。滑块正在测量蓝光峰值的PPFD，单位为μmol/m2/sec。

需要注意的是，在整个电磁频谱中，辐射的辐射度单位是有效的，而光度单位只在380-780nm的范围内有效。因此，谈论250nm波长的照度和勒克斯并不具有意义。

分光光度计

分光辐射计是用来测量表面反射率的仪器，借此来计算材料在一定波长范围内的吸光度。因此，分光光度计内置一个光源，照射在物体上进行反射率的测量。通常，参考光束R0是通过从99%漫反射光谱表面进行测量，并记录在仪器中。通过测量反射强度来计算反射率，反射率由r=R/R0的比率来测量。吸光度的计算方式为log(1/r)，其中r并非以百分比形式呈现。图6展示了一款900-1700nm波长范围内的分光光度计，它属于NIR范围，并且还采用了DLP技术。

图片5：分光光度计内置光源，可用于测量反射率和吸光度。

使用线性阵列也可以用于分光光度计，然而DLP技术更经济实惠，并且其单元件检测器的尺寸可能会比用于提高信噪比的阵列元件大得多。

光度计和辐射计是测量光的强度和辐射的仪器。

光度计和辐射计可以检测总光照度，单位可以为Lux或者Watts/m^2。但是它们并不能测量光谱信息。

总结：

光谱仪、光谱辐射计和分光光度计与简单的辐射计和光度计不同之处在于它们采用了一个衍射光栅，可以将信号分解为不同的波长。通过DLP技术，可以在不需要InGaAs阵列探测器的情况下，降低近红外区域光谱仪的成本。