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模块化光谱仪反射应用解决方案

模块化光谱仪反射应用解决方案

摘要

模块化光谱仪为不同物质的测试提供简单、易操作、易更换的样品测试系统,可以帮助客户实现实验室、现场的一体化解决方案。

 

使用光谱仪进行反射测量,就类似于人眼对所看到的物体反映一样(红色还是绿色呢?),但是更具量化和客观性。通过反射光谱测量我们可以对两个颜色相近或者不同质地的物体进行对比分析。基于不能从样品表面反射的光是由于样品本身特定化学物质的吸收或者散射或透射引起,所以我们还能通过反射光谱信息获得样品的成分组成。

 

反射包括镜面反射和漫反射。当光照射到非常光滑的表面(例如镜子或者玻璃)会发生镜面反射,这时候反射角等于入射角。相对的,不光滑表面就会发生漫反射,它的反射光是不规则的,四面八方的。我们观察到物体的颜色大多数是基于漫反射,而那些非常晃眼的或者非常光亮的样品表面大多数是镜面反射和漫反射同时存在。当我们对物体进行反射测量时,判断物体表面主要是哪种反射类型是非常重要的,另外需要判断我们是否要接收全部还是部分的反射光。在食品应用中,大多数反射测量都是基于漫反射来测定的。

 

Specular Reflection

镜面反射

 

Diffuse Reflection

漫反射

 

样品的反射光谱数据可以通过CIE颜色定义进行颜色计算,从而对不同物体进行区分筛选或者质量控制。可以测试的样品可以包括汽车零部件、油漆、咖啡豆、染发或者蜥蜴,同时我们还提供测量样品所需的附件。接下来我们就反射测量系统(光谱配件、探头等等)进行详细分析。

 

反射探头

Reflection Probe QR400-7-VIS-NIR

标准反射探头:QR400-7-VIS-NIR

 

当我们需要快速测量样品或者应用在样品表面非常小的采样点时,反射探头就是非常理想的选择。它既可以测量镜面反射,也可以测量漫反射,而且可以基于光源和光谱仪的配置不同,选择不同类型的光纤(UV-Vis或者 Vis-NIR)。探头的发射光和反射光是同一方向的,接收到的光是反射光的一部分,所以使用反射探头测量反射光谱是一种相对测量。

 

透反射支架(图1)是用来固定反射探头的标准配件,同时也可以用于透射测量。使用透反射支架,可以有效地减少光源对样品的过度加热,对于生物样品或者有机样品,还有那些低熔点的样品非常重要。

 

STAGE-RTL-T

图1

 

反射探头(图2)在与发射光同一方向进行收光,所以可以用于镜面反射或者漫反射。从图2中可以看出,探头的周围有6根入射光纤组成,中心25°接收的位置为1根接收光纤。从图中我们很直观地认为6根为接收端,但其实我们使用1根为接收端连接到光谱仪更为有效。这是因为光源通过6根光纤以圆锥形的方式入射到样品表面(图3),而中心的光纤能收集到所有这些光斑反射回来的光(图3中红色部分)。

 

 

reflection probe 6-around-1 close-up图2  Making Measurements with Reflection Probe图 3

 

镜面反射的测量,需要将探头以90°方式固定在样品表面。对于漫反射测量,探头与样品的表面的需要有一定角度。需要记住的是,从光纤照射到样品表面的光,需要一定的空间来形成反射光,所以探头需要与样品有一定的距离。另外不能让探头刮伤样品的表面。使用反射探头支架,能很好地固定探头与样品表面的距离,获得良好的反射测量数据。图4为标准的反射探头固定件RPH-1,图5为使用在弯曲表面的反射探头固定件CSH-1

 

RPH-1 reflection probe holder 图4 Curved Surface Probe Holder 图5

 

如何计算反射探头的光斑

 

Advanced Measurements Reflectance

当使用90°接收反射光时,样品表面的光斑直径可以使用1/2d(d=探头到样品的距离)的近似值进行计算。45°角接收,光斑大小在0.44d~0.63d之间。

 

为了更清晰地弄懂反射探头是如何从样品表面收光的,将收光光纤直接对准光源观察就行,收集到的样品表面的光斑就是您从光源观察到的形状。如果您使用RPH-1探头支架,可以将该探头反过来观察或者使用一张白纸作为样品来观察光斑的大小。

 

积分球

 

ISP-50 Gloss Trap 1

图6

 

反射式积分球(图6)是测量反射的理想选择,它可以用来测量粗糙表面的样品,比如:拉丝金属表面,鱼鳞和谷物。积分球可以180°收集样品表面的反射光,所以它能尽可能多地收集样品表面的反射光。反射式积分球还能使用在弯曲表面,或者颜色测量。海洋光学提供5mm和8mm收光孔径的反射式积分球。

 

Integrating Sphere

图7

 

积分球的魔力就是它能将样品表面发射的光很好地在积分球内部进行匀化,然后再耦合到光谱仪。反射光通过圆形的入射光孔径进入积分球,然后经过分球内壁涂抹的特殊涂层材料的均匀反射(不论是任何方向的入射光)。积分球的工作原理参考图7。

 

自由光路中使用的准直透镜

 

74-series-collimating-lens

图8

 

在做反射测量时,准直透镜可以使用在光纤的末端来准确地固定入射光和反射光的角度。镜面发射或者漫反射都可以使用这样的测量方式,但是我们需要固定夹具来对测量系统进行固定。准直透镜必须预先调焦来避免光束的发散,来保证获得更好的光谱,虽然这回浪费更多的时间,但是这确必不可少。另外,我们还发现颜色测量中使用准直透镜和光纤的测量方法,不如使用积分球测量来的准确。

 

动态测量颗粒状样品

 

http://oceanoptics.com/wp-content/uploads/DynaCup-Image-480x480.png

图9

 

动态样品测量是基于样品台旋转或者直线移动来对样品进行测量,并获得测量的平均信号。这种测量方式避免了结果的多样性,提高了样品测量的均一性结果,特别是对于谷物、种子和土壤类等不均一的样品,是比较理想的选择。

 

另外,动态样品测量是提高测量一致性的有效方法,特别是在颜色应用和UV-Vis反射测量中,同时它还能简单有效地提高光谱测量的重复性和精确度。图9为动态样品台的样例图。

 

 

 

粉末和高粘度液体样品应用

 

r400_angle_probe

10

 

带一定切角的反射探头(图10)非常适用于颗粒状样品和高粘度液体样品。45°切角的探头切面,可以将入射光与样品之间的距离延长,另外探头表面的保护材料,可以确保探头可以直接插入到粉末或者液体样品中进行测量,从而获得重复性良好的反射光谱。

 

Rx Probe with Powders

一般反射探头同时可以搭配比色皿或者显微底座镜来测量少量样品的反射率。当入射光从比色皿或者显微镜底座照射到样品表面时,探头同时可以接收到样品反射回来的光。与坑洼不平的样品表面测量相比,平整表面可以获得更连续的光谱数据。

 

总结

 

海洋光学为您的反射测量提供多种多样的采样附件,这可以为实验室或者原位测量提供更合理的解决方案。另外,我们的应用工程师也可以根据您的具体应用给您选配不通过的光源,光谱仪,光纤和采样附件,具体的可以联系海洋光学。

反射率测量典型配置图

反射率测量典型配置图

典型配置清单:

USB4000-UV-VIS

General-purpose spectrometer preconfigured with 600 l/mm grating set to 200-850 nm, 25 µm entrance slit and order-sorting filter

DH-2000-CAL

Deuterium-tungsten halogen light source (~215-2500 nm)

QR400-7-VIS-NIR

Reflection probe (6-around-1 fiber design), optimized for VIS-NIR response, 2 m length

RPH-1

Fixture for holding 1/4″ (6.35 mm) diameter reflection probes, simple positioning of probe at 45° or 90°

STAN-SSH

Specular reflectance – options for high and low specular reflectivity; Calibrated standard – NIST-traceable version available

OceanView

Spectroscopy software

 

光纤光谱仪