光谱技术 | 用灵活的光谱光学配置测量反射率

2023-11-28 14:20:38 北京爱蛙科技有限公司

通过反射光谱我们可对两个颜色相近或不同质地的物体进行对比分析。不同样品表面反射的光是由于样品本身特定化学物质的吸收、散射或透射引起，所以我们还能通过反射光谱信息获得样品的成分组成。

反射测量的优势：

无损测量：可重复测量大多数类型的样品，而不会影响样品；

定量技术：在确定样品颜色或检查物体之间的差异方面，比人眼更精确；

多样化应用：对系统进行相应配置，可对汽车零件、涂漆和涂料、咖啡豆和水果以及生物样本等样品进行镜面反射和漫反射测量。

一、什么是反射率？

反射是指入射在材料表面上并在界面处反射的光。没有被样品反射的光则被吸收、散射或透射。非常光滑或光亮的镜面表面具有很高的镜面反射率，其中入射光沿同一方向反射。粗糙或无光泽的表面具有漫反射，入射光向各个方向散射。大多数表面表现出镜面反射和漫反射的组合。

简单的反射率测量公式：

反射率 = (反射光量 / 入射光量) x 100%

其中，反射光量是指物体反射的光量，入射光量是指物体入射的光量。

在实际测量中，需要使用专业的仪器来测量反射光量和入射光量，然后才能计算出反射率。

二、反射测量配置搭建

海洋光学光谱仪和配件可以进行数十种不同的反射率和颜色测量配置，下图是以探头作为采样装置的样品反射系统：

➀ 光谱仪

对于大多数应用来说，诸如 Ocean HDX 或 Flame 这样的主力光谱仪都是相当不错的选择，而超快速的 Ocean FX 或工业级 FD-D8 系列为在线反射率和颜色测量提供了更强大的选择。NIRQuest+ 光谱仪可满足您的近红外（900-2500 nm）需求。

选择光谱仪时还有一些注意事项：

使用与相应波长范围相匹配的光栅配置光谱仪：海洋光学提供大多数光谱仪的预配置版本，具有最适合大多数反射应用的可见光、近红外波长范围选择（因光谱仪型号而有所不同）。

对于需要积分球的反射应用，可以考虑使用灵敏度增强型光谱仪。一些预配置型光谱仪（型号名称带有 -ES 后缀）配套有光学平台配件，可提高收光效率。在带有不透明或高度定向样品的应用中，积分球用于收集表面总积分反射率，-ES 型号光谱仪能够提供增强灵敏度，可发挥更大的作用。

对于工业应用，请考虑采用一套完整的解决方案。海洋光学拥有有各种工具和丰富经验，可帮助您在具有挑战性的环境中测量反射率和颜色。例如，可以将 Ocean HDX 作为组件、子系统或配套系统集成到您的工艺生产线中，或者从更集成的方案开始，例如 FD8 系列系统。

➁ 光源

选择反射测量光源最重要的一点在于，找到一个在相关波长范围内具有强输出的光源。对于颜色测量或进行模拟人眼的测量，光源需要覆盖 380-780 nm 的波长范围。对于有机材料的化学成分，近红外或红外光会提供更多信息。除极少数特定情况外，窄光源无法提供足够的有用信息，因此可以排除激光器和大多数 LED。

可见光光源。钨卤素光源的输出范围宽广、变化平滑，非常适合可见光波长下的反射率，以及分拣或颜色应用。HL-2000 系列是这方面的理想选择，其中包含标准、长寿命和大功率版本。我们推荐HL-2000-HP-FHSA 型号，这款光源配有大功率灯泡（光线太强是个很好的问题！）和内置快门（便于进行暗场测量而不会干扰您的测量系统）。

紫外可见光光源。氘钨灯和氙灯光源均可用于进行紫外可见光反射率测量，两种光源各有其自身的优势。氘钨光源在 190-2500 nm 波长范围内具有宽广、平滑变化的光谱和稳定的输出，并且由于其输出来自两只不同的灯泡，因此光谱的紫外和可见光部分可以单独使用。

相比之下，氙灯光源具有非常锯齿状和脉冲的光谱，但在紫外中具有良好的输出。光谱平均对于获得优质测量结果必不可少。由于氙灯光源使用 12 VDC 电源，因此可用于现场紫外反射率测量。

近红外光源。HL-2000系列光源的输出可达近红外，大约 2500 nm。即使在较长波长时强度下降，但这种影响也会被我们近红外光谱仪中的探测器具有的高灵敏度所抵消。

➂ 光学采样附件

您是测量镜面反射率、还是漫反射率？是平面、还是不规则形状？采样附件的选择取决于各种因素。

反射探头。反射探头非常适合进行快速测量，也适合需要对小光斑尺寸进行采样的应用。可以将探头定位，以测量镜面反射率或漫反射率，并且与光谱仪和光源兼容（前提是探头光纤与光源的波长范围相匹配）。但也存在一定的不足之处，探头从相同方向亮起并进行探测，因此只能探测到部分反射光。使用反射率探头进行的测量是相对测量。此外，探头固定座可用于将探头以 90° 或 45° 的角度固定到表面上。

积分球。如果样品的反射率似乎在不同视角上发生变化，使用积分球则是一个好办法。这种情况经常发生在样品的粗糙表面，例如拉丝金属和塑料部件、鱼鳞和谷物。积分球具有 180° 的反射光视角范围，可用于凸曲面，或测量足够小而适合装入球体的物体的颜色。海洋光学积分球可检测 6 mm 或 8 mm 的样品光斑尺寸。

积分球的这种特殊功能来自于其完美的扩散内表面。光线通过圆形输入端口进入，并被球体的内壁反复散射，直到球体内部的光是均匀的，无论输入中的任何空间、角度或偏振变化如何。光纤与输入端口呈 90° 放置，然后对球体内的一小部分光进行采样，并将其传输到光谱仪。光纤端口前面的挡板有助于阻挡从样品端口首次反射的光。

准直透镜。在进行反射率测量时，将准直透镜添加到光纤中，可以自定义入射角和收光角。可以通过这种方式测量镜面反射或漫反射，但要预先进行更多校准，以及额外的夹具。此外，需要仔细调整准直透镜，避免光束发散并获得良好的信号，因此这种方法更加耗时。最后，我们获得的经验是，使用准直透镜和光纤进行颜色测量时，难以实现精准操作，其精确度不如使用积分球进行的颜色测量。

➃ 反射标准板

如果没有参考标准板，反射系统则不完整。反射率测量结果是反射光谱与入射光谱的比率。由于无法收集入射到表面上的所有光，因此通常相对于参考标准板来测量反射率。

您选择的反射标准板应与您正在测量的样品具有相似的反射率，以便在测量期间保持信号电平大致相同，并实现最佳信噪比性能。您可以选配以下选项：

漫反射标准板。WS-1 漫反射标准板配有一块 PTFE 漫射板，呈哑光白色，反射率 >98%，波长范围 250-1500 nm。WS-1-SL 采用 Spectralon 材料，在现场或在受污染环境中工作时，是很好的选择；如果出现凹陷或脏污，则可以进行磨平、抛光和清洁处理。

镜面反射标准板。STAN-SSH高反射率镜面反射参考标准板是测量非常光亮表面的最佳选择，光线波长范围为 250-2500 nm，反射率在 85%-98% 范围内变化。这可在 OceanView 软件中进行校正；只需上传反射率值，然后根据标准板的反射率加以校正。此数据随 STAN-SSH-NIST 校准的参考标准板自动提供。如果未应用校正，OceanView将假定标准板在所有波长上都是 100% 反射，从而产生失真的数据。

在另一种极端情况下，STAN-SSL低反射率镜面反射标准板最适合镜面反射率值很低的表面，例如薄膜涂层、抗反射涂层、遮光滤光片和基板。其反射率仅为~4.0%。波长范围为 200-2500 nm。

内容来源：爱蛙科技编辑整理

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