光譜量測儀器的概念

從高中開始就對水晶、玻璃可以折射出不同的顏色很感興趣，

後來在工作上因為接觸AOI光學系統的關係，
才深刻體認到不同材質的折射、吸收對光顏色變化的影響很大，
在查其中很多光學鏡頭、濾鏡等元件資料時都有所謂的"穿透率"這個規格，
檢索相機文章也會有很多討論到"紫光"、"色散"等等各式各樣的專有名詞，
尤其是看到這些元件產生各種不同顏色的呈現，非常的有趣。

最近工作上的關係開始對光譜儀產生興趣，
究竟光譜儀是如何取得不同波長通過光學元件的穿透率？
首先要先瞭解有關光學元件穿透率的定義：
某一波長未穿過光學元件時抵達感測元件的強度為V0，
穿過光學元件抵達感測元件的強度為V，
穿透率 T=V/V0，
所以穿透率越高，表示光學元件對該波長光線的阻礙最少，
對原始影像的影響應該也越小。
在濾光片產業，有一個T50穿透率的規格定義，意思是指穿透率為50%的波長，例如T50@500nm跟T50@540nm，
也就是高於540nm以上跟低於500nm以下的光會被大量濾掉。
當然若要仔細點看，規格上還包括：
通過波段的平均穿透率Tavg越高越好，
跟在T50的斜率 %/nm，越陡越好。

既然穿透率作為光學元件的主要規格之一，
那在量測上自然就非常的重要。

若要反應光學元件對顏色的表現，
還需要確認在各個不同波長的穿透率都要有適當的表現。

所以應用光譜量測濾光片必須要量不同光波長的穿透率，
光譜儀第一個重點是要分光，
再把分出來的光打在特定的感測器位置，
第二個重點就是感測器如何知道是特定波長跟量測量的準確性與重複精度。

分光的方法有好幾種，用菱鏡分光、用光柵分光、用狹縫干涉分光等等，

圖片來源：Wiki

其中最簡單的一種是透過菱鏡分光到感測器上：

比較複雜的是透過光柵分光：

圖片來源：Wiki

如下圖示為廠商開發的小型光譜儀的CT(Czerny-Turner)架構示意圖：

圖片來源：海洋光學

上圖 1是光纖接頭從這裡將光線導入進入微型光譜儀，
接著經過長方形的狹縫 2 ，狹縫大小可以從 5μm到200μm，調整狹縫的的大小可以改變光波長的解析度，
光線進入後可選擇濾光器(filter) 3，將入射光波長限定在一個範圍內，把其他的波長濾掉，
然後經過反射鏡 4 讓入射光平行反射到光柵 5 上進行分光，
分出來各波長的光經由反射鏡 6，投射在感測器平面 7上。

假設打在長條型感測器上的分光後光波長從400到660nm，
感測器有1024個感測元素，
等於每個感測器元素負責260/1024=0.254nm的波長範圍的光子能量接收並轉為電位訊號輸出。

因此在光路的設計上必需能夠掌握分光後不同波長在感測器上的位置。

光譜儀上需要的元件包括：
感測器，可以說是光譜儀的核心，一般多是矽晶圓為基礎製造的CCD或CMOS元件，
例如Ocean Optics經常應用在低階版本光譜儀的Sony ILX511B
原理是利用感測器上的元件被光照射時，
會將光的能量轉換成電位訊號輸出，
因為不同波長的光在感測器元件轉換成電位訊號的效率不同，

所以必需經過適當的強度校正。

在網路上有找到一篇ibsen的比較文章，
討論市面上常見的Sony ILX511系列(較便宜)，
跟Hamamatsu的S10420 系列(較精準)，
從報告內容看起來在這個領域中，其實Hamamatsu比Sony專業很多，
Hamamatsu還有有提供感測器用的電路板，
只要接USB跟電源就可以，
連評估測試的資料讀取軟體都有，
等於自己再加上光學跟外殼等等就有機會可以DIY光譜儀；
Hamamatsu也有直接提供小型光譜儀。

其他還需要像反射鏡、菱鏡、分光光柵等可以上Edmund Optics找。

當然經費預算方便的話，可以買已經作好的整組，
例如台灣最多人用的Ocean Optics的USB 2000+，
USB2000+有很多子型號，用來處理不同波長範圍與支援不同解析度。

另外還要搭配光纖、光源以及擷取資料的電腦等，

最好是在完全遮避環境光源的情況下才能得到正確的數值。

剛好看到部落格廣告上出現台灣超微光學OtO，網址：https://www.otophotonics.com/

看該公司網頁介紹是從微機電光柵製造跨入光譜儀的研製，特色產品包括光譜儀的微型化產品、遠紅外線(~2700nm)光譜儀。

技術上特色包括：

1. 非球面MEMS光柵提高了解析度跟縮小光譜儀體積

2. 動態溫濕度補償降低在無溫控環境下的誤差

3. 整合ARM處理器與64MB記憶體可儲存光譜資料並直接進行散雜光的補償處理，加入無線傳輸技術，這一點充份發揮台廠的優勢與靈活特色。

可惜現在沒機會接觸，不然蠻想多了解與試試的，

有需要的網友可以試試支持一下台灣廠商，非廣告，我跟這家廠商沒關係^_^。