光譜儀量測穿透率

傳統的機械工程師對看得見、摸得到的東西都能夠理解、想像，
也可以很快進入狀況。
但是對光、波、聲音、輻射、電、磁、熱、流這一類摸不到甚至看不到的，事情就大條了，
而且在相關領域的專家一般也不容易碰到，而且還要人家願意教...
更慘的是基礎知識領域完全不同，
用的專有名詞常常也都不一樣，
要學還真的要有緣分跟運氣。

像光譜量測對我來說算是一個新的領域，
常常看到光譜，LED光譜、太陽光譜、可見光譜...
但是要怎麼量？

我不是學光電，也不是作相關實驗，也沒進過非破壞檢測實驗室，
坦白說還真得不知道要如何下手；
每次看到同事或文章講到量測光譜，只能抱著敬畏的心情遠觀。

但是好奇心與強烈的求知慾，碰到這種新東西實在會忍不住心中燃燒的小宇宙。

所以查詢了一堆光譜儀的資料，記錄下整理的心得：光譜儀量測的概念；
但是還是沒用過。

從網路文章上鎖定了Hamamatsu的光譜儀，Mini-Spectrometer，
挑了一個寬波段、高解析的跟廠商借測，
原本不抱任何期望，
沒想到代理商對這個新市場也是頗有興趣，
還真的從日本調了樣品機到台灣來給我試試。

證明了真的要動手作了才會有感覺。

東西到了，安裝隨附的光譜量測程式，再接上機器，
比想像中容易的操作介面，還蠻容易上手的。

所以不知天高地厚的來跟大家分享一下光譜量測的過程與計算穿透率的方法。

Hamamatsu提供了一個MiniSpecEvaluation程式，
要記得先安裝好程式，才能接上Mini Spectrometer，
使用USB接上後，就可以使用程式中的"Update list"功能偵測與電腦連線的光譜儀，
如果有偵測就會顯示偵測到的光譜儀數量，
透過USB接了幾台就會出現顯示找到幾台，
接下來使用"Open Spectrometer"功能開啟要使用的光譜儀，
先不看量測的設定。

這一個程式的操作使用功能其實很基本也很簡單易學，
"Start Monitor"指令功能可以即時顯示目前光譜儀讀到的光譜值，
"Start Measure Mode"、"Start Reference Mode"、"Start Dark Mode"功能，光譜儀會讀取一次光譜值，
並分別儲存到記憶體中暫存，
可以利用顯示控制的功能"Tool" -- "Artithmetic"功能選擇是否要顯示Reference跟Dark數值，
也可以決定在顯示Reference跟Measure mode 數值時自動減掉Dark mode數值。

因此在畫面上就可以清楚看到Measure、Reference與Dark三筆資料的數值圖形結果，
說真得在操作上還真的是蠻容易的。

難的問題在於量測上取Dark、Reference、Measure mode三種數值的目的為何？

這時候重點就來了。

電子儀器難免都會有雜訊，光譜儀的核心是一個線型CCD或CMOS感測器，
如同在工業相機中的介紹，會有雜訊、動態反應範圍等等性質。
其中Dark Mode的目的就是要在沒有開光源的情況下先記錄一筆背景值，
這個背景值包括電子儀器本身電路產生的雜訊，
而且這個雜訊訊號是浮動的，會隨溫度等條件飄移，
除了電路雜訊外，另外就是環境中的各種輻射線，
不要懷疑！
環境中除了光以外，這些微量的輻射線會使感測器產生光電轉換效應產生訊號疊加在電路雜訊上輸出。

這些訊號對使用光源作參考進行量測時是一個不可避免的背景雜訊，
因此稱為"Dark Mode"，也就是不給控制光源情況下感測器的訊號輸出光譜值。
以借測的Hamamatsu光譜儀為例，Dark Mode的平均值約470，最高最低會加減20，
而且是從短波長往長波長遞減，這也是正常的現象，
我猜是因為短波長、高能量的輻射線對矽晶圓感測器來說敏感度比較高，
因此造成Dark Mode光譜值從短波長往高波長呈現遞減的趨勢。

再來要建立控制光源的光譜值，也就是Reference Mode的光譜值，
目的就是將單純僅有光源通過空氣所呈現的光譜值紀錄下來，
因此，當有物件置於光源跟光譜儀中間時，
就可以將取得的量測值來跟光源的量測值作比較，
進而計算出穿透率或吸收率。

在這裡要注意的是，參考值的強度分布狀態會影響到不同波長在計算穿透率的準確性，
理想中的光源是可以呈現完美的均勻性，
但是實務上要製作這種光源的成本很高，也很難，
所以在選擇適合的光源就很重要，會影響到光譜儀計算的準確度。

假設Dark mode量測到背景雜訊的光譜值為[S].D，
Reference mode量到光源的光譜值為[S].R，
Measure mode量到物件的光譜值為[S].M
那該物件的穿透率可以用以下公式計算：

T% = ( [S].M - [S].D ) / ( [S].R - [S].D ) * 100 %

如果光源未穿透全部是被該物體吸收，
穿透率的結果就可以換算成該物件的吸收率：

A = - log10 (T)

所以其實用光譜儀在控制環境下量測穿透率或吸收率比想像中來得容易，
有機會可以來試試。