在微型光纖光譜儀中，光子會(huì)經(jīng)歷一個(gè)曲折而漫長(zhǎng)的過程，從光子的產(chǎn)生、傳輸，光電轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)，再到通過電腦將光譜展示出來。過程是曲折的，但結(jié)局是美好的。那么光子在微型光纖光譜儀中都發(fā)生了些什么?

　　光子歷程將從光的激發(fā)開始。光子可以來自于大自然中的太陽、星辰，日常生活中的光源、LED或者激光，也可以來自于熒光物質(zhì)或者由拉曼散射產(chǎn)生。無論光子源于哪里，不同光子都能產(chǎn)生特定的光譜譜線，而光譜的形成伴隨著光子的一生，從產(chǎn)生到消亡。

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　　光子在到達(dá)狹縫前，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)崎嶇的旅程。光子在自由空間中傳播時(shí)，會(huì)被傳輸過程中其他物質(zhì)反射、透射或者吸收。不同的物質(zhì)會(huì)在不同波長(zhǎng)情況下相互作用的時(shí)候過濾、更改或者消除不同波長(zhǎng)的光子。光纖作為最基本最簡(jiǎn)單的耦合工具，可以將光從一個(gè)單點(diǎn)耦合至另一器件中，并且能防止其他雜散光的進(jìn)入。光子在到達(dá)狹縫前，通過光纖可以更順利的到達(dá)光譜儀，減小損耗，降低噪音影響。

　　狹縫是光子進(jìn)入光譜儀狹長(zhǎng)細(xì)小的入口，它能保證光子盡可能有效地耦合到光譜儀內(nèi)部。狹縫越大，通光量越大，但是光學(xué)分辨率越差，所以狹縫在選擇大小尺寸時(shí)，需要權(quán)衡通光量和光學(xué)分辨率的大小。

　　光子通過狹縫進(jìn)入光譜儀內(nèi)部，仍在一個(gè)自由空間內(nèi)傳播，到達(dá)第一個(gè)元器件為準(zhǔn)直透鏡。由于準(zhǔn)直鏡可以保證所有光子都以平行路徑到達(dá)下一個(gè)元器件，確保所需測(cè)量的光束不發(fā)散或者散射，所以可以使光束最大利用率的得到使用。

　　準(zhǔn)直鏡將光反射至衍射光柵上，光柵將不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行分光。分光作為一個(gè)重要的階段，將光束分為不同波長(zhǎng)段，使光譜儀有效地檢測(cè)不同波長(zhǎng)的光信息。

　　衍射光柵發(fā)射出來的光再通過聚焦鏡進(jìn)行聚焦，保證每個(gè)波長(zhǎng)的光都盡可能地投射到檢測(cè)器上。一維線性排列的CCD或CMOS檢測(cè)器，每個(gè)像元能夠接收窄范圍波長(zhǎng)的光子。

　　每個(gè)像元以量子阱的形式工作，收集特定范圍的光子。當(dāng)積分時(shí)間開始時(shí)，量子阱開始接收滿電壓電荷。當(dāng)一個(gè)光子撞擊量子阱時(shí)，同一時(shí)間量子阱內(nèi)電荷就得到釋放。積分時(shí)間越長(zhǎng)，每個(gè)像元就會(huì)接收到更多的光子。一旦電荷釋放完成，單個(gè)像元阱就會(huì)飽和，那新的光子信號(hào)就不會(huì)被采集。當(dāng)光子撞擊檢測(cè)器的同時(shí)，即轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，這時(shí)光子能量完成釋放，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程也隨之結(jié)束。

　　之后進(jìn)入到數(shù)字模擬階段，積分時(shí)間完成時(shí)可以通過檢測(cè)像元讀出電荷水平值。讀出的模擬信號(hào)通過AD(模擬-數(shù)字)轉(zhuǎn)換器，可以將每個(gè)像元的電壓值讀出成特征的“counts”強(qiáng)度值。通過數(shù)字處理，由光子信號(hào)而來的電信號(hào)就轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即光子轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)。當(dāng)光子在光譜儀中的旅程結(jié)束也就意味著另一個(gè)旅程的開始——電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，軟件的輸出。

　　當(dāng)從光譜儀讀出相關(guān)光譜后，希望讀出的光譜數(shù)據(jù)是非常平滑且不失真的數(shù)據(jù)，這時(shí)候就需要利用光譜處理技術(shù)對(duì)原始光譜進(jìn)行平滑和過濾：電子暗噪聲扣除，由“光學(xué)暗像素”獲得的平均電子暗噪聲，可以校準(zhǔn)讀出噪音和溫度躁動(dòng)偏移;非線性校準(zhǔn)，使用出廠校準(zhǔn)7階函數(shù)對(duì)光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保每個(gè)像素點(diǎn)的響應(yīng)成線性關(guān)系;平滑度，通過設(shè)置平滑次數(shù)，可以對(duì)每個(gè)像素和與之相鄰像素的測(cè)量值進(jìn)行平均;平均次數(shù)，通過增加平均次數(shù)提高信噪比。

　　處理后的光譜數(shù)據(jù)可通過USB從micro的轉(zhuǎn)接口與電腦連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在未來產(chǎn)品中，除了USB通訊連接，光譜儀還提供其他的通信方式，如藍(lán)牙、太網(wǎng)、WiFi等。

　　從光子的產(chǎn)生、光譜儀中的傳輸、到達(dá)檢測(cè)器像元，數(shù)據(jù)的處理及傳輸，光子經(jīng)歷了一段崎嶇的旅程。微處理器，檢測(cè)器和光纖光學(xué)的不斷發(fā)展，使得光譜技術(shù)不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室中，微型光纖光譜儀將把光譜技術(shù)帶到人們的日常工作中，改善人們的生活方式。

（來源：海洋光學(xué)）