揭秘：微型光谱仪之光子历程

　　在微型光纤光谱仪中，光子会经历一个曲折而漫长的过程，从光子的产生、传输，光电转换，模拟信号到数字信号，再到通过电脑将光谱展示出来。过程是曲折的，但结局是美好的。那么光子在微型光纤光谱仪中都发生了些什么?

　　光子历程将从光的激发开始。光子可以来自于大自然中的太阳、星辰，日常生活中的光源、LED或者激光，也可以来自于荧光物质或者由拉曼散射产生。无论光子源于哪里，不同光子都能产生特定的光谱谱线，而光谱的形成伴随着光子的一生，从产生到消亡。

　　光子在到达狭缝前，会经历一个崎岖的旅程。光子在自由空间中传播时，会被传输过程中其他物质反射、透射或者吸收。不同的物质会在不同波长情况下相互作用的时候过滤、更改或者消除不同波长的光子。光纤作为最基本最简单的耦合工具，可以将光从一个单点耦合至另一器件中，并且能防止其他杂散光的进入。光子在到达狭缝前，通过光纤可以更顺利的到达光谱仪，减小损耗，降低噪音影响。

　　狭缝是光子进入光谱仪狭长细小的入口，它能保证光子尽可能有效地耦合到光谱仪内部。狭缝越大，通光量越大，但是光学分辨率越差，所以狭缝在选择大小尺寸时，需要权衡通光量和光学分辨率的大小。

　　光子通过狭缝进入光谱仪内部，仍在一个自由空间内传播，到达第一个元器件为准直透镜。由于准直镜可以保证所有光子都以平行路径到达下一个元器件，确保所需测量的光束不发散或者散射，所以可以使光束最大利用率的得到使用。

　　准直镜将光反射至衍射光栅上，光栅将不同波长的光进行分光。分光作为一个重要的阶段，将光束分为不同波长段，使光谱仪有效地检测不同波长的光信息。

　　衍射光栅发射出来的光再通过聚焦镜进行聚焦，保证每个波长的光都尽可能地投射到检测器上。一维线性排列的CCD或CMOS检测器，每个像元能够接收窄范围波长的光子。

　　每个像元以量子阱的形式工作，收集特定范围的光子。当积分时间开始时，量子阱开始接收满电压电荷。当一个光子撞击量子阱时，同一时间量子阱内电荷就得到释放。积分时间越长，每个像元就会接收到更多的光子。一旦电荷释放完成，单个像元阱就会饱和，那新的光子信号就不会被采集。当光子撞击检测器的同时，即转换成了电信号，这时光子能量完成释放，光信号转换为电信号的过程也随之结束。

　　之后进入到数字模拟阶段，积分时间完成时可以通过检测像元读出电荷水平值。读出的模拟信号通过AD(模拟-数字)转换器，可以将每个像元的电压值读出成特征的“counts”强度值。通过数字处理，由光子信号而来的电信号就转换成数字信号，即光子转换成数据。当光子在光谱仪中的旅程结束也就意味着另一个旅程的开始——电信号的转换，软件的输出。

　　当从光谱仪读出相关光谱后，希望读出的光谱数据是非常平滑且不失真的数据，这时候就需要利用光谱处理技术对原始光谱进行平滑和过滤：电子暗噪声扣除，由“光学暗像素”获得的平均电子暗噪声，可以校准读出噪音和温度躁动偏移;非线性校准，使用出厂校准7阶函数对光谱仪进行校准，确保每个像素点的响应成线性关系;平滑度，通过设置平滑次数，可以对每个像素和与之相邻像素的测量值进行平均;平均次数，通过增加平均次数提高信噪比。

　　处理后的光谱数据可通过USB从micro的转接口与电脑连接进行数据传输。在未来产品中，除了USB通讯连接，光谱仪还提供其他的通信方式，如蓝牙、太网、WiFi等。

　　从光子的产生、光谱仪中的传输、到达检测器像元，数据的处理及传输，光子经历了一段崎岖的旅程。微处理器，检测器和光纤光学的不断发展，使得光谱技术不仅仅局限于实验室中，微型光纤光谱仪将把光谱技术带到人们的日常工作中，改善人们的生活方式。

（来源：海洋光学）