撰稿 | OSANJU 赵一心
近日，美国加州大学戴维斯分校生物医学工程系的Vivek J. Srinivasan团队报告了过量的噪声相关可以表征光谱仪的光谱分辨率，并在宽带宽内交叉校准它们的波长。与以往的光谱仪特性和校准方法不同，这种过量噪声相关法计算简单、全面、快速。它可以在现场应用，为指导光谱仪校准和确定波长对应关系提供必要的信息。该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Incoherent excess noise spectrally encodes broadband light sources”，Aaron M. Kho为第一作者，Vivek J. Srinivasan为通讯作者。
以波长为基础的测量光强的光谱仪，在生物医学、农业和安全等许多领域具有应用价值。光谱分辨率是指光谱仪区分精细光谱特征的能力。在将光分散到探测器阵列的普通光谱仪设计中，理想的光谱分辨率是由传感器像素的等效光谱宽度和色散元素分辨率决定的。像元的串扰和光学像差，会降低光谱分辨率。实践中，光学元件的最佳位置是很难预先给定的制造公差，并仍然需要对准。此外，对于不同规格的家用和商用光谱仪，需要对波长进行交叉校准，以比较光谱特征，校准和规格还可能会随着光谱仪的磨损而改变。总的来说，为了提高使用光谱仪的研究的严密性和再现性，存在两个尚未满足的需求：1.光谱仪分辨率的快速和全面的表征，2.光谱仪波长的逐像素校准。
为了提供解决这些问题的方法，Vivek J. Srinivasan团队转向宽带光源中的过量噪声。“过量”指超过基本量子散粒噪声的强度噪声，在迄今描述的光子学应用中，过量的噪声会降低性能。而该研究表明，过量的噪声使宽带光具有高分辨率光谱编码，而不是一种不利因素，这是光谱仪表征和交叉校准的天然管道。
在上述基础上，研究人员开发了一个简单的策略来表征光谱仪的光谱分辨率，创建两个不同光谱仪的像素之间的精确映射的方法，即交叉校准。研究人员在多光谱范围内进行验证，显示了该方法在超连续谱和超发光二极管光源上的广泛适用性。然后，演示了通过提高光谱分辨率的多可见光光学相干断层扫描(OCT)光谱仪及两个完全不同的光谱仪的交叉校准的高精度。因此，该研究的光谱仪表征和交叉校准方法代表了过量噪声的独特应用。
过量噪声自相关矩阵(图1a)是根据单个像素时间轨迹估计并校正镜头和探测器噪声的，这是描述光谱分辨率的方法基础。镜头噪声必须是像素之间不相关的，方差与像素灰度成比例，而过量噪声方差是灰度的平方。在实际应用中，可以根据过量噪声与散粒噪声和探测器噪声的二次光强相关性来区分过量噪声和探测器噪声。在传感器的边缘可以看到更宽的准对角线宽度，意味着光谱分辨率下降(图1b)。对于用于小鼠视网膜成像的可见光OCT光谱仪，光谱分辨率直接与从窄线宽和干涉测量方法获得的光谱分辨率进行比较，这三种方法在大多数光谱仪范围内都很一致(图1b)，证明了过量噪声方法的有效性。
回到可见光OCT光谱仪，将传感器在垂直和轴向平移错位，以研究对光谱分辨率和强度的影响。垂直失调导致聚焦线丢失传感器，降低强度(图1c)，而轴向失调使照射到传感器的光线散焦，降低强度和降低光谱分辨率。由于该实验的不对称像素大小为10 x 20微米，光谱分辨率比强度对轴向失调更敏感(图1d)。因此，强度和光谱分辨率是互补的，两者都是精确的光谱仪校准所必需的。
超连续谱噪声提供的光谱编码还通过一个互相关矩阵(图2a)帮助多光谱仪进行交叉校准。自相关矩阵的行和列表示同一光谱仪的像元，互相关矩阵的行和列表示不同光谱仪的像元，它们的相关性是根据同步时间历程计算出来的。高相关表明测量的波长相似，对于一个光谱仪中的每个像素，具有最大相关性的像素在波长上最接近(图2b)。通过在两台光谱仪上同时测量窄波段绿色和红色激光器的强度分布，该研究验证了光谱仪间校准的有效性(图2c,d)。对于两个指定的对应点，在两个光谱仪的指定波长(图2e)的差异是0.013纳米。因此，利用该方法，给定A光谱仪的波长校准，B光谱仪就可以进行准确的校准，交叉校准方法最终可以改善使用多个光谱仪的OCT系统的性能。
https://doi.org/10.1038/s41377-020-00404-6
