第五版仪器分析光谱法仪器与光学仪器课件

第二节光谱法仪器与光学器件第二章

光谱分析法导论

anintroductiontoopticalanalysis

instrumentsforspectro-metryandopticalparts2022/12/261优秀课件，精彩无限！第二节第二章

光谱分析法导论anintroduc一、光谱分析仪器原理和基本结构1、光谱分析仪器原理例：紫外-可见吸收光谱----朗伯比耳定律2022/12/262优秀课件，精彩无限！一、光谱分析仪器原理和基本结构2022/12/202优秀课件2、光谱分析仪器基本结构（1）光源(辐射源)；（2）色散元件(单色器)；（3）盛装样品的容器；（4）检测器或换能器；（5）信号处理器或读出装置(显示与数据处理)mainpartsofspectrometry2022/12/263优秀课件，精彩无限！2、光谱分析仪器基本结构mainpartsofspec2022/12/264优秀课件，精彩无限！2022/12/204优秀课件，精彩无限！二、光源系统--要求有足够的输出功率以便容易检测和测定.有足够的稳定性.

在仪器设计中,常将光源发出的光分为二束,一束通过试样,另一束不通过试样,测量两束光信号比作为分析的变量,用以克服光源稳定性带来的问题.差值ΔA光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器2022/12/265优秀课件，精彩无限！二、光源系统--要求有足够的输出功率以便容易检测和测定.有足

依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等依据光源性质不同，分为：1、连续光源：应用于紫外-可见吸收，分子荧光、分子磷光、红外吸收光谱中。能在较大波长范围提供连续波长的光源如：氢灯、氘灯、钨丝灯等在紫外光区最普通的光源是氢灯或氘灯.需要特别强的光源时,选用高压、充有氩气、氦气或汞蒸气的充气弧灯.

可见光区,采用钨丝灯.

红外光源,采用将惰性固体加热到1500-2000K2022/12/266优秀课件，精彩无限！依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、2022/12/267优秀课件，精彩无限！2022/12/207优秀课件，精彩无限！2、线光源—应用于原子吸收、原子荧光以及拉曼光谱中

提供特定波长的光源，常见的有：金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、无极放电灯等；紫外和可见光区----汞蒸气灯和钠蒸气灯原子吸收和原子荧光光谱----空心阴极灯和无极放电灯2022/12/268优秀课件，精彩无限！2、线光源—应用于原子吸收、原子荧光以及拉曼光谱中2022/空心阴极灯阴极:钨棒作成圆筒形，筒内熔入被测元素阳极:钨棒装有钛,锆,钽金属作成的阳极管内充气：氩或氖称载气，极间加压500--300伏，要求稳流电源供电。2022/12/269优秀课件，精彩无限！空心阴极灯阴极:钨棒作成圆筒形，筒内熔入被测元素2022/空心阴极灯的原理

施加适当电压时，使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，发射出相应元素的特征谱线-----共振谱线。用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。2022/12/2610优秀课件，精彩无限！空心阴极灯的原理施加适当电压时，使阴极表面的金属原子溅3、激光光源—高单色性，方向性强，亮度高，相干性好拉曼光谱，分子吸收光谱，发射光谱，傅立叶变换红外光谱等2022/12/2611优秀课件，精彩无限！3、激光光源—高单色性，方向性强，亮度高，相干性好2022/三、波长选择系统2022/12/2612优秀课件，精彩无限！三、波长选择系统2022/12/2012优秀课件，精彩无限！色散元件的功能：使光发生色散，使光按照波长顺序排列，常用光栅或棱镜狭缝的功能：采光，即采集按照波长顺序排列的而一定波段的光进入检测系统进行检测狭缝的选择:

一般来说,狭缝越小，光谱的分辨率越高,越接近真实光谱.但狭缝太小光信号太弱,检测器难以有效测到光信号.

所以,如果需要得到高分辨率光谱,可以采用较小宽度的狭缝.

如果进行定量测定,则适当采用较大宽度的狭缝.2022/12/2613优秀课件，精彩无限！色散元件的功能：使光发生色散，使光按照波长顺2022/1（一）单色器：将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带的装置。主要部件：（1）进、出口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线传播的透镜或反射镜

（3）色散元件(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；（4）聚焦透镜或凹面反射镜：使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像2022/12/2614优秀课件，精彩无限！（一）单色器：将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带的装置。棱镜单色仪—用来色散紫外、可见和红外辐射2022/12/2615优秀课件，精彩无限！棱镜单色仪—用来色散紫外、可见和红外辐射2022/12/20光栅单色仪—有透射光栅和反射光栅。2022/12/2616优秀课件，精彩无限！光栅单色仪—有透射光栅和反射光栅。2022/12/2016优(二)滤光片1、吸收滤光片---由有色玻璃或夹在玻璃两片间的分散在明胶薄层中的吸光染料组成。适用于可见光区。特点：带宽较宽，透射效率低。用于较简单的定量测定，便宜，较好的热稳定性。2、干涉滤光片---由两层半透明银膜和银膜间的介电薄膜（氟化钙或氟化镁）组成。可获得较窄的辐射宽带。

波长选择性比吸收滤光片好。2022/12/2617优秀课件，精彩无限！(二)滤光片2022/12/2017优秀课件，精彩无限！（三）棱镜—根据光的折射现象进行分光棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；

2022/12/2618优秀课件，精彩无限！（三）棱镜—根据光的折射现象进行分光棱镜对不同波长的棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，表示偏向角θ对波长的变化率；

棱镜的顶角α越大或折射率n越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；

2022/12/2619优秀课件，精彩无限！棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；（1）色散率（2）分辨率

相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：；两条相邻谱线的平均波长；△λ：两条谱线的波长差；b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；

分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。2022/12/2620优秀课件，精彩无限！（2）分辨率相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：（四）光栅

通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。常用的光栅刻痕密度每毫米为1200条、1800条或2400条；根据工作方式不同分为：透射光栅，反射光栅（平面反射光栅，凹面反射光栅）；2022/12/2621优秀课件，精彩无限！（四）光栅通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；2022/12/2622优秀课件，精彩无限！光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共(1)光栅的色散原理光栅公式：d(sinα±sinθ)=Kλ=nλα、θ分别为入射角和衍射角；K或n为光谱级次,K=0,

±1,±2,…整数

d为光栅常数(mm):相邻两刻痕间的距离λ为入射光的波长2022/12/2623优秀课件，精彩无限！(1)光栅的色散原理光栅公式：d(sinα±sinθ)=K光栅公式

d(sinα±sinθ)=Kλdsinα为相邻入射光波Ⅰ与Ⅱ的光程差；dsinθ为相邻衍射光波Ⅰ’与Ⅱ’的光程差；d(sinα±sinθ)为光波ⅠⅠ’与光波ⅡⅡ’的总光程差；加号表示衍射光和入射光在光栅法线的同侧减号表示它们在光栅法线的异侧；当一束复合光以一定的入射角α照射光栅时，不同波长的单色光在不同衍射角θ的方向发生干涉。2022/12/2624优秀课件，精彩无限！光栅公式d(sinα±sinθ)=Kλ2022/12/

在某一光谱级次中，即当K,α,d一定时，波长愈长的单色光，衍射角愈大。对于给定的光栅，可以通过旋转光栅转台来获得需要的波长范围和光谱级次。2022/12/2625优秀课件，精彩无限！在某一光谱级次中，即当K,α,d一定时，波（2）几种典型的光栅A、凹面反射光栅B、闪耀光栅C、中阶梯光栅D、全息光栅2022/12/2626优秀课件，精彩无限！（2）几种典型的光栅2022/12/2026优秀课件，精彩无(3)光栅的性能指标光栅的特性可用色散率和分辨率来表征A、当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：

dθ/dλ为衍射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。

当θ很小，且变化不大时，cosθ≈1，光栅的角色散率决定于光栅常数

d

和光谱级数K

。可见光栅的角色散率为一个常数，不随波长改变，是均排光谱（优于棱镜之处）。

角色散率只与色散元件的性能有关。2022/12/2627优秀课件，精彩无限！(3)光栅的性能指标光栅的特性可用色散率和B、光栅的线色散率

f为会聚透镜的焦距。在实际工作中，常用倒线色散率：用dλ/dl表示

dλ/dl

值越大，色散率越小线色散率还与仪器的焦距有关。D=2022/12/2628优秀课件，精彩无限！B、光栅的线色散率f为会聚透镜的焦C、光栅的分辨能力

光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。在波长相近的两条谱线中，当一条谱线波长的极大值正好落在另一条谱线波长的极小值上时，认为这两条线是可分辨的。实际工作中，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；2022/12/2629优秀课件，精彩无限！C、光栅的分辨能力在波长相近的两条谱线D、光栅的分辨率R光栅的分辨率R等于光谱级次（K）与光栅刻痕条数（N）的乘积：

光栅越宽、单位刻痕数越多、R越大。如：宽度50mm，N=1200条/mm，一级光谱的分辨率：

R=1×50×1200=6×1042022/12/2630优秀课件，精彩无限！D、光栅的分辨率R光栅的分辨率R等于光谱级次（（4）光栅与棱镜的比较作为色散元件,光栅比棱镜要好：光栅的色散几乎与波长无关在相同色散率时，光栅的尺寸要小光栅对棱镜不适用的远紫外远红外区可以用光栅的杂散辐射，高级光谱干扰等问题已经可以解决比较高的光栅价格已经降下来（5）光栅光谱与棱镜光谱的比较1、光栅光谱为匀排光谱，棱镜光谱为非匀排光谱（短波疏，长波密）2、光栅光谱分级，棱镜光谱不分级2022/12/2631优秀课件，精彩无限！（4）光栅与棱镜的比较2022/12/2031优秀课件，精彩（五）狭缝狭缝由金属构成，两片刀口的边缘应锐利且位于同一平面上；

单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。2022/12/2632优秀课件，精彩无限！（五）狭缝狭缝由金属构成，两片刀口的边缘应锐分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。

分辨率用来衡量单色器能分开最小波长间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽或光谱通带（W）表示：W=DS

（D为线色散率；S为狭缝宽度）

在原子发射光谱分析中：

定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；

定量分析时，增大狭缝宽度，可得到较大的谱线强度。2022/12/2633优秀课件，精彩无限！分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也四、试样引入系统

光源与试样相互作用的场所（1）吸收池紫外，荧光分析法：石英比色皿可见分光光度法：玻璃比色皿红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片2022/12/2634优秀课件，精彩无限！四、试样引入系统光源与试样相互作用的场所2022（2）特殊装置原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态→原子；原子发射光谱分析：试样喷入火焰；2022/12/2635优秀课件，精彩无限！（2）特殊装置2022/12/2035优秀课件，精彩无限！五、检测系统（1）光子检测器主要有以下几种：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；（2）热检测器主要有：真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种热释电检测器：六、信号处理和读出系统

现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；2022/12/2636优秀课件，精彩无限！五、检测系统（1）光子检测器2022/12/2036优秀课件第二节光谱法仪器与光学器件第二章

光谱分析法导论

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instrumentsforspectro-metryandopticalparts2022/12/2637优秀课件，精彩无限！第二节第二章

光谱分析法导论anintroduc一、光谱分析仪器原理和基本结构1、光谱分析仪器原理例：紫外-可见吸收光谱----朗伯比耳定律2022/12/2638优秀课件，精彩无限！一、光谱分析仪器原理和基本结构2022/12/202优秀课件2、光谱分析仪器基本结构（1）光源(辐射源)；（2）色散元件(单色器)；（3）盛装样品的容器；（4）检测器或换能器；（5）信号处理器或读出装置(显示与数据处理)mainpartsofspectrometry2022/12/2639优秀课件，精彩无限！2、光谱分析仪器基本结构mainpartsofspec2022/12/2640优秀课件，精彩无限！2022/12/204优秀课件，精彩无限！二、光源系统--要求有足够的输出功率以便容易检测和测定.有足够的稳定性.

在仪器设计中,常将光源发出的光分为二束,一束通过试样,另一束不通过试样,测量两束光信号比作为分析的变量,用以克服光源稳定性带来的问题.差值ΔA光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器2022/12/2641优秀课件，精彩无限！二、光源系统--要求有足够的输出功率以便容易检测和测定.有足

依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等依据光源性质不同，分为：1、连续光源：应用于紫外-可见吸收，分子荧光、分子磷光、红外吸收光谱中。能在较大波长范围提供连续波长的光源如：氢灯、氘灯、钨丝灯等在紫外光区最普通的光源是氢灯或氘灯.需要特别强的光源时,选用高压、充有氩气、氦气或汞蒸气的充气弧灯.

可见光区,采用钨丝灯.

红外光源,采用将惰性固体加热到1500-2000K2022/12/2642优秀课件，精彩无限！依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、2022/12/2643优秀课件，精彩无限！2022/12/207优秀课件，精彩无限！2、线光源—应用于原子吸收、原子荧光以及拉曼光谱中

提供特定波长的光源，常见的有：金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、无极放电灯等；紫外和可见光区----汞蒸气灯和钠蒸气灯原子吸收和原子荧光光谱----空心阴极灯和无极放电灯2022/12/2644优秀课件，精彩无限！2、线光源—应用于原子吸收、原子荧光以及拉曼光谱中2022/空心阴极灯阴极:钨棒作成圆筒形，筒内熔入被测元素阳极:钨棒装有钛,锆,钽金属作成的阳极管内充气：氩或氖称载气，极间加压500--300伏，要求稳流电源供电。2022/12/2645优秀课件，精彩无限！空心阴极灯阴极:钨棒作成圆筒形，筒内熔入被测元素2022/空心阴极灯的原理

施加适当电压时，使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，发射出相应元素的特征谱线-----共振谱线。用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。2022/12/2646优秀课件，精彩无限！空心阴极灯的原理施加适当电压时，使阴极表面的金属原子溅3、激光光源—高单色性，方向性强，亮度高，相干性好拉曼光谱，分子吸收光谱，发射光谱，傅立叶变换红外光谱等2022/12/2647优秀课件，精彩无限！3、激光光源—高单色性，方向性强，亮度高，相干性好2022/三、波长选择系统2022/12/2648优秀课件，精彩无限！三、波长选择系统2022/12/2012优秀课件，精彩无限！色散元件的功能：使光发生色散，使光按照波长顺序排列，常用光栅或棱镜狭缝的功能：采光，即采集按照波长顺序排列的而一定波段的光进入检测系统进行检测狭缝的选择:

一般来说,狭缝越小，光谱的分辨率越高,越接近真实光谱.但狭缝太小光信号太弱,检测器难以有效测到光信号.

所以,如果需要得到高分辨率光谱,可以采用较小宽度的狭缝.

如果进行定量测定,则适当采用较大宽度的狭缝.2022/12/2649优秀课件，精彩无限！色散元件的功能：使光发生色散，使光按照波长顺2022/1（一）单色器：将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带的装置。主要部件：（1）进、出口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线传播的透镜或反射镜

（3）色散元件(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；（4）聚焦透镜或凹面反射镜：使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像2022/12/2650优秀课件，精彩无限！（一）单色器：将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带的装置。棱镜单色仪—用来色散紫外、可见和红外辐射2022/12/2651优秀课件，精彩无限！棱镜单色仪—用来色散紫外、可见和红外辐射2022/12/20光栅单色仪—有透射光栅和反射光栅。2022/12/2652优秀课件，精彩无限！光栅单色仪—有透射光栅和反射光栅。2022/12/2016优(二)滤光片1、吸收滤光片---由有色玻璃或夹在玻璃两片间的分散在明胶薄层中的吸光染料组成。适用于可见光区。特点：带宽较宽，透射效率低。用于较简单的定量测定，便宜，较好的热稳定性。2、干涉滤光片---由两层半透明银膜和银膜间的介电薄膜（氟化钙或氟化镁）组成。可获得较窄的辐射宽带。

波长选择性比吸收滤光片好。2022/12/2653优秀课件，精彩无限！(二)滤光片2022/12/2017优秀课件，精彩无限！（三）棱镜—根据光的折射现象进行分光棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；

2022/12/2654优秀课件，精彩无限！（三）棱镜—根据光的折射现象进行分光棱镜对不同波长的棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，表示偏向角θ对波长的变化率；

棱镜的顶角α越大或折射率n越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；

2022/12/2655优秀课件，精彩无限！棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；（1）色散率（2）分辨率

相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：；两条相邻谱线的平均波长；△λ：两条谱线的波长差；b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；

分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。2022/12/2656优秀课件，精彩无限！（2）分辨率相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：（四）光栅

通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。常用的光栅刻痕密度每毫米为1200条、1800条或2400条；根据工作方式不同分为：透射光栅，反射光栅（平面反射光栅，凹面反射光栅）；2022/12/2657优秀课件，精彩无限！（四）光栅通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；2022/12/2658优秀课件，精彩无限！光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共(1)光栅的色散原理光栅公式：d(sinα±sinθ)=Kλ=nλα、θ分别为入射角和衍射角；K或n为光谱级次,K=0,

±1,±2,…整数

d为光栅常数(mm):相邻两刻痕间的距离λ为入射光的波长2022/12/2659优秀课件，精彩无限！(1)光栅的色散原理光栅公式：d(sinα±sinθ)=K光栅公式

d(sinα±sinθ)=Kλdsinα为相邻入射光波Ⅰ与Ⅱ的光程差；dsinθ为相邻衍射光波Ⅰ’与Ⅱ’的光程差；d(sinα±sinθ)为光波ⅠⅠ’与光波ⅡⅡ’的总光程差；加号表示衍射光和入射光在光栅法线的同侧减号表示它们在光栅法线的异侧；当一束复合光以一定的入射角α照射光栅时，不同波长的单色光在不同衍射角θ的方向发生干涉。2022/12/2660优秀课件，精彩无限！光栅公式d(sinα±sinθ)=Kλ2022/12/

在某一光谱级次中，即当K,α,d一定时，波长愈长的单色光，衍射角愈大。对于给定的光栅，可以通过旋转光栅转台来获得需要的波长范围和光谱级次。2022/12/2661优秀课件，精彩无限！在某一光谱级次中，即当K,α,d一定时，波（2）几种典型的光栅A、凹面反射光栅B、闪耀光栅C、中阶梯光栅D、全息光栅2022/12/2662优秀课件，精彩无限！（2）几种典型的光栅2022/12/2026优秀课件，精彩无(3)光栅的性能指标光栅的特性可用色散率和分辨率来表征A、当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：

dθ/dλ为衍射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。

当θ很小，且变化不大时，cosθ≈1，光栅的角色散率决定于光栅常数

d

和光谱级数K

。可见光栅的角色散率为一个常数，不随波长改变，是均排光谱（优于棱镜之处）。

角色散率只与色散元件的性能有关。2022/12/2663优秀课件，精彩无限！(3)光栅的性能指标光栅的特性可用色散率和B、光栅的线色散率

f为会聚透镜的焦距。在实际工作中，常用倒线色散率：用dλ/dl表示

dλ/dl

值越大，色散率越小线色散率还与仪器的焦距有关。D=2022/12/2664优秀课件，精彩无限！B、光栅的线色散率f为会聚透镜的焦C、光栅的分辨能力

光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。在波长相近的两条谱线中，当一条谱线波长的极大值正好落在另一条谱线波长的极小值上时，认为这两条线是可分辨的。实际工作中，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；2022/12/2665优秀课件，精彩无限！C、光栅的分辨能力在波长相近的两条谱线D、光栅的分辨率R光栅的分辨率R等于光谱级次（K）与光栅刻痕条数（N）的乘积：

光栅越宽、单位刻痕数越多、R越大。如：宽度50mm，N=1200条/mm，一级光谱的分辨率：

R=1×50×1200=6×1042022/12/2666优秀课件，精彩无限！D、光栅的分辨率R光栅的分辨率R等于光谱级次（（4）光栅与棱镜的比较