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革新常规光谱仪具有现实的技术和经济价值, 是推动光谱仪器不断发展的重要途径。鉴于分光系统决定着常规光谱仪的基本性能, 是革新常规光谱仪的关键, 文章对常规光谱仪的分光系统进行了比较, 以揭示各典型分光系统的特色和内在衍化动力。文章从决定要素及公式、典型数据三方面对各典型分光系统的基本特性指标:(光谱范围、分辨率、色散率和光通量)进行了逐一和综合的横向比较, 不但揭示出各分光系统的特色和互补性, 还表明分辨率与光通量的矛盾普遍存在于常规光谱仪中。以此为主线纵观常规光谱仪的衍化历史, 进一步揭示出分辨率与光通量的矛盾运动贯穿始终, 是推动其发展的重要动力。这为理解常规光谱仪的发展提供了新的视角, 正确的认识和把握分辨率与光通量的矛盾将有利于分析和解决光谱仪器面临的核心问题, 加速新型光谱仪器的研制。
光谱仪器历经百年发展, 已是一个庞大的家族。现有的光谱仪器中, 相当一部分从研究对象和仪器本身的设计制造原理上来讲都已成熟, 被称为常规光谱仪器, 如常用的各种色散光谱仪和傅里叶变换光谱仪;还有一部分正在发展的光谱学研究和光谱技术研究的装置, 以及特殊应用的光谱仪则称为非常规的光谱仪器, 如一些激光光谱仪和调制光谱仪。光谱仪器的发展得益于常规光谱仪器和非常规光谱仪器发展两个相辅相承的方面。一方面随光谱学和光谱技术以及其他利用光谱学和光谱技术作为研究手段的科学技术领域的发展, 出现崭新的非常规的光谱仪器, 并在逐步成熟和普及后成为常规光谱仪器;另一方面常规的光谱仪器也随相关技术进步不断升级换代, 面貌焕然一新, 并常常脱胎换骨, 催生出非常规的光谱仪器。可见, 研制非常规光谱仪器与革新常规光谱仪器二者同等重要, 不可偏废。此外, 与非常规光谱仪器某些性能卓越, 但不成熟, 与处于科学研究状态相比,常规光谱仪器如光栅光谱仪、傅里叶变换光谱仪等则应用广泛, 在光谱仪器中处主导地位, 几乎占据着市场的全部份额。因此, 革新常规光谱仪还具有现实的技术和经济价值。鉴于上述分析, 有必要对常规光谱仪器进行对比研究, 以提供改进依据。常规光谱仪器类型很多, 但它们的核心部分是分光系统, 光谱仪器的基本特性中测量光谱范围、色散率、分辨率和集光本领就直接取决于分光系统, 其余特性也与分光系统密切相关。分光系统根据分光原理可划分为色散式和调制式两大类, 色散式的又可根据具体色散原理不同划分为物质色散、衍射色散、干涉色散三种, 调制式的目前仅有傅里叶变换光谱仪一种较为成熟。显然, 根据分光系统进行比较研究, 易于从宏观上把握不同类别光谱仪器的特点。本文将简述典型常规光谱仪分光系统的原理, 从光谱测量范围、色散率、分辨率和光通量等方面对其进行横向比较, 进而从克服分辨率与光通量矛盾的视角纵观常规光谱仪衍化历程, 阐述光谱仪发展的重要驱动力——— 分辨率与光通量的矛盾运动。
这样,光通量与分辨率的矛盾又以信噪比和象素尺寸的形式展开了。可见, 分辨率与光通量的矛盾运动还主导了光谱仪的微小型化进程。综上所述, 分辨率和光通量的矛盾运动为理解光谱仪器的发展提供了新的视角, 正确的认识和把握这对矛盾有利于分析和解决光谱仪器面临的核心问题, 从而加速新型光谱仪器的研制。
