阵列式光谱仪降噪方法有哪些(阵列式光谱仪降噪方法)
导语：阵列式光谱仪降噪方法
Norris发明近红外技术时代的仪器主流是光栅式扫描，而现在特别是在生产现场应用的以阵列式为主。本文主要介绍大仓力先生有关阵列式光谱仪的降噪方法。
线性阵列光谱仪的降噪对策通过在光栅光谱仪出射狭缝位置配置线性阵列检测器，能够高速测量光谱(图1)。近年来由于线性阵列检测器的进步，这种类型的分光装置作为近红外分光计被广泛使用。线性阵列光谱仪的降噪方法尚未有报道，只凭经验实施。以下展示线性阵列光谱仪及其降噪对策。
图1 阵列式光谱仪原理示意图
线性阵列检测器的受光部由入射光产生光电子，在被称为像素的一个受光元件内部积蓄成为信号。一个像素所能累积的光电子数由每个线性阵列的产品规格决定，称为饱和曝光量，以电子数()为单位表示。当累积的光电子的数量超过饱和曝光量时，测量信号饱和而无法测量。
由于电子数量是可以用1个2个来计数的离散量，因此接下来产生的电信号也是离散值，这就是噪声(图2)。
图2 阵列检测器的饱和曝光量
如果光电子的数量平均为1秒钟10个，那么电子的数量有可能是9个，也有可能是11个，因此测定值会有±10%的误差。假设每秒入射光电子的数目为Nsec-1，则其偏差为泊松分布，即，这被称为射频噪声。是线性阵列近红外光谱中噪声的主要成分。信噪比(SNR)(信号量(N)与噪声()的比值)如公式1所示。
由上式可知，为了使信噪比具有大值，需要大的值N，即，光量大。为了增大想要的光量，必须选择具有较大饱和曝光量的线性阵列。市场上销售的线性阵列的饱和曝光量在0.03~900×的范围内。饱和曝光量大的称为Deep Well型。在硅线性阵列中，NMOS型中大饱和曝光量的较多，背面照射型CCD的饱和曝光量小。
表1线性阵列光检测器的饱和曝光量
线性阵列
饱和曝光量
硅线性阵列
CCD
0.03 ~ 0.6
CMOS
0.08 ~ 900
NMOS
31-312
InGaAs
30
当选择具有较大饱和曝光量的线性阵列时，必须增大入射到线性阵列的光量，才能获得足够大的信号。在线性阵列光谱仪中，入射到检测器的光量可由公式2计算。
B：光源辉度，Ω：光谱仪立体角，d：线性阵列元件高度，△λi：入射狭缝波长分辨率，Y：线性阵列检测器宽度，W：测量波长振幅。
为了增加线性阵列光谱仪的光量，可根据公式2设计如下4个光学系统。
①选择线性阵列检测器像素高度高的；
②在所需波长分辨率范围内，尽可能加宽入射狭缝；
③设计尽可能窄的测量波长范围；
④线性阵列检测器受光部分的宽度尽可能长。
如果按照这个方针设计光谱仪光学系统，就能获得很大的光量。需要注意的是，对于②，太宽的狭缝宽度，将会产生台间差。
参考资料
大仓力：光栅光谱仪的光谱测量，日本信州大学审查博士学位论文，平成27年3月
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