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科技搶鮮報─微型光譜儀的特性及應用


第2期 2014年1月24日

 

微型光譜儀的特性及應用

近年來微型光譜儀已漸漸被全球工業界與學術界廣泛使用。因傳統光譜儀的光學結構相對較為複雜,需透過光柵的旋轉來進行光譜掃描,不僅量測速度相對較慢、體積較大,且電動旋轉台的架構也可能造成系統的耐用性較差。

美國的StellarNet團隊發展微型光譜儀已有超過二十年的經驗,此架構包括入射狹縫、准直鏡、分光光柵、聚焦鏡和感測器,其內無任何需要移動的光學部件。此外其體積輕巧、堅硬鋁合金外殼並兼顧散熱的氣流優化設計,亦可大幅提高光譜儀的使用壽命及量測的穩定性。待測光源經由位置固定的光柵來分光,而接收光的偵測器則使用CCD、光電二極體陣列(PDA)等,即可直接對整個光譜做快速掃描,因此樣品量測時間非常快速。光譜儀經由USB線與電腦傳輸數據,收光使用較廣泛的SMA905光纖輸入,波長的量測的範圍可達紫外光、可見光以及紅外線,解析度最高可達0.04nm的波長解析度。

上圖即為微型光譜儀的簡易結構,另說明如下:
‧入射狹縫(Slit):狹縫大小可從5μm-200μm,可改變進光量及波長的解析度。
‧準直鏡片: 將狹縫的光導入變成平行光。
‧光柵元件: 使光訊號在空間上將不同的波長分散開來。
‧聚焦元件: 聚焦分散後的光束。
‧光偵測器陣列:可選擇CCD或PDA陣列。

微型光譜儀在設計上可能因為內部光學系統的光軸偏移,而造成慧差(coma)的現象。慧差會使得光在經由光柵散開時,以及被偵測器接收時,造成光譜不對稱性地增寬,結果嚴重時會導致雜散光的產生和降低光譜儀解析率。

光軸偏移所造成的另一個結果則為像散(astigmatism),因為光譜圖像的增寬,會使得其無法與CCD探測器的高度相匹配。這種不匹配的光譜圖像最終導致很多信號無法被測量到,進而降低光譜儀的靈敏度,偏偏這在很多弱光源的應用上是很重要的。有人會使用非球面光學元件的光學設計來避免這些像差的問題,但這通常會引起其他的問題,例如較低的光穿透率或系統內 表面的反射光和散射光。

要解決這兩個像差的問題,StellarNet提出一個凹面光柵的光學設計,單一光柵就可完成分光與聚焦效果,能在整個光譜範圍內達到均勻的解析率,而取得更精準的數據。因為此設計不需使用反射鏡將光傳送到檢測器,所以能讓雜散光降到最低值,這正是光譜測量上最重要的一個關鍵。此外,相對於傳統的Czerny-Turner設計中只有中心波長會是在焦點上,採用此設計時,解析率在整個光頻範圍都是恆定值的。凹面光柵校正了像差,使得更佳品質的光譜成像到探測器陣列上,進而大幅提高光譜儀的靈敏度。

針對近紅外光譜(NIR)的應用,可以搭配高性能InGaAs感測器,波長範圍可達0.9μm -2.3μm,InGaAs感測器可選擇512或1024 pixel,解析度最佳可達0.4nm。為降低熱雜訊造成量測數據的不穩定性,探測器會整合一個 電子式制冷散熱 (TEC)功能,將感測器溫度保持在-20℃、(+ / -)0.1℃的穩定度。此外還有針對不同需求可選擇高解析度(High Resolution)或超寬光譜範圍的各式光譜儀,所以現今許多應用漸漸都採用微型光譜儀來解決問題。

軟體的搭配也讓微型光譜儀的應用更顯多樣化,例如測量穿透率、反射率、吸收率,檢查物品的顏色與CIELAB,顯示irradiance Watt/Lumen,量測光的強度、XY色度和色溫...等

常見的量測應用主要有下列幾種:

發光特性量測應用:如LED,燈泡,太陽光,面板的光通量量測。
顏色量測應用:如食品,液體,布料,原料的顏色量測。
化學量測應用:可分析化學液體的吸收度,顏色,濃度。
螢光光譜應用:可測量需要高靈敏度的螢光粉,液體的光譜LED。
化學計量學分析鑑定:食品安全,飲料QC,農業飼料,製藥,油品。
拉曼光譜儀和雷射:可對拉曼光譜應用使用的各種液體,固體或粉末的樣品進行快速檢測。
顯微測量系統:材料微觀結構及表面分析,生物學,生物科技。
成分辨識系統:機油的分析,寶石檢測,防偽的分析。
薄膜量測系統:約一秒鐘可以量測從5nm到200um厚的單層或多層膜的薄膜分析。
 
 
 

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