光电探测器的性能参数
光电系统一般都是围绕光电探测器的
进行设计的，
而探测器的性能由
特定工作条件
下的一些参数来表征。
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北邮光研院历年考研复试题光纤通信
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北邮光研院历年考研复试题光纤通信
官方公共微信要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。 1.光电探测器
光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。
普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。 2.红外探测器
光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。
红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。近红外指波长为0.75―3微米的光波，中红是指3―20微米的光波，远红外是指20―1000微米的波段。但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1―3,3―5和8―14可以让红外辐射通过。因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。
红外探测器的分类：
按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。 按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。 被动红外探测器是感应人体自身或外界发出的红外线的。主动式红外探测器一般为对射，红外栅栏等，是探测器本身发射红外线。 按照探测范围可以分为：点控红外探测器，线控红外探测器，面控红外探测器，空间防范红外探测器。 点源是探测元是一个点。用于测试温度，气体分析和光谱分析等 线阵是几个点排成一条线。用于光谱分析等 面阵是把很多个点源放在仪器上形成一个面。主要用于成像。 地址：西安市科技一路59号D座
邮编（Postcode）：710065 手机（Mob）： 网址（Website）：
E-mail：xujianqiang@ 联系人：徐建强
四象限是把一个点源分成四个象限。用于定位和跟踪。 按照制冷方式可以分为：制冷和非制冷。（后面有详细介绍） 3.红外探测器的参数与特性
响应率： 所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比。即：R=Us/P。
式中 R ― 响应率(V/W)；Us ― 输出电压(V)；P ― 红外辐射功率(W)。响应率与光源的相对光谱分布、入射光的方向和偏振性、入射光的强度、辐照的均匀度、器件的温度以及测试线路等有关。因此，在标记响应率时，需要注明测试条件。 响应波长范围： 红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系，如上图所示： 曲线1表示在测量范围内，响应率R与波长λ无关。曲线2表示响应率R与波长λ有一定关系，在测量范围内λp处出现一个响应率的最大值，在λp的短波方面，响应率缓慢下降，而在其长波方面，则响应率快速的下降为零。我们把下降到峰值的一半所在的波长λc叫做“截止波长”，或者叫响应的“长波限”。 响应时间： 当光入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间。 噪声等效功率(NEP) 地址：西安市科技一路59号D座
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若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压均方根，这个辐射功率就叫做噪声等效功率(Noise Equivalence Power)。噪声等效功率是一个可测量的量。
NEP=Pmin= Un/R=P/Us/Un
P―入射辐射功率
Us―输出信号电压
Un―输出噪声电压均方根
R―响应率 探测率(D) 探测率就是探测器能探测的最小辐射功率（NEP）的倒数。是衡量探测器探测能力的参数。
它表示单位入射辐射功率所产生的信噪比，当然，D值越大，表示器件的探测性能越好。D的单位是[W]. 任何探测器都有噪声，比噪声起伏平均值更小的信号实际上检测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率，称为探测器能探测的最小辐射功率，或称等效噪声功率。有时用探测率描述探测器的灵敏度。 归一化探测率(D*) 由于D表示的探测率涉及器件的面积和工作带宽两个因素，这样不便于对不同面积和工作带宽的器件进行比较，为此引入归一化探测率D，其值是 *-1 式中A为器件接受面积，△f为工作带宽。 制冷方式 1）、利用相变制冷
即利用制冷工作物质相变吸热效应，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氢等的制冷； 有液态致冷和固态致冷两种。液态循环致冷目前广泛用于试验室测量和民用红外系统。固态致冷系统主要用于航天工业，储存的固态冷却剂根据质量和体积，使用时间可为1至3年或更长。 2）、利用焦耳-汤姆逊效应制冷 地址：西安市科技一路59号D座
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即当高压气体的温度低于本身的转换温度并通过一个很小的节流孔时，气体的膨胀会使温度下降。如焦-汤制冷器，特点是结构简单、可靠性高、质量轻、体积小、无振动、无运动部件、噪声小、成本低、致冷速度快，致冷时间通常只需15～60s（秒）。 焦-汤致冷技术又称节流式致冷技术，是1950年代发明的，绝大多数情况下使用开环式致冷器，但仍有采用高压压缩机的闭式节流制冷器。早期系统由逆流式热交换机、节流孔和装有高压气体的贮气瓶组成。为了控制气体消耗量，国外对节流制冷器作了些改进，设计了自调式制冷器。现在国外生产的焦-汤系统几乎都配备了这种自调机构。国外多将该技术用于红外制导、手持式热像仪、车载热像仪、反坦克导弹热瞄具等。 3）、利用气体的等熵（shang）膨胀制冷
即气体在等熵膨胀时，借膨胀机的活塞向外输出机械功，膨胀后气体的内位能要增加，从而要消耗气体本身的内功能来补偿，致使膨胀后温度显著降低。如斯特林闭循环制冷器，其特点是功耗低、尺寸小、质量轻。 斯特林致冷技术已经有50年发展历史，在军事上应用最广泛。首先出现的是整体式结构，即压缩活塞和膨胀活塞用一连杆以机械方式连为一体。整体式结构容易产生热和振动影响制冷部分。针对系统存在的不足，国外也作了些改进。首先，自1972年以来，有了显著发展，由美国休斯飞机公司研制出分置式斯特林制冷器，将压缩机和膨胀器分开安置，中间用一根软管相连。这种结构不仅克服了早期整体式制冷器的缺点，还保持了原有系统结构紧凑、效率高、启动快等优点，因此颇受国外用户重视，发展较快。其次，为了克服原有电机/曲轴这种动态结构产生的磨损而影响寿命，荷兰飞利浦研究所于1968年开始研制用线性电机驱动线性谐振压缩机的斯特林机。迄今为止，线性谐振斯特林机的发展已经经历了三代 4）、利用帕尔帖效应制冷
即用N型半导体和P型半导体作用偶对，当有直流电通过时电偶对一端发热，另一端变冷，如热电制冷器，又称为半导体或温差电制冷器。热电探测器的主要优点是：全固态化器件、结构紧凑、寿命长；无运动部件，不产生噪音；不受环境影响；可靠性高。缺点是制冷器的性能系数（COP）较低，致冷量小，效率低； 目前热电制冷器主要用于手持式热像仪，此外还可用于其它一些观瞄系统。 5）、利用物体之间的热辐射交换制冷
如在外层空间利用外层宇宙的高真空，深低温来制冷。它的显著特点是无运动部件、长寿命、功耗小、无振动干扰。缺点是对轨道和卫星的构形有要求，对环境要求严格，入轨后地址：西安市科技一路59号D座
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需经过一段时间的加热放气后才能工作。 6）、脉管致冷技术
1963年由美国低温专家发明，直到1984年前苏联米库林教授对基本型脉管做了重大改进后，使其向实用迈进关键性一步。脉管实际上是斯特林的变体，膨胀机内无需运动部件，结构更简单可靠，且易于装配和控制振动。目前其机理仍在探索中，未来将成为斯特林机强有力的竞争对手，特别是在长寿命机型中更是如此。
目前实验室常用的是热电制冷和液氮制冷，而外场比较常用的是热电制冷和斯特林制冷，其余制冷方式由于种种原因没有得到广泛使用。 4． 红外探测器的主要应用 （一）在测温方面的应用 一、工作原理 一切温度高于绝对零度（-273℃）的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布――与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
物体发射率对辐射测温的影响：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。
影响发射率的主要因素在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。
当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。 红外测温仪由以下四个部分组成，即光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理和地址：西安市科技一路59号D座
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E-mail：xujianqiang@ 联系人：徐建强仪器结构 - 色谱世界
【】【】【引用网址】http://www.chemalink.net/books/C/504/0.html
&&& 根据化合物发生荧光的条件和对化合物荧光强度检测的要求，普通的一台荧光检测器包括以下基本部件：激发光源；选择激发波长用的单色器；流通池；选择发射波长用的单色器及用于检测发光强度的光电检测器。&&& 由光源发出的光，经激发光单色器后，得到所需要的激发光波长。激发光通过样品流通池，一部分光线被荧光物质吸收。荧光物质激发后，向四面八方发射荧光。为了消除入射光与散射光的影响，一般取与激发光成直角的方向测量荧光（直角光路）。荧光至发射光单色器分光后，单一波长的发射光由光电检测器接收。
&&& （一）基本结构&&& 1. 光源&&& 由于荧光强度与激发光强度成正比，因此理想的激发光源应具备：①足够的强度；②在紫外-可见光区有连续光谱；③光源强度与波长无关，也就是说光源的输出应有连续平滑等强度的辐射；④光强稳定。
&&& 早期荧光检测器采用激发光光强较强的高压汞蒸气灯、镉灯和锌灯等光源，但这些灯为线性光源（光谱线：汞灯――254nm，365nm，405nm；镉灯――229nm，326nm；锌灯――214nm，308nm，335nm，不能满足各种组分不同激发波长的要求。现在较多使用能发出220nm-650nm连续光谱的氙弧灯，发射光强度大，而且在300nm-400nm波段内，光谱强度几乎相等，但在波长小于280nm时，光强迅速下降。虽然大功率氙弧灯在紫外区输出功率大，但在稳定性和热效应方面还存在不少问题。采用脉冲放电氙灯，提高了低波长紫外区的灵敏度，而且可避免由于流通池升温引起的基线漂移。目前已有许多氙弧灯不再采用高压放电方式。脉冲激发光源可以有不同的脉冲频率选择，如20Hz、100Hz有利于延长光源的使用寿命。在增强频率时，更适用于超痕量样品的检测。还有的荧光检测器采用氙-汞弧灯，虽然可克服氙弧灯的缺点，然而其光谱输出的平滑度远不如氙灯。&&& 高功率连续可调激光光源是一种新型的荧光激发光源。激光光源单色性好，强度大，可提高荧光检测器的灵敏度和选择性，缺点是成本高，波长范围小。
&&& 2. 激发光和发射光单色器&&& 荧光检测器的光学系统由光学透镜和单色器组成。光学透镜可分为聚光透镜和荧光收集透镜。聚光透镜的作用是将激发光束准确地聚焦在检测池窗口上，荧光收集透镜是采集一定角度的发射光于光电检测器上。&&& 激发光和发射光单色器的主要作用都是提供单色光。激发光单色器位于光源和流通池之间，能为样品激发提供单色光，又称第一单色器；发射光单色器置于流通池和检测器之间，作用是提供适合检测的单色荧光，又称第二单色器。单色器的不同是荧光检测器分为多波长荧光检测器和荧光分光检测器两大类的主要依据。多波长荧光检测器用若干个滤光片作单色器，因此又称为固定波长荧光检测器。荧光分光检测器采用光栅作单色器，选择激发光波长和发射光波长。与固定波长检测器相比，荧光分光检测器能进行光谱的自动扫描。
&&& 单色器在荧光分析的灵敏度和选择性方面存在着相互制约的因素。窄光谱带的选择性好，但窄谱带仅占发射光谱的一小部分，灵敏度低。单色器的光谱带是由其色散能力和狭缝宽度决定的。单色器一般都有进出光两个狭缝，出射光的强度与单色器狭缝宽度的平方大约成正比，增大狭缝宽度有利于提高信号强度，缩小狭缝宽度有利于提高光谱分辨率，但要以信号强度的牺牲为代价。&&& 多波长荧光检测器用短通路剪切式滤光片或宽带的光通带滤光片插在光源与流通池之间，作为激发滤光片（第一滤光片）限制最大激发波长。长通路剪切式滤光片或通带滤光片作为发射光滤光片（第二滤光片），插在流通池和检测器之间。通过发射光滤光片的波长上限应小于通过激发光滤光片的波长下限。滤光片单色器价格低，操作简单，但选择性不强，而且还要经常根据波长选择的需要更换滤光片。
&&& 现在一般都采用光栅作为荧光检测器的单色器。光栅单色器与滤光片单色器相比，优点是：①具有光谱扫描功能；②分辨率高。缺点是：①仪器结构不够紧密；②灵敏度低；③成本高。&&& 光栅单色器有两个主要性能指标，即色散能力和杂散光水平。色散能力通常以每毫米狭缝宽度的光谱波长纳米数来表示（nm/mm）。对于一般荧光检测器来说，因为荧光化合物的荧光峰宽度很少小于5nm，单色器的分辨率不是主要问题。荧光分光检测器多选用闪耀波长（光栅输出最强光的波长，blaze wavelength）落于紫外区的光栅为激发单色器，以弥补氙灯紫外区能量弱的缺点。由于荧光化合物的荧光多数落在400nm-600nm区，因而发射单色器常采用闪耀波长为500nm 左右的光栅。在闪耀波长处，光栅色散效率最高，对固定的狭缝宽度，荧光检测的分辨率也最高。闪耀波长两边，色散效率呈下降趋势。&&& 对于荧光测量来说，单色器杂散光水平是一个极关键的参数。杂散光被定义为除去所需要的波长的光线以外，通过单色器的所有其它光线的强度。荧光化合物的荧光一般都很弱，通过激发单色器的长波长的杂散光容易被当作荧光来检测。许多生物样品有较大的浊度，结果入射的杂散光被样品散射而干扰荧光强度的测量。另外，在荧光分析中，还常遇到来自溶剂和流通池材料的瑞利散射光（rayleigh scatter）、被流通池内表面反射和折射的激发散射光、来自溶剂的拉曼光以及杂质产生的荧光干扰。前两种散射光的波长与激发光的波长相同，相对较容易去除，而拉曼光由于波长比一般激发光波长长，更接近荧光化合物的波长。散射光和拉曼光对荧光背景的贡献，常常成为荧光分析方法灵敏度的主要限制因素，因而通常选用低杂散光的单色器。光栅去除杂散光的能力一般要好于通带滤光片。为了进一步去除杂散光，有的荧光分光检测器在使用光栅做发射单色器的基础上，还要附加截止滤光片，起到双重减少干扰的作用。
&&& 3. 流通池&&& 用于液相色谱检测的荧光检测器与一般荧光光度计的主要区别在于流通池。实际上任何类型的荧光计，无论是光电荧光计还是分光荧光计，只要安装合适的流通池，都可用作液相色谱的荧光检测器。唯一的限制是液相色谱检测要求的是小于0.5s 的响应时间。&&& 流通池的宽度b（即光程长）是影响吸收型检测器灵敏度的重要因素。理论上b越大越好，但实际上b受到流通池体积引起的峰展宽的限制。荧光检测器流通池的设计原则是在尽量减小峰展宽的条件下，产生最大的荧光信号。从定量公式可以看出，荧光强度的影响因素多，b对灵敏度的影响不如吸收型检测器大，而流通池体积小，则有利于降低峰展宽。常见的流通池体积为5μL-15μL。
&&& 图4-5-4是吸收型检测器和荧光检测器的流通池光路图。两者的相同之处是入射光光轴和流动相流动方向一致。不同的是，荧光检测器还需第二光轴：发射光轴。按入射光轴与发射光轴之间呈现的角度，荧光检测光路可分为直角光路（90°），直通光路（180°），反射光路（0°）和轴向光路（其它角度）。最普通的测量发射辐射的做法是与激发辐射呈直角，并对准流通池的中心部位进行测量。直角光路因对从光源来的直射光的干扰不敏感，得到的信噪比较好。直通光路可用标准的紫外吸收池，但必须仔细选择滤光片，以防杂散光到达光电检测器。否则，将得到很高的荧光本底，信噪比较差。与直角光路比，直通光路虽然对光源来的直射光的干扰敏感，但荧光收集效率高。图4-5--5（a）是第三种类型的检测器。反射池与凹面透镜组合在一起。池背面反射光，防止激发光通过池到达光电检测器。凹面镜集聚散射荧光，从流通池射出并聚焦在光电检测元件上，增强了荧光收集效率，而且减少了内滤效应，检测限得到提高。在C184.6mm*25mm 柱上，信噪比为3时，蒽的检测限为0.8pg。具体的流通地结构如图4-5-5（b）。
&&& 圆柱形石英池和直角形石英池在荧光检测器中都有应用。直角形流通池仅能用于与激发辐射的光路成0°、90°和180°的角度上对发射辐射所进行的测量。以其它角度测量，在检测器方向上的发射辐射都将有不可忽略的一部分被池壁反射。图4-5-6 是一种圆柱形流通池的结构图。
&&&&&&&&&&&&&&&&
&&& 4. 光电检测器&&& 荧光检测器一般采用光电倍增管作为检测元件。光电倍增管是一种很好的电流源，在一定条件下，其电流量与入射光强度成正比，不仅起着光电转换作用，而且还具有电流放大作用。由于光电倍增管具有灵敏度高――电子放大系数可达10^8-10^9，线性响应范围宽――光电流在10*(-8)A-10^(-3)A 范围内与光通量成正比，响应时间短（10^(-9)），已成为分析仪器中最常用的检测元件。用光电倍增管做检测器时，可用模拟型和计数型两种方法检测。当信号较弱时，需取多次扫描的平均值来提高信噪比，采用光子计数型检测。光子计数型有较高的检测灵敏度和稳定度。对于相对较大的信号，模拟型检测的线性好，测量精度高。光电倍增管的灵敏度受暗电流限制，暗电流主要由阴极和二次发射极的热电子发射和电极间的漏电形成。不同型号的光电倍增管，由于所用的光阴极光敏材料不同，其光谱响应特性也不同，适用于不同的波段。由于单色器和光电倍增管的非理想化光谱响应，发射光谱会产生歪曲，如前所述，要获得真实的发射光谱就必须进行校正。
&&& 荧光分光检测器和紫外分光检测器一样，可以自动扫描获得全光谱。对未知物检测来说，获取全光谱用于定性是重要的。另外，全光谱的获取还有利于提高灵敏度和共淋洗组分的光谱分辨。最早的是用普通的扫描荧光计，停流扫描，但该方法会引起峰展宽。最好的办法是在色谱正常淋洗时间内实现快速扫描。采用快速机械扫描的办法，多数情况下会遇到再现性和信噪比损失的问题，采用多通道检测技术的荧光检测器取代振荡镜扫描荧光计，实现了光谱的快速自动扫描。多通道分析器（optical multichannel analyzer,OMA）主要包括采用光导摄像管（vidicon）和光电二极管阵列作为检测器的两种类型。多通道检测技术的特点是采用多色光照射样品，用光导摄像管或光电二极管阵列检测荧光信号，通过计算机处理，得到荧光强度同时随发射波长和时间变化的关系图谱，即三维荧光光谱（图4-5-7）。光导摄像管常用硅强化靶（SIT），SIT 与光电倍增管相比，灵敏度低一些。为此可采用傅立叶变换滤波的数据平滑技术，以减弱噪音的影响。!"# 采用光栅色散，将多色光分散到几百个光电二极管的P-N结上，每个二极管对应一个特定的波长，通过连续的电子束扫描检测每个二极管上信号的大小。入射辐射落到这些二极管上，引起电荷的损失，由电子束重新充电的电流正比于辐射的强度。光电二极管阵列检测器的工作原理与SIT 相同，与SIT 比较，它在紫外区有较好的工作特性，故商品荧光检测器多采用光电二极管阵列检测。多通道检测技术可以在很短的时间内（小于1s一次实现全光谱扫描，为色谱分析提供更多的信息。例如利用计算机谱库检索，帮助鉴定荧光化合物；纯度检测；多波长、多通道同时检测等。
&&& （二）常用的荧光检测器&&& 越来越多的液相色谱分析采用荧光检测，荧光检测器同传统的紫外-可见吸收检测器一样容易使用、操作和维护。荧光检测器为自然荧光化合物和同荧光试剂反应形成稳定荧光物的化合物的检测提供了高灵敏度和高选择性。前面介绍过，荧光检测器按单色器的不同可分为固定波长荧光检测器和荧光分光检测器。除此之外，按有无参比光路的不同，荧光检测器又可分为单光路荧光检测器和双光路荧光检测器。&&& 图4-5-8 是一种双光路固定波长荧光检测器。中压汞灯发出的连续光经半透半反射镜分成两束，分别通过样品池和参比池。半透半反射镜将10%左右的激发光反射在参比池及相应的光电倍增管上。参比池有利于消除外界的影响和流动相所发射的本底荧光，参比光路有利于消除光源波动的影响。90%左右的激发光经激发光滤光片分光后，选择特定波长的光线作为样品激发光。该光束经第一透镜聚光在样品地入口处，样品池内的组分受激后发出荧光。取与激发光成直角方向的荧光，由第二透镜将其会聚到发射滤光片。在光电倍增管之间有一个电压控制器，由参比光电倍增管输出电压讯号控制样品光电倍增管的工作电压。当光源变强时降低工作电压，光源减弱时升高工作电压，补偿了光源强度的波动对输出信号的影响。
&&& 如将滤光片换为光栅，光路稍做调整，这种结构就是荧光分光检测器（图4-5-9）。许多荧光分光检测器具有光谱扫描功能，通过微处理器控制驱动马达，带动反射镜或光栅移动，可以直接获得未知物的激发或发射光谱。加上波长程序功能，对复杂多组分化合物的每一组分的最佳激发和发射波长进行编程，一次进样可获得各个组分的最大响应值。为进一步提高检测灵敏度，一些荧光分光检测器已改进了光路设计，例如为减少反射损失，不使用透镜聚光，单色器为装在密封套中的全息凹面衍射光栅及球面镜等。}