上期提到，依据工作原理不同，光谱仪可以分为两大类，分别是色散型光谱仪和傅里叶变换型光谱仪（Fourier Transform Spectrometer）。基于其工作原理，后者在红外波段的测量仪器中占据统治地位；由于本身光路的独特性（可显微），不仅可以测量平板型镜片，而且可以精确测量透镜型等异形尺寸镜片。

本节首先介绍傅里叶变换光谱仪的工作原理，其次讲述影响测量性能的一些关键因素，同时附上一些常见问题的问答。由于红外和可见都会用到傅里叶光谱仪，但两个波段的具体使用环境差异很大，这里没有分开单独讲述，而是糅杂在一起，可能会造成部分读者混乱，还请谅解。

一、工作原理

相对色散型光谱，傅里叶变换型光谱仪不用棱镜或者光栅分光，而是用干涉仪得到干涉图，采用傅立叶变换将干涉图转换为以频率为变量的光谱图。因此其核心部件是迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）装置。按照实现方式可分为时间调制干涉光谱技术和空间调制干涉光谱技术。

a. 时间调制干涉光谱技术

基本结构如下图所示，又叫分振幅干涉方式。位于焦点的样品S待测面发出的光，经过透镜L1后变成平行光，再进入半透半反镜，分束后分别经过高反镜M2和M1，重新进入半透半反镜，调制形成干涉图样，被探测器D获取；再经过傅里叶变换计算变成大家熟知的光谱图。

由上图可知，调试干涉依赖于M1镜子的一维运动。这意味着需要镜片的机械扫描运动，因此对扫描系统的加工装配的精度要求很高；同时为达到理想的光谱分辨率，M1的移动量将会很大，使得系统体积比较大。优点也很明显，仪器中光学元件相对较少，因此，如果机械扫描性能可以保障，整机可靠性将会很高。

b. 空间调制干涉光谱技术

基本结构有多种，常见的是Sagnac结构，如下图所示，又叫分波前干涉方式。同一光源发出的光，经过分束镜后分解为两束光，在同一环路沿相反方向循行一周后汇合，在探测平面产生干涉。可以发现，这种结构是一种共光路结构，因此，抗外界干扰能力非常好。

相对于时间调制傅里叶变换光谱仪来说，空间调制的优点在于它是用面阵代替单元探测器件，没有机械运动部件，因此，它的体积小得多，机械加工和装配的精度要求也比较低，仪器可靠性将高得多。由于是凝视成像，相对于视场的机械扫描成像，对地面目标的探测时间可增加N倍(N为面阵一行上的像素数目)，因此系统的信噪比可提高N^0.5倍。不过，由于两波面之间的夹角不可能很大，因此光程差也会受到一定的限制,也就是说仪器的光谱分辨率将受到一定的限制。

二、影响仪器性能的几个关键因素

傅里叶变换型光谱仪延伸的结构类型很多，很难就具体的结构进行一一分析。本文仅对部分常规问题进行讨论。

a. 光源： 

具体类型和特性可参考上期所讲。

光源类型在一定程度决定了仪器的测量范围和信噪比。依然需要强调的是，随着光源开启时间延长，光强会逐步发生变化，因此，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。

b. 探测器：

通常采用面阵CCD，因此能在暴光时间内探测一定波长的所有谱线，所以通常又叫多通道傅里叶变换光谱仪。需要说明的是，在红外波段，目前还没有一个检测器能够覆盖所有红外波段且又有很高的检测灵敏度。因此只能在不同波段选用不同的探测器。对于傅里叶变换红外光谱仪而言，决定仪器波段范围的是光源、分束器和探测器这几个因素,红外各种检测器的测量范围以及响应曲线如下图所示。

c. 分辨率：

能够辨识最靠近的两个波长的能力，类似色散光谱仪的半高宽或SBW等参数代表的意义。通常采用瑞利判据和半高宽判据。瑞利判据认为，如果两条等强度的谱线中的一条谱线的峰点正好落在另一条的第一个零点上,那么就认为这两条谱线刚好能被分开。比如，两条等强度的Sa²(x)线形的谱线,它们迭加的结果如图a所示，叠加的谱线中间有一个约为20%的下凹,能够勉强分开。而如果是两条等强度Sa (x)线形的谱线，利用瑞利准则，它们迭加的结果如图b向所示，叠加的中间部分己经不能区分出两个谱峰。此时按照半高宽均判据就更合理一些，即对于两条强度相等的谱线,当它们之间的距离为其半高宽时，刚好能够被分开。如图c所示。

从理论上讲，影响分辨率的因素除了与仪器的硬件条件，如探测器和动镜行程等，更与截趾函数和数据采集等有关，后者属于数据处理论范畴，考量的是仪器的数学编程计算能力。

d. 校准样片：

傅里叶光谱仪也有单双光路之分，国产仪器为倾向于便携化，通常采用单光路设计。此时测量的数据实际是相对标准样品的反射率或透过率。因此，厂家通常会配备校准样片。比如南京涉谷的MSP-100，配备的标准样品，通常有：

1) BK7 参考玻璃；

这是一块没有镀过膜的标准参考玻璃，适合于测量反射率较低的产品，因为被测物的测试数据是相对于比较它而得出的，所以一定要保持它的表面整洁干净，如发现表面有指纹或其他污物时，测量前要擦干净，否则测量结果会不准。

2) 波长校准玻璃；

此玻璃用膜厚计测试能量时会出现多个峰值，每个峰值都对应一个固定频率，用来校正波长位置。

三、常见测量误差分析

a. 测量参数设置

由光谱仪配备标准样品可知，这种仪器实际得到的数据是相对反射或透过率。考虑到原始数据为干涉图样，因此测量光斑范围内的均匀性分布，测量参数设置和薄膜反射率大小都会影响测量误差。

下图所示，样品是一个兼具高透和高反的分光薄膜，但测量结果却不尽人意，高反带的误差明显，是测量参数不合适导致。实际上，基于干涉图样进行傅里叶变换的工作原理也决定了测量这类光谱的精确度不会很高。

b. 测量环境影响

红外测试时尤其要注意温湿度问题，特别是测量波段位于水吸收窗附近时；小编建议，可以考虑把仪器放入恒温恒湿的柜子里。下图为液体水和重水的部分红外光谱图，可以发现水分子在739nm和970nm有明显吸收峰；由于氢键作用，液体水的红外光谱图比气态水要复杂的多。

c. 如何测试透镜镜片

以南京涉谷可见光测量仪器为例，除利用左侧目镜寻找焦面外，还需寻找球心。方法是一边调节移动平台的 X-Y 位置，一边观察右边目镜中的图像，当三片扇形片显示位置对称时，这就是球面的中心。如下图所示。注意，调焦面和调球中心不是相互独立的，二者要相互转换着调。

小编注：光谱仪光路系统的这种显微特性，可以用来测量对比不同微小区域的光谱差异，从而有助于分析镜片表面的不均匀性。

四、两种类型光谱仪的简单对比

相比色散型光谱仪，傅里叶变换型光谱仪不用棱镜或者光栅分光，而是用干涉仪得到干涉图，采用傅立叶变换将干涉图转为以波长为变量的光谱图。其主要优点有：

1) 信噪比高。傅里叶变换光谱仪所用的光学元件少，没有光栅或棱镜分光器，没有入射和出射狭缝，不会降低光的损耗，而且通过干涉进一步增加了光的信号，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比高。这也是在光源较弱的红外波段，傅里叶变换占据统治地位的关键因素。

2) 重现性好。傅里叶变换光谱仪采用的傅里叶变换对光的信号进行处理，避免了电机驱动光栅分光时带来的误差，所以重现性比较好。   

3) 扫描速度快。傅里叶变换光谱仪是按照全波段进行数据采集的，得到的光谱是对多次数据采集然后求平均的结果，而且完成一次完整的数据采集只需要一至数秒，而色散型仪器在任一瞬间只测试很窄的波长范围。

综上，依然需要强调的是，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。由于篇幅和能力所限，文中没有给出更多例子和说明，想了解更多关于傅里叶光谱仪的内容，可以联系国泰真空工艺部，或参考阅读下面这本书：