SPEC-CDS350W是譜研互聯針對水質檢測領域開發的一款高信噪比光纖光譜儀，采用先進的模擬電路濾波技術，整體信噪比得到進一步提升。對于日本濱松的2048像素CMOS探測器做了紫外增強鍍膜，同時在光學鏡片組上普遍采用了紫外增強和均衡鍍膜工藝，并選用了進口的高品質UV光柵，明顯提升了紫外波段的響應靈敏度，同時做了消二級衍射處理，對于氣體、水質、液相等對紫外敏感的應用領域極為實用。
本產品默認配置為190-840nm，25μm狹縫，600lines/mm光柵，閃耀波長為300nm，光學分辨率約為0.8nm。最短積分時間為60us，可配合氙燈做超快頻觸發。其他波段可按需定制。
一、產品特點
- 紫外增強，高靈敏度。從探測器到主要鏡片組，均做了紫外增強鍍膜，明顯提升了紫外響應靈敏度。
- 模擬濾波，噪聲更小。對電路噪聲做了精細反饋和濾波控制處理，電路板自帶噪聲幾乎為零。
- 高速電路，高頻觸發。最短積分時間為60us，可配合氙燈做超快頻觸發。
- 免費軟件，反饋升級。傾聽用戶反饋，持續升級軟件，免費開放給客戶使用。
- 二次開發，全面適配。支持Windows（C++、C#、Labview、Matlab、Qt）、Linux、Keil單片機等各種開發平臺和語言。
二、應用場景
光纖型近紅外光譜模塊或光譜儀，主要結合光纖搭建透射或反射光路，用于接收獲取近紅外光譜。該型號無內置光源，需要外接光源，可根據實際應用場景需求，搭建各類光路。
- 比色皿支架光路。測量比色皿溶液的透射率或吸光度，對應于國標中的分光光度法。
- 浸入式探頭光路。把探頭投擲到溶液中，讓溶液充滿測量口，測量透射率或吸光度。
- 固體透射光路。測量表面平整的鏡片鍍膜、塑料、油墨孔等光譜透過率分布。
- 反射探頭或反射積分球光路。測量物體表面光譜反射率分布，如膜厚、顏色、成分等檢測。
- 積分球光路。測量光源波長分布、半高寬、顏色坐標、光功率等。
三、技術參數
| 項目 | 參數 | 描述 |
|---|---|---|
| 產品型號 | SPEC-CDS350W | 水質高性能光纖光譜儀 |
| 波長范圍 | 190-840nm | 現貨默認波長范圍，其他范圍需定制 |
| 光學分辨率 | Typ. 0.8nm | 常用峰值波長半高寬表示 |
| 波長精度 | Typ.±0.1 nm | 測量峰值與校準樣品峰值的波長偏差 |
| 信噪比 | 500:1 | 滿量程相對強度值與系統電子噪聲波動值的比值 |
| 狹縫尺寸 | 25μm | 光譜儀入光口狹縫，影響靈敏度和分辨率 |
| 探測器 | 日本濱松S11639-2048 | 高靈敏度2048像素探測器 |
| 模數轉換 | 16位ADC | 數值范圍0-65535 |
| 光學接口 | SMA905 | 光纖光譜儀行業通用接口 |
| 通訊接口 | TypeC、RS232 | 支持TypeC型USB通信，接口更穩固 |
| 工作功率 | 1.5W | 5V，Max500mA |
| 工作溫度 | -20~60℃ | 高低溫箱非極限測試 |
| 尺寸 | 100*65*33mm | 有方便固定的螺絲孔位 |
| 重量 | 305g | 凈重 |
四、原理介紹
4.1 光纖光譜儀組成原理
光纖光譜儀常用Czerny-Turner結構，入射光經狹縫后，經過鏡片組后照射到光柵，光柵分光后，不同波長打在線陣探測器的不同像素上，再進行ADC轉換解析成光譜曲線。內部工作原理圖如下：
1. 入射光接口。將光纖連接到光譜儀，與入口狹縫精確對準。 具有良好的位置重復性和機械強度，作為通用光學連接器，它支持8μm至2000μm的光纖直徑。
2. 狹縫。主要作用是限制進入光譜儀的光的量。光譜儀廠家一般提供多種狹縫可選，常用寬度從10μm-200μm不等。狹縫寬度在確定光譜儀分辨率和靈敏度方面至關重要，通常是狹縫越寬靈敏度越高，但光學分辨率就越小。
3. 長通濾光片。入射口濾光一般用于過濾短波波段，當光譜儀未加消階衍射濾光片時，可起到消階作用。對于特定應用場景，有時為了均勻光譜曲線，也會換成特定分布的濾光片。
4. 凹面反射鏡。約束發散光，增加光程。
5. 光柵。光譜儀最核心部件之一，用于把入射的復合光分成不同波長并反射。常用光柵有平面、凹面和全息光柵。光柵的線數越多，即單位面積刻線越密，光學分辨率就越高，但覆蓋的波長范圍就越窄。
6. 凹面反射鏡。約束發散光，增加光程。
7. 消階衍射濾光片。光柵分光后，會產生多階光譜帶，光譜儀使用一階光譜帶，但二階或以上的高階光譜帶常會與一階光譜帶有重疊區域，如一個需要測200-800nm透射率的場景，光源發出的200-400nm的光，對應的二階衍射光會落在400-800nm，與光源原本400-800nm的一階光有重疊，此時必須把二階以上的光譜帶消除，才能得到正確的光譜，因此當一個光譜儀需要使用寬光譜時，就需要在探測器前加消階衍射濾光片。
8. 柱面鏡。用于把光聚焦到探測器上，增強靈敏度。
9. 線陣或面陣CCD探測器。光譜儀最核心部件之一，各像素一次接收不同波長的光，通過ADC轉為數字量，再由軟件構建成完整的光譜曲線。光譜儀的級別和價格大多是以探測器為依據。探測器最常用的是日本濱松的系列型號，也有少部分用日本索尼和日本東芝的某型號。
綜上可知，光纖光譜儀的設計目的，就是把原本入射的復合光，分成不同波長的光，用探測器讀出并顯示成按波長分布的曲線，因此可以通過光纖光譜儀來對入射光的成分分布做分析。
五、光纖光譜儀選型
5.1 光纖光譜儀選型依據
在光譜儀選型時，首先需要考慮的是波長范圍，但并非波長范圍越寬越好，還需要考慮分辨率和靈敏度。光柵和狹縫尺寸對分辨率和靈敏度有顯著影響，其基本規律可以做如下總結：
1. 光柵線數越高，光學分辨率則越高，但可覆蓋的波長跨度就越短。
2. 狹縫尺寸越大，靈敏度就越高，但光學分辨率就越低。
3. 波長范圍越寬，相對光學分辨率就越低。
然而，分辨率和覆蓋范圍是此消彼長的關系，不能想著200-1100nm范圍，還想有0.5nm的分辨率，同時還想要50μm狹縫的靈敏度。比如同為50μm狹縫的條件下，1200線光柵，光學分辨率約0.5nm，但覆蓋跨度為320nm，對于300-600nm可用，但對于300-800nm就不夠了。而600線光柵，光學分辨率約1.2nm，覆蓋跨度為520nm，對于300-800nm就夠用了。
那么怎么知道什么場景選擇什么樣的配置呢？回答這個問題，一般從分辨率和靈敏度兩個來評估，進而可得出配置怎樣的光柵和狹縫。
對于分辨率，有個簡單的衡量指標，即應用場景測得的光譜圖是否有明顯很細的線狀尖峰。如果有線狀尖峰，就需要高分辨率；如果是平滑的峰，就不需要高分辨率。比如測的是LED燈，或者是有機物的透射率或反射率，這類基本都是平滑的峰，對分辨率要求不高，5-20nm的分辨率一般就可以滿足需求。但如果測的是原子譜，比如汞原子、金屬原子、等離子體等場景，就需要高分辨率。如果需要測激光器的半高寬，也需要高分辨率。
對于靈敏度，需要考慮能進入光譜儀入射口的光的強弱。光譜儀的響應一般是μw級別，屬于很高靈敏度的設備。但有些場景，如需要搭配積分球測透射率或反射率，或需要用積分球接收的光源，如光致發光的量子產率，因為積分球的衰減倍率非常高，導致對光譜儀的靈敏度要求也更高。
5.2 光學分辨率選型
如6.1所述，對于同一光路和探測器的光譜儀，決定光學分辨率的參數是光柵線數和狹縫尺寸，下面給出常用配置的分辨率選型表。
光纖光譜儀分辨率常用配置選型表
| 波長范圍(nm) | 光柵線數(lines/mm) | 狹縫尺寸(μm) | 光學分辨率(nm) | 應用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 190-380 | 1200 | 50 | 0.5 | 煙氣、離子、蛋白定量分析 |
| 190-800 | 600 | 50 | 0.8 | 水質分析 |
| 350-800 | 600 | 50 | 0.8 | LED亮度、面板、顏色測量、液體顏色 |
| 780-1100 | 1200 | 50 | 0.5 | 拉曼、光傳感 |
| 200-1100nm | 300 | 50 | 2.2 | 常規反射透射測量 |