反射光谱-分析固体样品的有用技术

光谱学的力量在于它能够以各种不同的方式研究材料和环境。例如，通过应用反射率技术，光谱仪用户可以测量入射到固体材料表面的光，在界面处反射;未被样品反射的光被吸收、散射或透射。这种相互作用揭示了构成样品的材料的信息。
在本文中，我们将回顾反射光谱的一些基础知识，描述常见的系统组件和实践，并分享一个反射光谱用于质量控制的示例应用。

镜面和漫反射

非常光滑或有光泽的镜面具有很高的镜面反射率，其中入射光以相同的方向反射(图1)。有光泽或有光泽的物体，如光学元件、薄膜涂层和某些金属制品，具有镜面反射率。
光照射在粗糙或哑光表面样品(包括纸张、粉末和颗粒)上，具有漫反射，其中入射光向各个方向散射(图1)。其他样品-例如塑料珠-具有镜面和漫反射。这种组合称为全反射。
在配置最佳光谱系统来测量这些特征时，了解要调查的样品的反射率特征的差异是很重要的。

反射率光谱仪系统设置

今天的模块化光谱仪选项允许用户混合和匹配组件-光谱仪，光源，采样光学和更多-以优化无数应用的反射率设置(图2)。以下是一些需要考虑的标准:

光谱仪

通用光谱仪是大多数研究应用的一个很好的选择，尽管专用型号可用于高速应用(例如，在生产线上对组件进行分类)和其他工业设置。此外，许多微型光谱仪可以集成到设备中，作为组件、子系统或完整的自动化系统用于制造。
在选择光谱仪时，一定要配置与感兴趣波长范围相匹配的探测器和光栅。对于紫外，可见光和近红外反射应用，有很好的选择。

光源

选择反射光源最重要的一点是要找到一个在感兴趣的波长范围内具有强输出的光源。对于颜色分析或模拟人眼进行测量时，光源需要覆盖380-780 nm。对于有机物质的化学组成，近红外或红外光将提供更多的信息。除了在少数情况下，狭窄的光源将不能提供足够有用的光谱响应，因此激光和大多数led可以排除在外。
对于可见光波长范围内的应用，宽，平滑变化的输出钨卤光源是可见光波长反射的理想选择，并用于分类或着色应用。推荐带有大功率灯泡和内置快门(便于测量黑暗而不影响设置)的机型。
更宽波长的光源也可以选择。氘钨光源在190- 2500nm范围内具有平滑稳定的输出，由于它们的输出来自两个不同的灯泡，因此光谱的紫外部分和可见光部分可以分开使用。它们的输出也延伸到近红外，尽管其强度在较长的波长下降。
不管你选择哪种光源，在测量之前一定要把光源加热。钨卤源通常需要15-20分钟的预热时间才能达到热平衡，以确保最佳效果。此外，一旦光源被加热，永远不要关闭它来进行暗量测量;用快门代替光源。

抽样光学

取样附件的选择取决于各种因素，包括待测样品的类型，以及需要的是镜面、漫射还是两种特性。以下是一些常见的选择:
反射探头是伟大的快速测量和应用的小光斑大小需要采样。反射探头可以测量镜面反射或漫反射，并可以使用探头支架定位以获得最佳入射角。一个折衷的问题是，大多数反射探头都从同一个方向照射和探测，所以它们只能捕获部分反射光。用反射探头进行的测量是相对测量。
积分球是一个很好的选择，如果样品的反射率似乎在不同的视角发生变化。这种情况发生在粗糙的表面，如拉丝金属、颗粒和粉末。积分球具有180°的反射光视图，提供更准确(和绝对)的反射率测量。积分球甚至可以用来测量凸曲面，或者用来测量小到可以放进球孔的物体的颜色。
积分球具有完全扩散的内表面。光通过圆形输入端口进入，并被球体的内壁反复散射，直到球体内部的光均匀，而不考虑输入中的任何空间、角度或偏振变化。在与输入端口90°的位置放置一根光纤，然后对球体内的一小部分光进行采样，将其发送到光谱仪。光纤端口前面的挡板有助于阻挡任何光线从样品端口进行第一次反射。
准直透镜是另一种反射采样选择。镜片可以连接到光纤，以真正定制入射角和收集角。用这种方法测量镜面或漫反射的成本很低，但需要预先进行更多的校准，因为需要额外的光学台或其他附件。准直透镜需要仔细调整，以避免光束发散并返回良好的信号，这是一种更耗时的采样方法。
无论您选择哪种采样光学器件，请确保在您的设置中保持一致的采样几何形状——即，在每次测量中，保持探头或球体到参考点和采样点的角度和距离相同。

反射标准

反射率的测量是反射光谱与入射光谱的比率。由于没有办法直接收集所有入射到表面上的光，反射率通常是相对于参考标准来测量的。
漫反射和镜面反射率标准广泛可用，在UV-Visible-NIR波长的反射率范围约为88%-98%。要知道反射率标准只有在带有nist可追踪校准值时才提供绝对测量值。
对于某些漫反射标准，结果只提供相对测量。这意味着无论收集角度如何，该标准在所有波长的反射几乎相同。漫反射标准(Spectralon®和PTFE是常见的扩散器)是一个通用的选择，用于探头，透镜或积分球。
如果你丢失了漫反射标准，或者它变得很脏或损坏，没有希望补救的参考测量，不要使用白纸作为替代品。纸张并不像看上去那么白。
一块聚苯乙烯泡沫塑料会更好。它提供漫反射，并在可见范围内具有相对均匀的反射率。只是要记住，以后要根据适当的参考标准测量聚苯乙烯泡沫塑料，并相应地纠正所有的光谱。
镜面反射标准提供了更多的通用性。可用于高反射率样品(非常有光泽的表面)和低反射率样品(例如，抗反射涂层，阻挡过滤器和基材)。镜面标准可以包括诸如玻璃或熔融玻璃基板上的铝镜等材料。

反射应用实例

确保印刷电路板(pcb)的质量包括表征用于在电路板层面吸收光的黑色涂层的镜面和漫反射特性。这与光学仪器中的pcb尤其相关，仪器内的光反射会对系统性能产生不利影响。
理论上，黑色的表面应该能吸收所有波长的光。在现实中，有许多变化的黑色表面涂层吸光度和反射率的性质，变化为波长的函数。
为了验证这一点，使用模块化光谱仪(350-1000 nm)、钨卤光源和400 μ m反射探头测量了涂有三种黑色涂料(平黑、光滑黑和黑色黑板漆)的pcb的反射光谱。
由于这些样品的反射率相对较低，我们使用了一个灰度标准(~20%漫反射)作为参考。整合时间从20-120毫秒不等，车厢设置为平均5次和20次扫描。环形支架支撑着用于测量的反射探头支架，黑色罩罩保护装置免受环境光的直接照射。使用反射探头支架将探头布置在相对于被涂表面的45°(漫反射)和90°(镜面反射)进行测量。
结果出现了一些意想不到的惊喜。镜面反射率数据显示黑板漆的反射率最低，有光泽的黑色漆的反射率高出10倍(图3)。这个比例可能看起来有点奇怪(有光泽的黑色漆的反射率为250%)，直到我们记得定义为“100%”的参考标准实际上是20%的漫反射标准。
当检查漫反射数据(图4)时，我们观察到平坦和光滑的黑色涂料在可见范围内有类似的光谱响应。这表明，即使其中一种样品的反光性明显更强，这些颜料的颜色与人眼的颜色也非常相似。
涂层在近红外光谱下开始有所不同，这表明赋予涂料光泽的东西可能是一种近红外反射化合物。令人惊讶的是，黑板涂料似乎比其他黑色涂料具有更高的漫反射。注意:反射探头只有在45°照射和观察时才显示漫反射。
在这个例子中，一个简单的模块化光谱仪设置测量了pcb上黑色涂层的漫反射和镜面反射特性。从这些相对直接的测量中得到的光谱数据可用于选择最佳的光学工作台涂层，以减少杂散光，提高仪器性能。
由于光谱学及其应用的进步，像这样相对简单的反射测量令人兴奋的是它在类似应用中的可扩展性。事实上，随着反射光谱等技术的多功能性，当今的模块化光谱仪供应商可以帮助不同市场的用户应对从研究和科学应用到工业级和OEM解决方案的挑战。