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English| 發(fā)布日期：2022-06-02 |
當(dāng)光入射到物體上時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種反射，漫反射與鏡面反射。當(dāng)一束平行光打在一表面光滑的物體上時(shí)，反射光線(xiàn)也是相互平行的，這種規(guī)律性的反射稱(chēng)為光的鏡面反射。而對(duì)于表面粗糙的物體，入射光線(xiàn)雖然是平行光線(xiàn)，但是反射后的光線(xiàn)則向各個(gè)方向分散，此種現(xiàn)象為光的漫反射。
圖1.鏡面反射、漫反射原理示意圖
物體在發(fā)生漫反射時(shí)，部分入射光在顆粒表面產(chǎn)生鏡面反射，另一部分入射光產(chǎn)生折射進(jìn)入表面顆粒內(nèi)部，產(chǎn)生吸收，且吸收強(qiáng)度與入射波長(zhǎng)相關(guān)。反射光譜即入射光強(qiáng)度與反射光強(qiáng)度的比值隨波長(zhǎng)的變化。
采集反射光譜時(shí)首先對(duì)光譜反射率已知的標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行測(cè)量，得到其光電流譜，則有：
再測(cè)量待測(cè)樣品，得到其光電流譜，又有：
兩式相除，就得到待測(cè)樣品的光譜反射率：
通過(guò)上面的計(jì)算過(guò)程，我們可以看出系統(tǒng)的光譜特性參數(shù)（測(cè)試儀器產(chǎn)生的所有影響）在最后一步被消除，也就是說(shuō)它不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，即使外部因素的影響使得系統(tǒng)的光譜特性參數(shù)發(fā)生了變化，在比較法的測(cè)量中也會(huì)被完全消除。
應(yīng)用領(lǐng)域
? 膜厚測(cè)量
? 顏色測(cè)量
? 肉類(lèi)分選
? 地物光譜測(cè)量
? 藥物成分分析
? 紡織品材質(zhì)檢測(cè)
? 農(nóng)產(chǎn)品水分、糖分定量分析
? …………
實(shí)驗(yàn)示例
本文中所用到搭建的反射光譜測(cè)量系統(tǒng)包括光源、光纖探頭、光譜儀、高漫反射校準(zhǔn)板和采樣附件。
光源可采用可調(diào)式鹵鎢燈，本文所用的鹵鎢燈是一款桌面型低功耗高光輸出的光纖耦合輸出鹵鎢燈，其波長(zhǎng)范圍覆蓋了360-2500 nm。燈泡使用壽命長(zhǎng)達(dá)6000小時(shí)。 高效優(yōu)化的光學(xué)設(shè)計(jì)使得鹵鎢燈具備低功耗高亮度輸出優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)化的穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)，確保了鹵鎢燈光源的穩(wěn)光譜輸出。
Y型反射光纖探頭測(cè)量物體反射率的原理如圖1所示，光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束多模光纖一端合并組成光纖探頭，在傳感系統(tǒng)中，一支為接收光纖，另一支為光源光纖，光纖只起到傳輸信號(hào)的作用。當(dāng)光源發(fā)出的光經(jīng)光纖照射到反射體，被反射的光經(jīng)過(guò)接收光纖連接至接收器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其輸出光強(qiáng)決定于反射體距光纖探頭距離，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)而反射光譜。利用Y型反射光纖探頭對(duì)物體采樣具有：操作簡(jiǎn)便、對(duì)待測(cè)樣品無(wú)損、對(duì)無(wú)接觸式連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。
圖2. Y型近紅外光纖示意圖
光譜儀是反射率測(cè)量系統(tǒng)中的核心部分，實(shí)驗(yàn)中采用XSM11639寬光譜高速光纖光譜儀，光譜范圍200~1100 nm，并配備雙閃耀光柵及消高階濾光片，靈敏度高，高度集成的電路和緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了光譜儀良好的通信速度和波長(zhǎng)穩(wěn)定性，使工作光譜范圍不受材料的影響。搭配近紅外石英光纖，由光纖引入光信號(hào)使儀器內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕，在一定程度上能減小外界環(huán)境的干擾。
高漫反射校準(zhǔn)板即標(biāo)準(zhǔn)白板，用于傳遞反射比的校準(zhǔn)器，可分為傳遞標(biāo)準(zhǔn)白板、工作標(biāo)準(zhǔn)白板和參比白板，其技術(shù)要求應(yīng)符合GB/T 9086-2007中5.1、5.3的規(guī)定，對(duì)于鏡面反射樣品，可采用鏡面反射標(biāo)準(zhǔn)板作為參比。
本實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備如下表所示
MS11639光纖光譜儀 | |
軟件 | UspectralPlus軟件 |
光源 | HL2000-ADJ連續(xù)可調(diào)鹵鎢燈 |
光纖 | QR600*7-VIS-NIR-2近紅外石英反射光纖 |
附件 | 漫反射標(biāo)準(zhǔn)板 |
MS光纖光譜儀：MS光纖光譜儀是一款光譜范圍為200nm-1100nm的光纖光譜儀。檢測(cè)器采用濱松COMS探測(cè)器， 16-bit A/D采樣和75%的量子效率為光譜儀提供高信噪比和大的動(dòng)態(tài)范圍。 該光譜儀在UV-VIS-NIS具有良好的響應(yīng)性能。相對(duì)常見(jiàn)產(chǎn)品， 采用雙閃耀光柵，優(yōu)化了UV 和NIR波段的光譜響應(yīng)，且提升了光譜儀靈敏度20%效率，并有效降低了50%的雜散光。配置雙閃耀光柵的MS11639光譜儀，有效平衡全譜段響應(yīng)，可以廣泛應(yīng)用在理化分析、生物樣品、半導(dǎo)體材料檢測(cè)，光學(xué)檢測(cè)和材料檢測(cè)等領(lǐng)域。
HL2000-ADJ連續(xù)可調(diào)鹵鎢燈：HL2000-ADJ連續(xù)可調(diào)鹵鎢燈是一款桌面型低功耗高光輸出的光纖耦合輸出鹵鎢燈，其波長(zhǎng)范圍覆蓋了360-2500 nm。燈泡使用壽命長(zhǎng)達(dá)6000小時(shí)。 高效優(yōu)化的光學(xué)設(shè)計(jì)使得鹵鎢燈具備低功耗高亮度輸出優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)化的穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)，確保了鹵鎢燈光源的穩(wěn)光譜輸出。
QR600*7-VIS-NIR-2近紅外石英反射光纖：采用7芯復(fù)合設(shè)計(jì)，芯徑105、200、400、600、1000μm可選，波段囊括深紫外至近紅外。
1.儀器連接：
連接儀器如圖1所示：將反射探頭固定在測(cè)量支架上，并將近紅外石英反射光纖的六芯端連接鎢燈光源，一芯端連接光譜儀。為鎢燈接通電源并用USB數(shù)據(jù)線(xiàn)將光譜儀與電腦相連。
圖3. 反射率測(cè)量裝置搭建
2.光譜采集：
（1）打開(kāi)鎢燈光源預(yù)熱3-5分鐘；打開(kāi)光譜采集分析軟件，運(yùn)行模式選擇反射模式；
（2）采集參數(shù)設(shè)置為：積分時(shí)間200ms，積分次數(shù)10次；
（3）保存暗背景光譜：將遮光片插入鎢燈光源出光口處，點(diǎn)擊“單次”按鈕采集暗光譜，采集結(jié)束后保存暗光譜；
（4）保存明背景光譜：取出遮光片，將漫反射標(biāo)準(zhǔn)板置于反射探頭前，點(diǎn)擊“單次”按鈕采集明光譜，采集結(jié)束后保存明光譜；
（5）將標(biāo)準(zhǔn)色卡放置于Y型反射探頭下的載物臺(tái)上，點(diǎn)擊“單次”采集樣品的反射率譜圖；
（6）光譜采集完成后點(diǎn)擊導(dǎo)出數(shù)據(jù)即可完成數(shù)據(jù)保存，并且可從軟件界面右側(cè)讀取出相關(guān)光色參數(shù)，色坐標(biāo)XYZ、三刺激值xyz、Lab、太陽(yáng)光反射比、近紅外反射比等數(shù)據(jù)，其具體操作界面如下圖所示。
圖4. UspectralPlus軟件顏色測(cè)量模式界面
測(cè)得的13個(gè)樣品的反射率譜圖如圖3所示：
圖5. 不同顏色布料樣品的反射率譜圖
