分光光譜儀

在光輻射量測中，視效函數偵測器如下圖所示

圖 2-18 視效函數偵測器(五鈴光學提供)

與分光光譜儀常被用來當作光偵測器使用，由於早期分光光譜儀 價格與雜訊的原因不常使用，且視效函數偵測器具有偵測速度快、雜 訊低的原因，所以視效函數偵測器變成為最主要的光偵測器。隨著製 程進步，分光光譜儀的價格越來越便宜，分光光譜儀已變成目前比較 主要的光偵測器，不但使用簡單，在運算上更可以得到許多光源資 訊，但是在偵測速度上還是無法比過視效函數偵測器；而視效函數偵 測器由於鍍模技術的原因，致使藍光與紅光部分無法完全與視效函數 完全符合，所以在量測藍光或紅光 LED 時，會有 50~60%的誤差。如 下圖所示

圖 2-19 視效函數偵測器光譜響應(五鈴光學提供)

CIE 與 美 國 國 家 標 準 與 技 術 局 (The National Institute of Standards and Technology，NIST)建議在量測 LED 時盡量使用分光 光譜儀作為量測光源特性的工具。

表 2-3 分光光譜儀、視效函數偵測器優缺點比較

分光光譜儀 視效函數偵測器 偵測速度 3ms ~ 4s 1ms

準確性 全波段皆優 藍、紅光較差

雜訊 低 非常低

價格 中等 低

2.4.1 光譜儀工作原理

下圖為 Ocean Optics USB 2000+分光光譜儀的系統架構。

圖 2-20 分光光譜儀之基本結構

光經由光纖進入狹縫(2)之後產生繞射使光束擴散，光線進入分 光光譜儀內後，擴散光經過反射鏡(4)之後變成平行光，平行光在光 柵(5)被分光產生光譜之後曲折，曲折光射入反射鏡(6)之後光譜更擴 散，經過擴散之後的光譜，射入了線性電荷耦合元件(Linear Charge Coupled Device，CCD)，透過 CCD 變成由光訊號轉換成電訊號，在經 過類比數位轉換之後，數位訊號被電腦接收，變成了我們所看到的光 譜。分光光譜儀的應用廣泛，在此最常見的應用是用來量測材料的反 射率、穿透率、吸收率以及顏色辨識等等應用。

2.4.2 波長值校正

一般來說分光光譜儀在出廠的時候波長值都會經過波長值校 正，若光譜儀未經過校正，只能當作光偵測器，而無法當作分光光譜 儀。分光光譜儀利用汞燈特有的線光譜特性，不同於一般的連續光譜 光源，以方便定義出波長的位置，達到光譜波長校正的目的，如下圖 所示

圖 2-21 汞燈的光譜分布(五鈴光學提供)

由於分光後光譜為奈米(nm)所以，遠遠的小於 CCD 的單一像素 (Pixel)的面積微米(nm)，所以 1nm 往往會包括 3~4 Pixel，假設校 正不正確的話，波長差異會到 0.3nm~0.4nm，首先找出波峰與汞燈對 應的波長值，並固定參數，接下來把剛剛波長對應的 Pixel，利用線 性數值迴歸方法，計算出每個像素對應的波長值，最後使用已知的雷

射波長讓分光光譜儀量測波長值，例如氦氖雷射(He-Ne Laser)的波 長為 632.8nm。波長值校正步驟如下圖所示

圖 2-22 波長值校正流程圖