上期提到，无论采用何种方法手段计算薄膜的光学常数，或者模拟反演光谱，影响求解误差的根本素材就是光谱数据的精度。了解不同类型光谱仪器测量光谱的原理和测量误差来源，有利于正确处理数据，从而得到更理想的效果。
在正式讲解之前，首先明确几个概念。从理论行讲，当光辐照薄膜后，可能有以下行为：
以特定方向穿过样品，即透过率，T；
反射镜面反射，即反射率，R；
在薄膜的表面或体内产生漫反射，即散射率，S；
在薄膜的表面或体内被吸收，即吸收率，A。
这些物理量应该守恒，即T+R+S+A=1。
其中，散射和吸收之和被称为光学损耗L=S+A。注意，这些符号和公式背后的值都是波长的函数。对于科研级的薄膜工作者，通常会利用专业的仪器去精细测量散射和吸收。对于大部分薄膜工程师，测量很多的是反射率和透过率，然后利用守恒公式推算出光学损耗。本节内容主要涉及透过率和反射率。
在介绍过程中，难免会借助一些厂家的仪器作为介绍的蓝本，这算是凑巧的免费广告，希望各位同行谅解。以测量原理分类，常规光谱仪可以分为两类。一类是色散型光谱仪，如PE的Lambda950，安捷伦的Cary-5000，上海欣茂的723PCS等。另外一类是傅里叶变换型光谱仪，如Olympus 的近红外显微分光测定仪 USPM-RU-W，南京涉谷-MSP100反射式光谱仪等。
本节先介绍色散型光谱仪，思路如下。首先介绍主流的光路设计结构；其次介绍光源、光栅、起偏器和探测器等内部器件，及由此引起的天然的测量误差；然后举例介绍测量条件对测量误差的影响。
一、光谱仪的结构
对于色散型光谱仪，主流的设计是采用双光束结构，如下图所示。LS表示光源， MC 表示单色仪，CH表示斩波器， SC 是样品室，D为探测器， A 为放大器，reference 表示参考光路，sample为待测试样品。

为了精确测量样品的光谱，光路通常有多种布置方法，如VW，VN和IV等。以VN结构为例，其测量透过率和反射率的原理，可用下图表示。

由于是双光路测试，因此从原理上确保了测量精度要优于单光路。由于光经过光学器件后会发生光束质量的变化，因此为确保测量精度，实际仪器中参考光路与测量光路要尽可能对称。实际仪器的光路会显得很复杂，如下图PE Lambda950所示。注意：由于这种对称性，使得在同一台设备上测量反射率和透过率时，两种测量的系统误差是相互关联的；小编的经验认为，1-R-T≥1%。

从光路看，相对于透过率测试，反射率测试要稍微复杂些，很难实现垂直角度的测试；倾斜入射时，角度的调整也很麻烦。实际中，厂家一般都会配备固定角度的反射率测试附件，最小测试角度一般不会小于6°。
另外一种常用的光路是VW结构，如下图。在这种系统中，光在样品上都经过了两次反射或透射，这使得实际测量结果是从反射率或透过率的平方换算而来。从原理上讲，更有利于测量高反射率。

二、光谱仪的部分关键器件
a. 光源：
典型的紫外光源是氢灯和氘灯，其发射波长范围110nm~900nm，通常使用范围190nm~400nm，因为在这个波段平滑连续，无锐线谱；656.28nm是特征谱线，光谱仪通常用这个波长进行定标和校验，所以如果氘灯坏了，仪器的测量精度可能也会受损。氘灯的玻璃罩用特殊的紫外玻璃或者石英玻璃制作，以免普通玻璃吸收紫外光。由于紫外玻璃的透射下限，常规仪器的测量下限很少小于190nm。
氙灯发射光谱分布与自然光较为接近，波长范围为300-1100nm。氙灯在紫外光区的发射强度较低。因为氙灯发射光谱相对较为平滑，没有太多强烈的锐线发射。使用寿命大致在1500-2000小时。
钨灯的反射波长范围是300nm~2600nm；利用钨丝的热发射发光。为防止氧化和蒸发，充入惰性气体如碘、溴等，因此相应称为碘钨灯、溴钨灯或统称卤钨灯。
综上，光源决定了仪器的测量范围和信噪比。需要说明的是，随着光源开启时间的延长，光强会逐步发生变化，比如开启2小时和开启1小时，各个波长的光强是不一样的，这意味着，如果光谱仪不关的话，过一段时间后再去测量光谱的话，需要重新做基线校准。如下图所示，上午刚做完基线测试的光谱，和中午不做基线再次测试的光谱明显不同。

b. 探测器：
探测器有光电二极管、光电倍增管、热释电器件和CCD等多种。重点介绍下CCD（charge?coupled?device），它是电荷耦合器件的简称，线阵CCD因为能在暴光时间内探测一定波长的所有谱线，因此在新型光谱仪中得到广泛的应用。CCD的性格主要参数如下。首先是空间分辨率，主要与像元尺寸有关，也与传输过程中的电荷损失有关。其次灵敏度与动态范围，要求有高灵敏度和宽动态范围，主要与器件光照的响应度（V/lx·s）和各种噪声（如光子噪声、暗电流和电路噪声等）有关。第三是光谱响应范围，目前硅材料的CCD光谱响应范围约400nm～1100nm。
探测器的可探测范围受制于本身的结构和材料。在同一波段内，不同类型的探测器性能差异也很大，比如在可见及近红外波段，CCD要明显优于光电管。查看光谱仪内的探测器转换波长，可以大概估算探测器类型，选择合适的探测器，有利于得到更加精确的测量结果。如下图，%T-800和%T-900表示探测器转换波长分别位于800nm和900nm，即图中的光谱是在不同的探测器下测量到的，可以发现两者有明显区别。

改变探测器波长，相当于切换了探测器，由于不同探测器的量子效率不同，会引起反射率或透过率的跳跃；如果不考虑其他影响因素，由工作原理可知，处理这种跳跃的参考方法就是，以效率稳定的探测器为参考，依照比例修正另外一个探测器在转换波长附近的数据。
c. 单色仪和狭缝：
这两个是光谱仪的精密部件。早期分光主要采用棱镜，现在主要采用性能更好的衍射光栅。光从光源发出后，先进入狭缝，然后再进入光栅，这两个部件共同决定了出射波长的带宽，噪音，强度和分辨率。
对于光栅，由工作原理可知，通常在零级具有最大的光强。此时选择波长550nm，可以很方便的观察测试光斑大小，或调整测试光路。如果光斑亮度分布不均匀性，有很大可能是光栅出了问题。
d. 起偏器：
在倾斜入射时，通常采用格兰棱镜作为偏振光S和P的起偏器。但市场上起偏器的性能差异很大。如下图是对平板型布儒斯特角PBS的光谱测量，可以发现起偏器1的偏振度很差，S光中含有P光分量，导致S光在1053nm附近有明显的台阶，且P光测试结果偏低。
依小编经验，格兰棱镜很难在超宽波段范围内实现同样效率的高偏振度。因此，对于小波段范围内偏振光的精确测量，建议使用立方形状的胶合棱镜对，胶合面镀待测波段的PBS薄膜。

三、如何精确测量
a. 选择合适的测量参数
要依据目标光谱的要求和光谱仪的特性，选择合适的参数。比如，如果想测试半峰宽是1nm的窄带，那么光谱仪的波长半峰宽（在Cary5000中用SBW来表示）就不能大于1nm；如果设定成2nm，实际测试结果相当于样品2nm波段内的平均光谱，这种情况下，建议SBW<0.5nm。也不建议设定的过小。半峰宽设定越小，光谱仪的信噪比越差，测量的光谱毛刺越厉害。注意，采样波长间隔变大，测试的光谱曲线同样会趋向于光滑平缓，但其原理与SBW不同。
下图为利用成都国泰真空设备有限公司GT-1350设备制备的光谱，选择合理的参数设置后，单面透过率可以测到90%以上，光谱形状和设计很接近。

b. 样品尺寸的选择
从光路看，上述方式适用于平面型样品的测量。如果是透镜，则会改变光路的传输，测量的数据将不再可靠，这是光谱仪的缺陷。对于VW光路，由于光路需要在样品上反射两次，且两次反射点的位置不一样，因此样品的尺寸要适当的大些，以满足两次反射的距离；在背面不做处理的情况下，测量结果为双面反射率。
c.样品厚度的选择
厚的基板会引起光束的展宽效应，如下面示意图所示。这种展宽效应对反射光束和透射光束的效应并不相同，与基底厚度和入射角度有关。

以下图所示意的透过率为例，光束展宽会导致到达探测器的光斑变大，变大的区域可以在示意图上看出来。对于CCD感应器来说，引起的测量误差可能更明显。这种效应，在测试偏振光时可能会很明显：45°入射和 -45°入射，理论上应该是同样的光谱，实际上两者测量结果会有明显差异。感兴趣的读者，可以依据自己设备探测器的性能，推算出可被精确测量的基板厚度上限。

d. 样品放置位置的确定
理想情况下，光谱仪的出射光应该是平行光束。实际上，由于光学器件复杂，光束质量很难精确控制，大部分出射光斑偏向于锥形光。小编认为，样品位于光斑面积最小的“焦点”位置，测量会更准确。
e. 截止带OD4以上光谱的测量
对于常规光谱仪，实现OD3的测试没有任何问题。但如果想精确测量OD4以上透过率，需要在校准光路中添加类似1/10的衰减片，测量数据才能具有明确的说服力。
f. 99.95%以上反射率或透过率的测量精度问题
对于性能良好的光谱仪，实现反射率99.95%的测试没有问题，更高精度比如99.97%以上，甚至99.99%以上，需要借助激光光源用光腔衰荡法进行测试。
通常，透过率测量精度更高些，可以达到0.3%的精度。反射率的测量受光路设计和高反附件性能的影响较大，需要各位同行小心判断。
综上，影响光谱仪测量精度的因素很多。比如不同类似光谱仪之间测量基本原理的不同，比如同一原理条件下光源或算法的不同等。在不考虑仪器各组成部件本身性能差异的情况下，基于不同测量原理设计的分光光度计应具有明确的系统误差。定期更换保养光源及附件，定期请第三方进行计量校准，是严谨测量的必要工作之一。