光谱仪获取光并按波长将其分离，以创建显示每种光的相对强度的光谱。这一基本原理具有广泛的应用和用途；光学光谱仪是最常见的光谱仪类型。
从广义上讲，所有光谱仪都由入口狭缝、衍射光栅或棱镜、检测器和路由光学器件组成。入口狭缝允许光进入光谱仪，其中一个镜子或透镜系统首先将其引导到衍射光栅或棱镜上，然后到达检测器。光栅或棱镜将光分成其组成的波长分量，检测器将光强度记录为波长的函数。如果光谱仪的光谱范围很大，它还可能有过滤器来阻止高阶光到达传感器。大多数光谱仪在电磁光谱的紫外、可见和红外（或近红外）区域运行。
可以使用多种不同的光学配置来设计和制造光谱仪。其中包括Littrow 配置、Ebert-Fastie 配置、Czerny-Turner 配置和凹面像差校正全息光栅配置。仔细选择组件和配置可以避免像差，这会导致光谱失真或模糊。
什么是光谱仪？类型和用途
光谱仪组件
光谱仪组件：入口狭缝 (1)、衍射光栅或棱镜 (2)、检测器 (3)、路由光学器件 (4)、高阶滤光片 (5)
入口狭缝
光通过入口狭缝进入光谱仪。与相机的光圈大小如何影响所拍摄照片的亮度和分辨率类似，光谱仪入口狭缝的宽度决定了它在弱光条件下的测量能力以及可以实现的最大光谱分辨率。这两个特征必须相互平衡，因为一个总是以另一个为代价。
宽入口狭缝允许大量光进入光谱仪，从而可以测量较暗的光源，但会降低系统的光谱分辨率。相反，窄入口狭缝可以提高光谱分辨率，但会以信号强度为代价。
较大的光谱仪可能具有可控的狭缝宽度，而更紧凑的设备，如Ossila 光谱仪（其入口狭缝宽度为 25 μm）通常具有固定宽度。
衍射光栅或棱镜
光学衍射光栅是将光分成其组成波长分量的组件。有许多不同类型的光栅，包括透射式、反射式、直纹式和全息式。各有各的优缺点，没有哪一种设计更胜一筹。
光栅的设计决定了光线散布到何种程度。与狭缝非常相似，分辨率、范围和信号强度之间存在折衷。
衍射光栅可以用下式描述：
其中d是光栅间距，θm是第m衍射级的衍射角，θi是入射角，λ是光的波长。由此可见，减小光栅间距会增大衍射的角范围。因此，到达检测器的波长范围更小，信号强度降低，但分辨率更高。相反，增加光栅间距会提供更大的波长范围，但分辨率会降低。
光栅间距通常以凹槽密度表示，它等于1/d，并以凹槽 mm -1为单位。
在某些光谱仪中，衍射光栅可以旋转以允许不同的波长照射检测器，并根据需要选择采集窗口。类似地，有些光谱仪具有多个不同凹槽密度的光栅，可以在这些光栅之间进行选择。
一些光谱仪的设计使用棱镜作为色散元件来代替衍射光栅，但由于棱镜成本较高且它们给出的图像分辨率较低，这并不常见。
探测器
光学检测器记录到达它的光强度作为其波长的函数。光谱仪探测器由一排光敏像素组成，每个像素对应一个特定的波长。每个像素都会产生一个强度与落在其上的光量成正比的电信号。
电荷耦合器件 (CCD) 是光谱仪的首选检测器，因为它们具有高动态范围和均匀的像素响应。为了减少光谱中不需要的噪声，CCD 通常被冷却以对抗暗电流信号。
路由光学
内部路由光学系统将来自入口狭缝的光引导到衍射光栅或棱镜上，然后到达探测器。
曲面镜通常比透镜更受欢迎，因为它们引入的图像像差较少。光学器件有许多可能的配置（例如，Fastie-Ebert、Czerny-Turner），每种配置在光学像差、杂散光和尺寸方面都有相对的优势和劣势。
高阶滤波器
如果光谱仪的波长检测范围跨越多个衍射级，则可能需要使用滤光片来部分覆盖检测器并阻止更高阶的光到达传感器。
利特罗配置
Littrow 配置是使用平面反射光栅的最简单设计。虽然它在今天的光谱仪中并不常见，但仍用于表征衍射光栅（参见“光栅闪耀波长”）。
这种配置简单地由一个球面镜和一个平面光栅组成。光通过入口狭缝进入光谱仪，并由镜子准直。然后反射光入射到衍射光栅上，如下所示。感兴趣的衍射级被引导回镜子，在那里它被反射到出口狭缝，出口狭缝在空间上非常靠近入口狭缝。
Littrow 配置示意图
尽管这种配置具有非常高的波长分辨率，但杂散光、内部反射和多重色散的风险很大。
Ebert-Fastie 配置
Ebert 光谱仪由 Hermann Ebert 于 1889 年首次描述。经过几十年的相对默默无闻后，该设计于 1952 年由 William G. Fastie 复活，其中包括用于消除散光（参见“光谱仪中存在的像差”）并减少波长的弯曲狭缝出口狭缝处的误差 [1]。
Ebert-Fastie（有时称为 Fastie-Ebert）配置由一个大球面镜和一个单平面衍射光栅组成。光通过圆形弯曲的入口狭缝进入光谱仪，并入射到镜子的一部分，如下图所示。镜子将现在准直的光引导到平面光栅上，然后衍射光从镜子的第二个独立部分反射。然后从镜子反射的光通过圆形弯曲的出口狭缝聚焦，然后被探测器收集。在这里，入射光线和反射光线之间的角度 a，对于来自镜子的两种反射 [2] 是相同的。
Ebert-Fastie 配置的局限性包括光从镜子直接反射到出口狭缝而没有被衍射的风险和多重衍射的风险。
Ebert-Fastie 配置示意图
车尔尼-特纳配置
在设计上与 Ebert-Fastie 配置非常相似，当今光谱仪中最常用的设计是 Czerny-Turner 配置。M. Czerny 和 AF Turner 于 1930 年首次描述了该设计，此后该设计经过修改以消除和减少某些像差，并且与 Ebert-Fastie 配置相比具有多个优势 [2]。
Czerny-Turner 配置不是使用单个大球面镜，而是使用两个较小的球面镜，如下图所示。在这里，光通过入口狭缝进入光谱仪，并从第一球面镜反射到平面衍射光栅上。然后分散的光被第二个镜子反射，并被出口狭缝另一侧的检测器收集。
在 Czerny-Turner 配置中，镜子不必具有相同的尺寸，或者与狭缝或衍射光栅的距离相同。它们甚至可以具有不同的曲率半径。此外，两个反射镜 a 和 b 的反射角不必相等，光栅甚至可以“离轴”，即距离 xa 和 xb 可以不同 [3]。
Czerny-Turner 配置示意图
这种配置不允许光从入口直接反射到出口狭缝，与 Ebert-Fastie 配置相比，这减少了不需要的反射和多重色散。与对称版本相比，非对称设计允许更好的彗差校正和平坦的光谱场（参见像差）。
可以制造全息光栅以包括物理像差，以抵消特定波长的所有光学像差，并在大范围波长内大幅减少它们 [4]。
凹面像差校正全息光栅配置
除了平面光栅，还可以制造校正光学像差的凹面全息光栅。在这种情况下，衍射光栅是唯一需要的光学器件：光通过入口狭缝进入光谱仪并被光栅衍射，光栅将光聚焦到出口狭缝上。
凹面像差校正全息光栅配置示意图
由于这种配置只需要一个光栅，因此减少了由于多次反射、不完美的镜子和热效应引起的误差。由于反射损失的减少，更高的信噪比也是可能的。这种设计易于对齐、便宜且紧凑。
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光谱仪像差
光谱仪中存在几种不同类型的像差，可能导致图像和光谱失真或模糊。使用特定组件和配置可以显着降低这些像差的影响。通常，镜子（和光栅）用于准直而不是透镜，因为它们导致的像差程度要低得多。但是，仍然会出现某些偏差。
球面像差
当光线从球面反射时会产生球面像差；例如，球面镜。当准直光线远离反射镜的光轴（中心）入射时，反射光线比入射在光轴上或附近的反射光线更靠近镜面聚焦。这在下图中进行了说明（应该注意，不同的颜色只是为了便于查看，并不对应于不同的波长/颜色的光）。
使用抛物面镜可以避免球面像差；然而，这些更难制造，因此更昂贵。
受球面像差影响的平行光线图解
昏迷
通过彗形像差的望远镜观察到的点源（例如恒星）似乎具有彗星状的尾巴；因此，术语“昏迷”。这是因为当平行光线与球面镜的光轴成一定角度入射时，反射光线没有共同的焦点。这在下面的左图中进行了说明（应该注意，不同的颜色是为了便于查看，并不对应于光线的不同波长/颜色）并导致图像模糊。在光谱中，彗差表现为光谱特征一侧的增强信号，即不对称展宽，如下图右侧所示。
平行光线图示（左图）和示例光谱（右图）受来自球面镜的彗形像差 (coma) 影响
在 Czerny-Turner 光谱仪中，可以在一个波长上完全消除彗差，而使用凹面像差校正全息光栅配置，可以在很宽的波长范围内消除彗差。
散光
散光也发生在球面镜的离轴照明期间。在这里，水平（横向）和垂直（矢状）平面中的光线聚焦在不同的点。下图对此进行了说明，从中可以看出，与垂直平面相比，水平平面中的光线更靠近镜子聚焦。这种效应会导致图像拉长，并可能导致光谱仪中空间分辨率和信噪比的损失。
像散的影响：（a）表示离轴平行光束被球面镜反射，（b）和（c）部分分别表示水平面和垂直面的焦点，在（d）中，它可以可以看出，这些焦点发生在距镜子的不同距离处
通过使用弯曲狭缝（如 Ebert-Fastie 配置）或像差校正光栅 [1] 可以避免散光。也可以通过用环形镜代替球面镜来去除；然而，这些仍然受到彗差和球差的影响。
