透射/反射光譜測量解決方案

透射/反射光譜測量是材料本身的一項(xiàng)重要光學(xué)特性，是光譜測量的基本手段，通常需要使用光譜儀、光源、光纖、測量支架、標(biāo)準(zhǔn)參比樣品、測量軟件等設(shè)備。對于不同種類的樣品，為了獲取更好的光譜數(shù)據(jù)，這兩種基本模式會演變成薄膜測量、吸光度測量等多種測量形式。

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展和半導(dǎo)體行業(yè)的生態(tài)化，人們對產(chǎn)品的創(chuàng)新和材料本身的品質(zhì)的要求不斷提高，采用光纖光譜儀進(jìn)行快速、精確的透射/反射光譜測量技術(shù)也逐漸成熟起來。

一、透射/反射光譜測量原理

光纖光譜儀通常以比較法來測定光譜的反射率或透過率，即參考樣品與樣本在相同波長上反射或透射的單一顏色的輻射能量，以測定樣本的反射率或透過率等。

在透過率測量時，象素n上的透過率是用當(dāng)前樣品、參考和背景數(shù)據(jù)按下面方程計(jì)算出來的：

式中T-----------透過率

Sample-----------樣品透過強(qiáng)度值

Ref------------參考樣片透過強(qiáng)度

Dark-----------背景數(shù)據(jù)

透過率的百分比在數(shù)學(xué)上與反射率是一樣的，所以同樣可以用于反射實(shí)驗(yàn)，反射測試中ref為參考板反射強(qiáng)度（如果需要測量反射率值，需要在式中乘以系數(shù)C，C為參考反射板在每個波長的反射率值）。

單光路測試：

1、 首先不放樣品，測出100%透射的光譜信號；

2、 放入樣品測試光譜信號

3、 兩個信號進(jìn)行比較得到的透射率

?特點(diǎn)：

    1、需要2次測量，測量速度慢；

    2、對光源的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。

雙光路測試：

1、 參照光和主光束分別被探測器接收；

2、 透射率=主光束強(qiáng)度/參考光強(qiáng)度;

3、 測試前要進(jìn)行系統(tǒng)光譜校正。

?Notice：

1、 測量樣品口徑的影響：當(dāng)樣品小于光斑尺寸時，采用光闌限制；

2、 測試樣品的厚度：對于較厚的樣品在參考光路中也要放入等厚樣品；

3、 測試樣品楔形角影響：光束盡量準(zhǔn)直+使用大口徑的積分球探測；

4、 測試樣品后表面：根據(jù)空白基板的雙面透射率，從樣品雙面透射率數(shù)值中求出前表面的透射率數(shù)值；

5、 光線的偏振效應(yīng)：樣品垂直放置+偏執(zhí)測試裝置；

6、 儀器的光譜分辨率：選擇合適的分辨率，濾光片要求分辨率高；

7、空氣中某些成分的吸收帶影響：二氧化碳吸收，方法是樣品室充氮。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

透射/反射光譜儀系統(tǒng)具有測量快速，準(zhǔn)確，方便集成等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室檢測、產(chǎn)品在線測試等應(yīng)用。目前的主要應(yīng)用在：

1. 在線反射/透射測試、高分子材料反射/透射測試

2. 光學(xué)鏡片、薄膜樣品反射/透射測試

3. 干涉濾光片、光伏壓花玻璃透射測試

4. 各種晶體、塑料、紡織品等反射測試

5. LCD背光板、手機(jī)/平板油墨孔等透射測量l

三、透射光譜測量

透射指入射光通過折射穿過物體后的出射現(xiàn)象。透過的對象多為透明體或半透明體，例如，玻璃、濾光片等。透過率光譜反映了樣品對于光的透過特性，表示透明體透過光的程度，若樣品是無色透明的，除少數(shù)光被反射外，大多數(shù)光均透過物體。以空氣為基準(zhǔn)，在全可見光譜范圍內(nèi)透過率都是1透過率。

其光譜透射測量方法原理為：在相同的光源與相同光強(qiáng)度下，分別得到光譜儀在不放待測樣品和放待測樣品的響應(yīng)，通過計(jì)算其響應(yīng)的比值得到透過率，透過率Γ通常為樣品的透射光譜與參考光譜的比值。

透過率測量連接示意圖

由于透射率光譜具有角度特征，所以對于光滑試樣與粗糙試樣，其光譜透射測量的方法也不盡相同，也就是說，在不同的角度下，被測試樣的透射率光譜也會有差異。對于平坦的樣品，可以用0度角入射，180度角接收；對粗糙的樣品，要求要0度角入射，積分球接收。積分球在空間上的反射性能很好，在多次反射后，透射光會很均勻，測得的結(jié)果穩(wěn)定、重現(xiàn)性好，而且它的光學(xué)性能也很好，所以在對各種性質(zhì)的樣品進(jìn)行測試時，都能獲得較高的精度。

透過率測量光路示意圖

      這種光路多用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或工業(yè)在線測試，其結(jié)構(gòu)無需與樣品表面接觸，光路構(gòu)造簡單，對試樣形狀無嚴(yán)格要求，檢測簡單快捷，與專用光學(xué)配件相匹配，適合溫度較高的生產(chǎn)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)在線檢測，也適用于實(shí)驗(yàn)室檢測。在某些特定的測量中，例如在不同的入射角下，在材料的透射率變化，或在不同的表面特征試樣下進(jìn)行測量，譬如，光伏壓花玻璃、平板油墨孔、OLED 等光學(xué)玻璃也可以定制專用角度光學(xué)鏡頭及附件以不同角度用到積分球的方式進(jìn)行測試。

四、反射光譜測量

反射率是指由反射部分（含鏡面反射和漫反射）占入射輻射的比例。反射光譜可以用作反射率測量、折射率測量、顏色參數(shù)測量和薄膜厚度測量等方面測量，且廣泛的應(yīng)用于反射型元件的光學(xué)性質(zhì)測量等。在對反射試樣進(jìn)行測量時，采用全反射散射漫射體作為基準(zhǔn)，其反射率在全波長上都是1。因?yàn)槭聦?shí)上沒有一種真正的物質(zhì)具有這種性質(zhì)，所以現(xiàn)在通常用煙熏、壓粉或噴涂的氧化鎂（MgO）、（BaSO4）、海倫和白色陶瓷片等作為參考。

      光譜反射測量的基本原理是利用光纖將光源輸送到物體的表面，再將材料的光譜反射數(shù)據(jù)傳到光纖光譜儀上，由軟件將其顯示，并對其進(jìn)行分析，從而可以對待測樣品進(jìn)行鑒定。其方法為：在相同的光源與相同光強(qiáng)度下，分別得到光譜儀在不放待測樣品和放待測樣品的響應(yīng)，通過計(jì)算其響應(yīng)的比值得到反射率ρ。

      在測量時，將一面與基準(zhǔn)光路呈一定角度的標(biāo)準(zhǔn)反射器置于測量光路上，并以其反射光譜為參照。當(dāng)暗光譜和參考光譜都收集完畢后，可以將被測量的樣品替換為標(biāo)準(zhǔn)的反射板，進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)的測試。在計(jì)算反射光譜時，必須先用軟件來讀取標(biāo)準(zhǔn)反射板的反射率光譜數(shù)據(jù)。若讀取的反射率與所使用的標(biāo)準(zhǔn)反射板不相符，或二者的角度要求不相符，則會導(dǎo)致較大誤差。

反射率測量（探頭）連接示意圖

      對待測樣品進(jìn)行反射率光譜測量，一般使用鹵鎢燈作為照明光源，本文實(shí)驗(yàn)中光源采用萊森光學(xué)的iLight-DH-ADJ氘鹵組合光源，利用LiSpec-HS400微型光譜儀配合反射積分球進(jìn)行測量，是由于積分球內(nèi)部表面是一個的漫射體，其空間的反射性質(zhì)十分均勻，反射的光線在內(nèi)部被反射后會變得很均勻，并且強(qiáng)度會隨著反射次數(shù)增多而減弱；具有測量穩(wěn)定，重復(fù)性好，結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。下圖為用積分球測全反射率的光路示意圖。

反射率測量（積分球）連接示意圖

反射率測量光路示意圖

下表中所示是一個典型的反射光譜測量系統(tǒng)，其中各個部分的組成如下：

萊森光學(xué)的光譜儀具有體積小，穩(wěn)定性高，支持軟件二次開發(fā)，配件豐富等特點(diǎn)，已經(jīng)成功的廣泛應(yīng)用于玻璃、高分子材料等行業(yè)的測試。而光纖光譜儀采用光纖光路，解決了光路在儀器集成中的限制。并且萊森光學(xué)為用戶提供了以光譜儀為核心的光譜測量設(shè)備，利用這些配置豐富的設(shè)備，即可搭建各種常見的光譜測量系統(tǒng)。

當(dāng)我們對物體進(jìn)行透射測量時，光譜儀的選擇很重要，但其實(shí)配件的選擇也同樣不可小覷。整套解決方案的每個部分都和測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性密切相關(guān)。接下來我們就透射測量解決方案（光譜配件、探頭等等）進(jìn)行詳細(xì)分析。

?光源： 

iLight-HAL、iLight-HAL-HP、LS-UV-HAL鹵鎢燈、紫外增強(qiáng)鹵鎢燈

iLight-DH-ADJ 氚鹵組合光源

iLight-DHc、iLight-Xe 氙燈

?光纖：

采用純度很高的進(jìn)口石英纖芯，光纖類型采用多模光纖，數(shù)值孔徑為0.22，也可以為用戶提供如NA=0.12、0.15/0.26/0.37等數(shù)值孔徑的多模光纖

?積分球：

主要實(shí)現(xiàn)對漫散射強(qiáng)材料的光學(xué)透過率/反射率測量（可根據(jù)需要，切換使用SMA905光學(xué)光譜法或標(biāo)準(zhǔn)BNC探測器法），主要適用于手機(jī)屏、顯示屏、玻璃鏡片、膠水、油墨、鍍膜鏡片等透過率測量，特別適合IR油膜孔透過率測量。

標(biāo)準(zhǔn)反射積分球iSphere-C3-REF           標(biāo)準(zhǔn)透射積分球iSphere-C3-TMS

? 鏡頭：

LS-FOL  光纖準(zhǔn)直聚焦鏡頭

推薦：

LiSpec-HS系列高靈敏度光譜儀

是萊森光學(xué)（LiSen Optics）光譜儀系列中基于面陣背照式BT-CCD傳感器開發(fā)而來明星產(chǎn)品之一。該系列光譜儀是一款成功地把紫外可見近紅外高量子效率和高測量速度相結(jié)合的高靈敏度光譜儀，其的消雜散光技術(shù)、降噪電路控制技術(shù)、再加上出眾的高量子效率探測器性能，使光譜儀的靈敏度、信噪比得到極大的提升。LiSpec-HS系列高靈敏度光譜儀在200nm-1100nm波段的靈敏度較為出眾，非常適用于紫外輻射光譜、熒光測量、透反射測量等應(yīng)用。

iSpec-TMS-IND光譜透射/反射率測量系統(tǒng)

iSpec-TMS-IND光譜透射/反射率測量系統(tǒng)采用高靈敏度光譜儀，測試精度高、分辨率高，測量速度快，響應(yīng)迅速；具有超低雜散光及溫度穩(wěn)定性，高信噪比；可支持二次開發(fā)，可按用戶需求提供在線透反射解決方案。非常廣泛應(yīng)用于高分子材料反射/透射測試、光學(xué)鏡片、薄膜樣品反射/透射測試，干涉濾光片、光伏壓花玻璃透射測試，光學(xué)鏡片、薄膜樣品反射/透射測試，各種晶體、塑料、紡織品等反射測試，LCD、背光板、手機(jī)/平板油墨孔等透射測量。

可見紅外雙向反射/透射分布函數(shù)光譜測量儀（BRDF/BTDF）

BRDF/BTDF是萊森光學(xué)一款專門測量光學(xué)材料表面的雙向反射/透射分布函數(shù)和光學(xué)材料各向同性材料研究，萊森光學(xué)BRDF光譜系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、光譜探測系統(tǒng)、測量機(jī)械系統(tǒng)和光譜數(shù)據(jù)軟件處理系統(tǒng)。采用高精度旋轉(zhuǎn)位移臺與懸臂梁結(jié)合的方式，完成BRDF測量。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航天遙感、地質(zhì)測量、精密制導(dǎo)、目標(biāo)仿真, 光學(xué)設(shè)計(jì), VR/VR/MR等領(lǐng)域，同時可實(shí)現(xiàn)對玻璃、金屬、塑料、紙張、紡織品、油漆、涂層、光學(xué)膜材料等諸多材料的表面光學(xué)特性的定量分析，是研究物質(zhì)、材料的基礎(chǔ)物理特性非常重要的光學(xué)測試工具。