以往光譜檢測設備不僅體積大，價格也相對昂貴，使得光譜檢測成為一種被局限在實驗室裡的技術，但隨著數位光源處理(DLP)技術與數位微鏡元件(DMD)出現，現在光譜檢測設備已經可以微型化，成本也大為降低，可望創造出更多新應用。
光譜檢測是一種強大的非接觸式技術，可透過光線不同波長的吸收或反射/發射的變化，快速辨識出某物體所含的物質成分。以往光譜檢測設備不僅體積大，價格也相對昂貴，使得光譜檢測技術成為一種被局限在實驗室裡的技術，但隨著數位光源處理(DLP)技術與數位微鏡元件(DMD)出現，現在光譜檢測設備已經可以微型化，成本也大為降低，可望創造出更多應用空間。
光譜檢測應用多元 食衣住行都有發揮空間
光譜檢測的運作原理是將光線分配為空間分散的波長頻段，將其照射在待測物上，觀察其對不同波長的光波會有何種反應，然後透過資料庫比對，確認待測物中所含有物質成分的技術。除了可見光之外，近紅外線(NIR)和短波紅外線(SWIR)範圍的分子振動模式資訊尤其豐富，因此分子光譜應用主要運用這個波長範圍來進行檢測工作。
圖1是光譜檢測概念的示意圖，透過上述工作原理，測試人員很快檢測出待測物內的物質成分。此圖亦用視覺化的方式呈現DLP DMD反射鏡陣列如何展開頻譜，該陣列本質上是一種可編程的波長選擇濾鏡，可實現光譜檢測所需的分光功能。
圖1 光譜檢測利用光揭露材料特性。
光譜檢測技術可以應用在眾多工業、醫療及科學領域。這份清單還在持續擴展中，因為隨時都會有成本更低、效能更高、更經濟實惠的分光計問世，從而催生出新的應用。目前經常使用到光譜檢測技術的個別產業包括製藥業、食品與農業、石化業、製造業(化學與塑膠)、醫療業以及保全業等。
除了檢查某特定物質是否存在於待測物中外，光譜檢測還可用於檢查材料品質，例如物體中某種特定物質的濃度，判斷其含量是否超標；也可搭配主成分分析(PCA)和化學計量學，分析待測物品的完整化學成分。
現有光譜解決方案各有缺陷
光譜術分為許多類，包括放射(亮線)光譜檢測，主要用於元素分析；直接吸收或反射光譜檢測，主要用於分子分析；以及拉曼光譜檢測，用於分子分析。
除了各種類型的光譜檢測技術外，檢測設備的光學及偵測方法設計也有很大的不同。分光計設計中的光學元素包含反射鏡和鏡頭，同時也使用透射及反射繞射光柵，將光線分散到其組成波長。但是，要選擇用來記錄強度與波長資料的感測器，卻是一大難題。
有一種方法為使用單點(非陣列)偵測器(圖2)。對於可見光，或甚至近紫外線的波長，可用晶片式光電二極體作為偵測器。對於近紅外線和紅外線波長，偵測器可能使用銦鎵砷半導體製作的光子裝置或輻射熱計、熱電耦、熱電等熱裝置。單點偵測器需要若干物理性移動，才能掃描繞射光柵所產生的光譜，對所有波長進行取樣。這通常是透過轉動繞射光柵來達成，但這樣的機械解決方案需求較高，且有潛在的問題，對於可攜式系統而言更是如此。
圖2 使用旋轉光柵和單一元素偵測器的分光計。
在某些波長範圍(可見光、長波長UV和NIR範圍：約350900nm)，可能是晶片式CCD影像陣列較為實用(圖3)，這些影像陣列與科學攝影機所用的類似。若使用陣列偵測器，就不需要在光學鏈中使用移動元件，使機械設計更為簡單且耐用。此外，這些感測器的資料擷取方式與攝影機的影像擷取有類似的優點。可見光波長範圍的陣列具有高解析度、優異的靈敏度，且成本合理。
圖3 使用陣列偵測器的分光計。
在IR範圍(尤其是波長大於1μm的光波)，需要使用更多外部半導體，但陣列偵測器既成本昂貴、解析度低，也不易取得。在某些情況下，為了降低成本，或可允許感測器上存在畫素壞點，或畫素對畫素有不一致的情況，但卻會使分光計所能發揮的效能受到限制。
幾乎所有的NIR和IR光譜解決方案(尤其是超過1.7μm的光波)，都必須主動將偵測器的溫度降到環境溫度以下，才能減少暗電流的效應，並改善其動態範圍，而這通常可透過單階段或多階段的熱電致冷器(TEC)來達成。
雖然陣列偵測器能在某些波長範圍下得到優異的結果，但NIR和IR範圍卻需要高價且低解析度的外部半導體偵測器陣列，導致採用陣列偵測器的NIR和IR型分光計解決方案的價格上揚，並對其效能造成限制。
DLP突破現有技術瓶頸
從分光計設計的歷史來看，DLP DMD堪稱理想的解決方案，可以解決上述多項問題。另外，該公司也於近期推出了DLP4500NIR，該產品為首款近紅外線微機電系統(MEMS)數位微型反射鏡元件(DMD)，同時還推出DLP NIRscan平臺，可讓開發人員設計出新一代高效又實惠的光譜解決方案。
DMD是由數十萬到數百萬個微型反射鏡所組成的陣列。DLP DMD獨特的架構使得分光計能夠採用較大的單一偵測器來取代高價的陣列偵測器，同時仍能支援強健耐用，沒有移動零件的光學平臺。
圖4顯示如何將DMD插入光學路徑中，以便選擇特定的波長範圍供單一偵測器進行測量。要選擇個別波長時，就是選擇性地開啟或關閉特定反射鏡的直欄，只將需要的波長反射到偵測器上。在IR/NIR波長範圍中，此種設計能使用高效能且具成本效益的單一元素偵測器，同時提供選擇波長時的靈活度、速度和機械穩定度。
圖4 使用DLP DMD和單一元素偵測器的分光計
圖5是DMD型分光計的光學配置。此種功能強大且可編程的設計架構，讓設備製造商得以分析更多種近紅外線物質，且效能更高、價格更低，同時還能實現系統小型化，以便用於現場分析或將光譜分析功能整合到其他設備上。
圖5 DLP NIRscan EVM的光學路徑和組件圖解
.DLP DMD解決方案提供許多勝過現有分光計解決方案的優點，包括DMD的直欄數比陣列內可用數量更多，因此波長解析度高於陣列偵測器。
.DMD型分光計解決方案的偵測器面積和光線捕捉效率，大於陣列偵測器。相較於較窄的陣列偵測器，DMD提供的受光面積較大(垂直於分散頻譜)，因此可從樣品捕捉更多光線。DMD允許使用更大尺寸的單一像素偵測器(13mm)，而一般陣列偵測器的像素尺寸為3050μm。
.在指定測量時間內，DLP解決方案能達到更優異的訊噪比(SNR)，讓設計人員可在更短的時間內完成更準確的測量，進而能夠測量到新物質或難以偵測的物質。某些陣列偵測器通常需要0.5至1秒 (甚至長達10秒)的整合時間，但是這些偵測器的宣傳廣告都聲稱擷取時間為10毫秒。使用DLP時，完整掃描只需要不到0.5秒，且能提供預期的SNR。
.DMD型分光計能夠校正排除雜散光的效應，藉此達到最佳化，且成本比非DMD型系統更低。
.DLP技術所提供的單一元素偵測器方法可消除像素瑕疵或不一致所導致的偵測錯誤，而這些問題常出現在低成本陣列型解決方案。DLP分光計可於組裝時透過軟體進行校正，而且能在各種溫度、年限和機械振動的環境下維持穩定。另外，DMD分光計簡單的機械構造和耐用特性可簡化製造和校準程序，軟體式校正則確保量產時各裝置均能具備一致的效能。
可編程功能帶來更多彈性
可編程的DLP DMD使分光計設計人員享有更多彈性，可設計出簡單或複雜的掃描模式，進而使單點設備能夠測量更多種物質。DLP架構實現了調適式掃描技術，而這種技術憑著陣列偵測器或旋轉光柵的設計是不可能達成的。此外，軟體還能根據先前的測量結果調整掃描方法，從而實現更加「即時最佳化」的分析方式，帶來更多彈性，而不只是拉長掃描時間。幾種常見的實現方法包括：
.自動調整SNR，持續SNR掃描：作法是動態調整掃描速率或停留時間，甚至在光譜的各種子範圍內進行調整，即可達成此目標。
.自動光學通量控制：改變直欄的反射鏡數量(直欄高度)，即可調整反射通量的大小。
.「作業中」控制解析度和波長範圍：變更掃描直欄的寬度，進而依需求改變解析度；掃描光譜的子範圍時，可用高於周圍較不相關範圍的解析度進行掃描。
.有多重模式的化學計量法：將計算得到的模式組合依序套用到DMD，以查看化學物質特有的光譜特徵。
另外，DMD能夠採用較大的單一偵測器，取代高價的陣列偵測器，大幅降低分光計的成本，同時還能提升其功能。同時，DMD型分光計簡單的機械構造和耐用特性可簡化製造和校準程序，軟體式校正則確保量產時各裝置均能獲得一致的效能。
高效/彈性光譜解決方案加速DLP應用
DLP技術為光譜應用提供多項優點，而採用DLP技術後，已克服許多現有分光計在設計上的不足。藉由DLP技術，現在設計人員已能夠設計出兼具高效能、耐用、彈性且具成本效益的光譜檢測系統。
(本文作者任職於德州儀器)
（責任編輯：王博軒 HT002）