台灣超微光學超高解析度泛用型光譜儀之介紹與應用

OtO台灣超微光學已於2023年推出超高解析度泛用型光譜儀-天璣Phekda（PD）系列產品，此機型採用創新的T-R-T（穿透-反射-穿透）光路設計，解析度高達0.1nm，可滿足窄波段範圍下超高解析度量測的需求。創新T-R-T光路設計擁有波段範圍高客製化的彈性，400~1000nm、900~1700nm的範圍內皆可依客戶個別需求製作。PD天璣超高解析度系列光譜儀，目前已應用在OCT光學同調斷層掃瞄、LIBS雷射誘導擊穿光譜、VCSEL光達檢測、Thin-film 膜厚檢測與Raman拉曼檢測等應用，為高解析度量測客戶的最佳解決方案。

OCT領域
OCT的應用範圍不僅限於眼科、心臟血管內科、皮膚科、肝膽腸胃科等醫療用途，還正積極為在再生醫學等生物領域、鍍膜厚度和雷射焊接監控等工業領域的應用開展研究開發及產品化，可見其市場正在蓬勃發展中，市場中以全球眼科用OCT的市場規模為最大，一份來自英國市場調查公司IMARC的報告指出OCT市場在2021年為14億1,000萬美金，預計2022年到2027年以13.40%的年複合成長率擴大，2027年將達到31億6,000萬美元。

目前應用在OCT的產品講求超高解析度，但相對應的就是成本過於高昂。此次OtO台灣超微光學推出的PD天璣系列產品，藉由穿透型準直鏡與聚焦鏡搭配反射型光柵的T-R-T光學架構，搭配0.2ms或0.4ms曝光時間的高速CMOS感測器，同時可滿足客戶的5kHz或2.5kHz高速量測與對解析度的要求（0.1nm），又可大幅降低使用成本。

LIBS與VCSEL應用

在元素分析相關技術中，雷射誘導擊穿光譜（Laser-induced Breakdown Spectroscopy），簡稱LIBS，是近年越來越受到矚目的檢測方法。LIBS原理為利用雷射脈衝的方式，使材料表面吸收雷射能量，讓表面溫度升高形成等離子體，等離子體包含了激發的離子和原子物質等，而激發態的離子會在發光之後回到基態，藉由收集到的原子發光光譜波長與強度等特徵資訊，完成樣品的元素定性定量分析。理論上，LIBS可檢測所有元素（H~U），所以LIBS可應用在礦物元素成份分析、珠寶鑑定、煤礦分析……等領域上。

垂直共振腔面射型雷射（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL），屬於紅外線雷射技術的一種，擁有共振腔設計、光發散角度小、光電轉換效率高、資料傳輸速度快等優點。因此VCSEL產品應用範圍極廣，各領域開發需求日漸蓬勃，例如IR遠距離安全監視照（850nm）、紅外線油墨驗鈔設備（850nm）、皮膚深層醫療雷射（850nm）、3D感測辨識技術（940 nm）、AR/VR擴增實境及虛擬實境（940 nm）、VCSEL晶圓檢測設備（850 & 940 nm）、短距離資料傳輸（850nm）、中距離資料傳輸（1310nm） 、長距離資料傳輸（1550nm）等。

VCSEL 除了在光通訊及智慧手機的感測光源應用之外，汽車自動駕駛系統的關鍵感測元件－光學雷達（又稱光達、LiDAR），則是下一個帶動 VCSEL 發展的重大應用。LiDAR 全文為「Light Detection and Ranging」，是利用雷射感知探測距離的方法，藉由發射雷射脈衝並收集前方物體反射回來訊號的時間差，來進行距離的推算，達到測量距離的目的。

而車用光達系統利用同時發射並處理多點雷射脈衝的數據，就能構築成一個具有深度資訊的 3D 環境模型，再透過識別道路標誌、汽機車、行人等靜態及動態物體的位置動作，達到自主感知的目的，幫助車輛檢測路徑中的障礙物，進而實現避障、煞停、路徑規劃等自動駕駛的應用。

針對LIBS與VCSEL光達檢測的應用，PD天璣系列產品為了達成高解析度，使用T-R-T（穿透-反射-穿透）光學設計，穿透型準直鏡與聚焦鏡的光學像差大幅度優於既有的反射型，且PD天璣光柵架構採用反射型光柵，成本優於穿透型光柵。藉由選擇不同規格的光柵以及改變光線的入射角度，客戶可在400-1000nm、900-1700nm範圍內客製超高解析度（0.1nm、0.2nm)光譜儀。

拉曼檢測

拉曼光譜（Raman Spectra）屬於振動（Vibration）光譜的一種，檢測方法為使用固定波長的雷射光源（Laser）激發樣品。當激發光與樣品分子作用時，光產生散射（scattering）情形，如果光子與分子碰撞後發生了能量交換，形成非彈性碰撞，從而改變了光的頻率，這個變化就稱之為拉曼散射（Raman scattering）。拉曼檢測可以用來了解分子鍵結與結構，還可以進一步了解分子處於什麼環境及化合物狀態等。實際應用有鋰電池充放電過程、石墨結構的變化、爆裂物檢測或是寶石鑑定中的異物分析等。市場調查機構MarketsandMarkets的一份調查報告*2指出，拉曼檢測市場從2022年的23億美元預計將成長至2027年的41億美元，年複合成長率為12.4%。

PD天璣在拉曼檢測的應用上，可針對455/532/633/785nm等雷射激發波長客製高解析度（0.1nm）光譜儀，也正在開發可見光與近紅外範圍的制冷系統，可做波長範圍400~1000nm、900~2200nm內，可將因溫度變化產生的光譜儀之電子雜訊變異影響降到最低，從而提高檢測分析的準確率，PD天璣制冷版本（MG天權）預計將在2024Q1可以正式發佈。

除了以上領域之外，PD天璣系列蘊含著更多應用的可能性，我們誠摯的邀請各領域的專家先進一同來探究光譜量測的技術，讓OtO台灣超微光學協助您開發各種應用，共同拓展應用市場。