反射光譜法-一種分析固體樣品的有用技術

　　光譜學的力量在于它能夠以各種方式研究材料和環境。例如，通過應用反射技術，光譜儀用戶可以測量入射到固體材料表面并在界面反射的光；沒有被樣品反射的光被吸收、散射或透射。這種相互作用揭示了構成樣品的材料的信息。

　　在本文中，我們將回顧反射光譜的一些基礎知識，描述常見的系統組件和實踐，并分享一個使用反射光譜進行質量控制的應用示例。


　　鏡面反射和漫反射

　　非常光滑或有光澤的鏡面具有很高的鏡面反射率，其中入射光以相同的方向反射(圖1)。明亮或有光澤的物體，如光學元件、薄膜涂層和一些金屬產品，會顯示鏡面反射率。
　　入射到粗糙或暗淡表面樣品(包括紙張、粉末和顆粒)上的光具有漫反射，其中入射光向各個方向散射(圖1)。其他樣品，如塑料珠，具有鏡面反射和漫反射。這種組合稱為全反射。
　　在配置光譜系統來測量這些特性時，了解待研究樣品反射特性的差異是非常重要的。


　　反射光譜儀系統設置

　　今天的模塊化光譜儀選項允許用戶混合和匹配組件-光譜儀，光源，采樣光學器件等。-優化各種應用的反射設置(圖2)。以下是一些需要考慮的標準：


　　攝譜儀

　　對于大多數研究應用來說，通用光譜儀是一個很好的選擇，盡管專業型號可以用于高速應用(例如，在生產線上分揀組件)和其他工業環境。此外，許多微型光譜儀可以集成到設備中，用作制造的組件、子系統或完整的自動化系統。

　　選擇光譜儀時，請確保為光譜儀配置與感興趣的波長范圍相匹配的檢測器和光柵。它為紫外、可見光和近紅外反射應用提供了良好的選擇。


　　光源

　　選擇反射的光源最重要的是在感興趣的波長范圍內找到輸出強的光源。當測量用于顏色分析或模擬人眼時，光源需要覆蓋380-780 nm。近紅外或紅外光將提供更多關于有機材料化學成分的信息。除了少數情況，窄光源不能提供足夠有用的光譜響應，所以可以排除激光器和大部分led。

　　對于在可見光波長范圍內的應用，鹵鎢燈源的寬而平滑的輸出非常適合于可見光波長的反射和分選或彩色應用。建議使用大功率燈泡內置快門的型號，既方便暗測又不打擾你的設置。

　　也可以選擇寬波長光源。氘-鎢光源在190-2500 nm范圍內具有平滑穩定的輸出，并且由于它們的輸出來自兩個不同的燈泡，因此可以分別使用光譜的紫外和可見光部分。它們的輸出也延伸到近紅外波段，盡管其強度在更長的波長會降低。無論選擇哪種光源，在測量前一定要預熱光源。鹵化鎢源通常需要15-20分鐘的預熱時間來達到熱平衡，以確保結果。另外，光源一旦預熱，不要關掉進行暗測；請使用源上的快門。


　　取樣光學系統

　　取樣附件的選擇取決于許多因素，包括待測樣品的類型以及是否需要鏡面反射、漫反射或兩種特性都需要。以下是一些常見的選項：

　　反射式探頭非常適合快速測量和需要對小光斑尺寸進行采樣的應用。反射式探頭可測量鏡面反射或漫反射，并可與探頭支架一起定位，以獲得入射角。一個權衡是，大多數反射探頭從同一方向照射和檢測，因此它們只捕獲部分反射光。使用反射探頭的測量是相對測量。

　　如果樣品的反射率在不同的視角下似乎會發生變化，積分球是一個不錯的選擇。這種情況發生在粗糙的表面上，例如刷過的金屬、顆粒和粉末。積分球具有180反射光視圖，可以提供更精確(和)的反射率測量。積分球甚至可以用于凸面，或測量小到足以放入球孔的物體的顏色。

　　積分球具有擴散的內表面。光通過圓形輸入端口進入，并被球體的內壁反復散射，直到球體中的光是均勻的，而不管輸入中的任何空間、角度或偏振變化。將一根光纖與輸入端口成90角放置，然后將球內的一小部分光取樣送入光譜儀。光纖前面的擋板有助于次阻擋從取樣口反射的任何光。

　　準直透鏡是另一種反射采樣選擇。鏡頭可以連接光纖，真正定制入射角和收集角。鏡面反射或漫反射可以用這種方法廉價地測量，但是它需要預行更多的校準，并且需要用光學平臺或其他附件進行額外的固定。準直透鏡需要仔細調整，以避免光束發散并返回良好的信號，這使得它成為一種更耗時的采樣方法。

　　無論您選擇哪種采樣光學元件，請確保在您的設置中保持相同的采樣幾何形狀-即，保持從探針或球體到參考的角度和距離，并在每次測量中使用相同的采樣。


　　反射標準

　　反射率測量是反射光譜與入射光譜之比。因為不可能直接收集所有入射到表面上的光，所以反射率通常是相對于參考標準來測量的。

　　漫反射和鏡面反射的標準廣泛可用，在紫外-可見-近紅外波長范圍內的反射率約為88%-98%。知道反射率標準只能用NIST溯源校準值提供測量值。對于一些漫反射標準，僅在相對測量中提供結果。這意味著不管收集角度如何，標準品在所有波長的反射率幾乎相同。漫反射標準(Spectralon和PTFE是常見的擴散器)是用于探頭、透鏡或積分球的多功能選擇。

　　如果您丟失了漫反射標準，或者它變得太臟或損壞，無法進行打撈參考測量，請不要使用白紙作為替代品。紙并不像看上去那么白。

　　一塊聚苯乙烯泡沫會更好。它提供漫反射，并在可見光范圍內具有相對均勻的反射率。請記住稍后用適當的參考標準測量聚苯乙烯泡沫，并相應地校正所有光譜。

　　鏡面反射標準提供了更多的功能。高反射率樣品(非常光亮的表面)和低反射率樣品(如抗反射涂層、阻擋濾光片和基底)都提供了選擇。鏡子標準可以包括諸如熔融玻璃基板上的玻璃或鋁鏡子的材料。


　　反射率應用示例

　　確保印刷電路板(PCB)的質量包括在板級表征用于吸收光的黑色涂層的鏡面反射和漫反射特性。這對光學儀器中的PCB尤其重要，因為儀器中的光反射會對系統性能產生不利影響。

　　理論上，黑色表面應該吸收所有波長的光。實際上，黑色表面涂層有許多變化，其吸收和反射特性隨波長而變化。

　　為了測試這一點，使用具有鎢鹵素光源和400 m反射探針的模塊化光譜儀(350-1000 nm)來測量涂覆有三種黑色涂料(平黑、亮黑和黑色黑板漆)的PCB的反射光譜。

　　為了顯示這些樣品的反射率相對較低，我們使用灰度標準(~20%漫反射率)作為我們的參考。積分時間范圍為20-120毫秒，boxcar設置為掃描5次和20次達到平均水平。用于測量的環形支架支撐反射探頭支架，黑色蓋子保護設備免受環境光的直接照射。使用反射探針支架，在相對于涂層表面成45度(漫反射)和90度(鏡面反射)布置的探針上進行測量。

　　結果，出現了一些意想不到的驚喜。鏡面反射率數據顯示，黑板漆的反射率，而光澤黑漆的反射率約為10倍(圖3)。之前我們記得定義為“99%”的參照物其實是20%的漫反射標準，這個比例看起來可能有點奇怪(光面黑漆的反射率是250%)。

　　當檢查漫反射數據(圖4)時，我們觀察到在可見光范圍內，平的和光滑的黑色涂層具有相似的光譜響應。這表明這些色素在顏色上看起來與眼睛非常相似，盡管其中一個樣品的反射性明顯更強。涂料在NIR中開始顯示差異，這表明任何賦予涂料光澤的物質都可能是NIR反射化合物。令人驚訝的是，黑板漆似乎比其他黑色涂料具有更高的漫反射率。警告：反射探頭只有在45度照射和觀察時才顯示漫反射。

　　在本例中，一個簡單的模塊化光譜儀裝置測量PCB上黑色涂層的漫反射和鏡面反射特性。從這些相對簡單的測量中產生的光譜數據可用于選擇的光學平臺涂層，以減少雜散光并提高儀器性能。

　　由于光譜學及其應用的進步，這種相對簡單的反射測量令人興奮的是它在類似應用中的可擴展性。事實上，隨著反射光譜等技術的多功能性，今天的模塊化光譜儀供應商可以幫助各種市場的用戶應對從研究和科學應用到工業和OEM解決方案的挑戰。