光子的旅途-從發生到光譜
光子的旅途-從發生到光譜
應用在光譜學中的光子遇到許多元件並且經歷各種過程後，才在螢幕上顯示成為光譜。他們在 Ocean Insight 的光譜儀裡到底遭遇了什麼?
1.激動的開始
用在光譜學的光子可以從太陽或星星的反應中產生，或是從燈泡、LED、雷射中發射出。甚至可以從日常材料中激發出來，像是螢光或拉曼散射。無論源頭是甚麼，每個光子都是以特定波長產生的，並且將在其整個生命週期中(從僅僅數納秒到數十億年)攜帶著該波長。
2.通往狹縫的坎坷道路
當光子穿過空間時，他們可能會被他們所遇到的材料反射、傳輸、散射或吸收。通過將結果的光與初始光量進行比較，可以了解所遇到的材料或樣品的特性。這是因為光子以某種方式與材料相互作用的機率隨材料的化學和物理結構以及光子本身的波長而變化。與材料的每次相互作用都會過濾、改向或簡單地消除各種波長的光子。
3.指引之路
光纖纜線是一種將光從一個點傳送到另一個點的方便辦法。多模光纖通過全內反射引導光，作為光管將光從一個位置改向到另一個位置，而不受環境光的干擾。光纖甚至可以在拐角處「彎曲」光，並大大簡化了將光路由到光譜儀的過程。
大多數的 Ocean Insight 光纖在它的尖端使用 SMA 905 接口來連接光譜儀，這帶來了緊密、無對齊的耦合在光纖末端及光譜儀的入口 - 狹縫。
4.排成一列，拜託!
狹縫是一個非常窄的孔徑，受到小心引導的光子流沿著相同方向行進可以通過該孔徑。典型的狹縫只有 1 毫米高，寬度從 5 微米到 200 微米不等。大多數狹縫是長方形的，但有些狹縫可能是橢圓形的，以提高光學性能。狹縫越寬，可以通過的光子就越多(吞吐量更高)，但代價是光學解析度降低(FWHM更高，這意味著某些峰可能看起來比實際更寬)。
5.準直
通過狹縫的光子仍會在空間中發散(光束通過狹縫後會擴張)，因此他們第一個停靠的地方是準直鏡。這具有聚焦效果，可以讓光子彼此平行前進，因此不會朝不需要的方向散射。
6.繞射
准直鏡同時將光子反射到反射式繞射光柵，後者按波長將光子分離出來。「藍色」光子(約450nm)被反射到一個角度，而「紅色」光子(約700nm)則會被反射到更大的角度。這是根據波長分離收集到的光裡最重要的一步，允許對每個波長進行離散量測。
7.細微聚焦
離開繞射光柵後，新的分散光被送到聚焦鏡，將每個波長的光反射到探測器上，並且稍微聚焦。探測器是一個線性陣列的CCD像素，很像數位相機但是是一維的線而不是二維的長方形。每一個像素會收集非常狹窄的波長範圍的光子。
8.預估權衡
光譜儀的範圍和解析度是一個根據配置的函數。一個較窄的光譜範圍通常有著較高的解析度，可以用在像是雷射表徵的應用；而較寬的範圍則會有較低的解析度，這對一般的化學研究像是蛋白質吸光度來說是可接受的。然而，使用更大體積的光譜儀和更廣範圍的繞射光柵可以最大限度地減少對範圍和解析度的權衡。
9.充電!
每一個探測器的像素都充當收集特定波長光子的井。井在每個積分周期開始時都「充滿著」電荷。每次光子撞擊井，就會消耗一部分的電荷。積分時間越長，每個像素能收集到的光子也越多；然而，一旦電荷消耗殆盡，該像素就會「飽和」。就收集不到新訊號。實際上，每個光子在撞擊探測器時就被消耗掉，並且釋放能量；我們不會再見到他了。
10.進入矩陣
當每個積分週期結束後，就會讀取探測器上每個像素的電荷多寡。該讀數被傳到ADC(類比數位轉換器)，他會將每個像素的電壓轉換成特定的「計數」。從現在開始，我們將會追蹤「強度計數」(或光譜)在電子儀器中的流向。
11.動態範圍
將每個像素的模擬電壓轉換為離散量時，ADC的解析度在確定光譜的動態範圍方面發揮著重要作用。一個12位元的ADC只能表現從0到4095(212)的數值，所以最高峰和基線之間的最大範圍是4096個計數。相比之下，16位元的ADC能顯示從0到65535(216)的離散波長強度，而18位元的ADC能提供更多。
12-13.從電荷到PC
光譜通過USB從光譜儀的微控制器複製到PC主機上。不同的USB版本的傳輸資料速度不同，這會影響到掃描速度(每秒可以讀取的光譜數)。此外，除了USB，也有不同的傳輸方式，包括RS-232、藍牙、乙太網路和Wi-Fi，各有優缺。
14.最後的驅動
通過USB讀取光譜對用戶來說並不復雜，但有很多事情必須正確完成。幸運的是，大多數非常低級階的USB功能已經通過現代計算機操作系統免費提供的低階USB設備驅動程序實現了自動化。此外，在Ocean Insight，我們使用應用驅動程式實現了大部分高階光譜儀控制功能的自動化。通過幾行代碼，使用者將能夠使用他們喜歡的驅動程序組合輕鬆讀取和處理光譜。
15.運行能多簡易?
有幾個適用於Windows的優秀USB驅動程式，包括Cypress ezUSB和Microsoft自己的WinUSB(最適合在64位元)。Linux和MacOS使用開源的libusb。Ocean Insight 高級驅動程序「包裝」或「調用」這些第三方驅動程序，這樣你就不必學習它們有時晦澀難懂的協定。
16.應用驅動程式
Ocean Insight 應用驅動程式和軟體開發工具包提供高級函數調用，如 getSpectrum() 和 setIntegrationTime() 來控制你的光譜儀和檢索數據。
驅動程式可以使用不同的程式語言和平台來快速編寫自定義的光譜應用和GUI。支援C、C++、C#、LabVIEW和其他程式語言。
17.光譜後處理
有多種技術可以用來處理你的光譜數據:
• 電子暗噪聲校正(EDC): 減去「沒接光的暗像素」的平均值以校正讀出噪聲和熱漂移。
• 非線性校正(NLC): 使用在原廠校準的七階多項式來校正像素在接近飽和時的響應。
• Boxcar平均: 通過將每個像素與其相鄰像素進行平均來平滑高頻噪聲。
• 掃描平均: 通過平均多個光譜提高訊噪比(SNR)。
18.光程尾聲
我們的光子之旅到此結束。從他的產生，到他在光譜儀內的遊歷，再到他到達探測器的像素單元，光子沿著一條必經之路前進。
當每個光子的「命運」被記錄下來並數位化為數據時，沿途的額外停頓會引導我們以我們可以理解的格式繪製光譜圖形。通過使用機器學習進行更複雜的光譜處理，我們可以將數據轉化為洞察力-你尋求的答案。