先说光栅光谱仪（Grating Spectrometer），其基础原理如下图所示。

  简单而言，就是色散元件能够把复色光分散到多宽的范围上，光被分散地越宽，光谱仪的分辨率自然越好。从上式中能够正常的看到，焦平面越远（即f越大），刻线越密（即d越小），色散能力越强，后者受到光栅制作流程与工艺限制，传统的光谱仪往往在f上下功夫，这也是光谱仪做的比较大的原因。

  然而，有必要注意一下的是，你把光谱仪的分辨能力提得越高，虽然波长相近的光能够被区分地更好，但其代价就是一定长度的detector上所能展现的光谱范围变小了，所以，当光栅光谱仪发展到一定阶段后，人们发现重要的问题又出现在了检测器（detector）这一侧。

  所以，针对这样的一个问题，我们再介绍一种光谱仪，即中阶梯光谱仪（Echelle Spectrometer），其实从原理上来说，它也属于光栅光谱仪啦，只不过它所用的光栅与传统的光栅光谱仪不大一样，如下图所示：

  可见，这种光谱仪它的刻线密度要比传统的光栅光谱仪的刻线密度要低，但是它的光谱级次m要比传统光栅光谱仪高得多，衍射角\beta也要小很多，因而能获取较高的分辨率。但是使用高级次光谱的问题就在于不同波长的色散光谱之间会发生重叠，因而需要用色散元件和面阵的detector来处理这一问题，后者相较于传统线阵detector而言，也更加有助于展示更宽的光谱范围的内容，中阶梯光谱仪的示意图如下图所示：

  之前介绍的都是光栅光谱仪，下面介绍一下干涉光谱仪，其基础原理逊干涉仪（Michelson interferometer），也叫做傅里叶光谱仪（Fourier transform spectrometer），如下图所示：

  其原理是利用傅里叶变换分解干涉仪得到的干涉图样，得到波长范围分布的光谱，其优点是分辨率无限（相对于传统光谱仪要受到刻线能力的影响而言），缺点是包含移动元件，同时想要得到更高的分辨率，移动的距离就要越远，即在尺寸上有所牺牲，这种光谱仪我没用过，就不多说了。

  从原理上来说，我知道的就这三种，也是光谱分析中很常用的。但涉及到具体应用，仅仅从原理出发是不够的，要考虑的因素还有很多。比如所关心的光谱范围是多少？分辨力和谱仪尺寸之间的权衡取舍？检测系统是PMT还是CCD还是ICCD？对光谱仪的动态响应能力的要求？对光谱仪引入的信号噪声的要求？具体方面，题主能联系光谱仪厂商详询。

  主要利用了光栅能够将多色光在空间上色散成不同的单色光。紫外可见光能量一般对应着物质中电子的激发态。通过研究这个波段的吸收，散射，发射光谱，能够研究物质的电子能态。

  紫外-可见分光光度法原理和技术介绍可戳如下英国皇家化学学会在油管上的视频。

  红外光谱波段能量主要对应电子的振动和转动能级。而采用的光谱仪技术是傅里叶转换红外光谱。通过迈克尔逊干涉仪让两束宽频光在不同的光程之下进行干涉，然后通过傅里叶变换得到红外波段的宽频响应。通过研究红外波段的反射，吸收谱能很好判断物质中的各种振动，转动模式，或者固体物理中的声子模式。

  物质除了同我们熟知紫外，可见，红外波段的光进行相互作用，同时同微波也能进行作用。这涉及到核的自旋态在强磁场下的Zeeman 效应。最常用的是质子proton^{1}H有两个自旋态，自旋向上和向下。当加入强磁场B时，两个本来简并的自旋能级有劈裂。自旋方向和磁场方向相同的自旋态能量更低。劈裂的能量在300MHz附近，因而强磁场下物质中的带有自旋的原子核可以同这个微波波段的光发生相互作用。通过不同波长的微波在强磁场下与物质的相互作用，能获得物质中化学官能团的数目和种类。

  核磁共振波谱法的技术实现同可见光和红外大相径庭。核磁共振波谱法原理和技术介绍可戳如下英国皇家化学学会在油管上的视频。

  我刚刚趁得闲学习了一个。总共耗时约10小时左右。但觉内容深入浅出，层次分明，案例得当，获益匪浅，适合具有各种基础的人入门学习。

  光谱仪是将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。

  不过我觉得这些说法没多少卵用。前一阵子看到有一种通过不同吸收光谱的滤光原件（比如量子点）阵列组成的光谱仪觉得挺有意思，是通过解线性方程组来待定各个波长的强度得到光谱，是一种比较新颖的思路。

  本文最大的目的是给大佬们在选购光纤光谱仪时，做一些参考。光谱仪的基础原理，网上有很多。在此就不赘述。

  不同的应用领域对光谱仪工作波长范围、波长分辨率、光谱检测灵敏度等有不一样的要求。从光谱仪工作环境上来说，可以在工厂，实验室，室外等，不同工作环境温湿度、清洁度差异较大。

  So，当您作为用户想要采购光谱仪产品时，您需要确定您光谱仪的测试内容，还需要仔细考虑应用场景，这样工程师才能从性能指标上为您评估合适的光谱产品。

  其次，还需要做成本上的考虑~更高的配置、更高的性能，意味着成本的提升。在实验室使用和产线上使用，是两套完全不一样的成本计算体系。

  【1】选购时，第一步是要确定测试的具体波段范围。波段范围分为紫外、可见、近红外、中红外、远红外，应该要依据你所需要的的波段范围进行光谱仪的选型。

  在此着重介绍一下微型光谱仪，微型光谱仪有色散型、窄带滤波型、傅里叶变换型等等。我们常说的光纤光谱仪是一种色散型光谱仪，他依靠色散元件一个或多个衍射光栅、一段光程以及一个探测阵列组成。光通过入射狭缝的位置，经过准直照射在衍射光栅上，衍射光栅将光谱成分分散到不同的方向，而后凹面镜将分散的光聚焦到探测器阵列上得到光谱分布。

  这种光谱仪拥有超高分辨率、宽光谱范围和成熟的技术路线，被普遍的使用在所有的领域，但其依赖于笨重的色散元件、长光程等，难以实现尺寸的压缩。不过随技术的发展，微型光谱仪的体积越来越小，芯片化使用或指日可待。

  测试速度和精度要求，选择正真适合的探测器。目前市场上光纤光谱仪探测器种类可以为CCD探测器、CMOS探测器和InGaAs探测器。探测器：线阵or面阵探测器、前照式or背照式探测器、硅基or InGaAs探测器探测器是选择正真适合测量光谱系统的关键。

  CCD探测器分为背照式和前照式；对于在紫外区（200-350 nm）和近红外区（900-1160 nm）既需要高量子效率又需要高信噪比和较大动态范围的应用，背照式CCD探测器是不错的选择，但是价格相对前照式较高。

  CMOS探测器测试速度快，可以在更短时间内获取光谱，触发延迟性能好并且在紫外波段灵敏度较高，如果关注这些要点推荐选择CMOS探测器的光谱仪。

  InGaAs探测器在近红外区域有着极高的灵敏度。InGaAs探测器的动态范围受暗噪声限制。对于1750 nm以下的测量，探测器无需制冷；对需要扩展至2000-2500 nm波长范围的应用，需要采用二级制冷的探测器来降低暗噪声。

  光谱测量可大范围的应用于许多不同的领域，如颜色测量、半导体领域里的测量、化学成分的浓度测量等。光谱测量的核心是物质辐射或散射、透射或反射的光携带了该物质的属性和条件的信息，如化学和物理成份等参数。通用的光谱检测，包括原始光谱、透反射、吸收、辐射、拉曼、荧光等等。

  我们正在通过「上海微纳制程智能检测工程技术研究中心」接受客户的部分样品测试和产品体验，如果您有类似需求可直接联系我。（微信同号，复享光学-李玲）

  本设计方案可拿来确定光谱仪设计之初的初始参数，属于物理参数论证范畴，后续更为详细的硬件设计部分，还需要结合光线追迹的软件来完成最终的设计。如借助zemax、lighttools等光学仿真软件完成最终的实际设计。

  光谱仪是由两个透镜/反射镜组成的光学系统，在探测器上产生入射狭缝的像，在两透镜之间有一块衍射光栅，以不同的角度分散不同波长的光，这导致进入入射狭缝的不同波长的混合光被成像到探测器阵列的不同位置。

  下面介绍两种常见的光谱仪几何光路图，一种是透射光栅光谱仪，另外一种是C-T结构的光栅光谱仪。同时，下面的内容也定义了光谱仪关键的设计参数。

  C-T结构与透射结构的不同点在于采用了反射镜组替代了透射镜组，由于是反射镜组，

  对于复合光，透射镜组由于光学玻璃材质本身存在折射率与波长相关性，因此透射镜组需要矫正色差。>

  C-T或者LGL类型结构中选择一种，对于C-T结构来说，一个典型的值是大约30度，而传输光栅通常用于罗伯特结构和-1阶及。

  选择衍射光栅，大多数供应商有一个在线目录，可以在那里选择到一个合适的光栅，选择光栅的时候需要仔细考虑的重要参数是在设计波长范围内的衍射效率要尽可能的大，其次是根据光谱仪的分辨率的需求选择正真适合的光栅刻线数G，理论上，

  在光谱仪设计中入射角度和衍射角度是相对于中心波长而言的，一旦光栅刻线数G和总的反射角度被确定，那么这些角度就可以被计算出来。

  光谱仪设计的目的是将设计的波长最大宽度的分布在探测器上面，探测器的选型也是根据波长色散的宽度来选择，像素的多少决定了光谱仪成像的精细度怎么样，像素越多，细节越多。

  光谱仪的放大率这里建议选择1：1 的放大倍率，因为这样设计的光谱仪为对称结构在矫正像差上面比较好处理。

  在任何的成像系统中，放大率是由两个系统的焦距比来确定的，因为光线经过光栅的时候，沿着光束路径有个轻微的偏转，所以M最后需要轻微的调整，总而言之：放大率M被选择后，准直镜头的焦距就可以很容易计算。

  评估的事情包括：狭缝宽度，光学衍射极限，衍射光栅，狭缝的宽度是否合适，如果设计的光谱仪狭缝的宽度是5um-10um，那么应考虑下面的事：

  光栅本身也有衍射限制光斑的大小，下面的公式给出了波长的半宽，光栅能产生的最小点为：