透射/反射光谱测量解决方案

透射/反射光谱测量解决方案

透射/反射光谱测量是材料本身的一项重要光学特性，是光谱测量的基本手段，通常需要使用光谱仪、光源、光纤、测量支架、标准参比样品、测量软件等设备。对于不同种类的样品，为了获取更好的光谱数据，这两种基本模式会演变成薄膜测量、吸光度测量等多种测量形式。

随着工业的迅速发展和半导体行业的生态化，人们对产品的创新和材料本身的品质的要求不断提高，采用光纤光谱仪进行快速、精确的透射/反射光谱测量技术也逐渐成熟起来。

一、透射/反射光谱测量原理

光纤光谱仪通常以比较法来测定光谱的反射率或透过率，即参考样品与样本在相同波长上反射或透射的单一颜色的辐射能量，以测定样本的反射率或透过率等。

在透过率测量时，象素n上的透过率是用当前样品、参考和背景数据按下面方程计算出来的：

式中T-----------透过率

Sample-----------样品透过强度值

Ref------------参考样片透过强度

Dark-----------背景数据

透过率的百分比在数学上与反射率是一样的，所以同样可以用于反射实验，反射测试中ref为参考板反射强度（如果需要测量反射率值，需要在式中乘以系数C，C为参考反射板在每个波长的反射率值）。

单光路测试：

1、 首先不放样品，测出100%透射的光谱信号；

2、 放入样品测试光谱信号

3、 两个信号进行比较得到的透射率

Ø特点：

    1、需要2次测量，测量速度慢；

    2、对光源的稳定性以及系统的稳定性要求。

双光路测试：

1、 参照光和主光束分别被探测器接收；

2、 透射率=主光束强度/参考光强度;

3、 测试前要进行系统光谱校正。

ØNotice：

1、 测量样品口径的影响：当样品小于光斑尺寸时，采用光阑限制；

2、 测试样品的厚度：对于较厚的样品在参考光路中也要放入等厚样品；

3、 测试样品楔形角影响：光束尽量准直+使用大口径的积分球探测；

4、 测试样品后表面：根据空白基板的双面透射率，从样品双面透射率数值中求出前表面的透射率数值；

5、 光线的偏振效应：样品垂直放置+偏执测试装置；

6、 仪器的光谱分辨率：选择合适的分辨率，滤光片要求分辨率高；

7、空气中某些成分的吸收带影响：二氧化碳吸收，方法是样品室充氮。

二、应用领域

透射/反射光谱仪系统具有测量快速，准确，方便集成等优点，目前已经广泛应用到实验室检测、产品在线测试等应用。目前的主要应用在：

1. 在线反射/透射测试、高分子材料反射/透射测试

2. 光学镜片、薄膜样品反射/透射测试

3. 干涉滤光片、光伏压花玻璃透射测试

4. 各种晶体、塑料、纺织品等反射测试

5. LCD背光板、手机/平板油墨孔等透射测量l

三、透射光谱测量

透射指入射光通过折射穿过物体后的出射现象。透过的对象多为透明体或半透明体，例如，玻璃、滤光片等。透过率光谱反映了样品对于光的透过特性，表示透明体透过光的程度，若样品是无色透明的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。以空气为基准，在全可见光谱范围内透过率都是1透过率。

其光谱透射测量方法原理为：在相同的光源与相同光强度下，分别得到光谱仪在不放待测样品和放待测样品的响应，通过计算其响应的比值得到透过率，透过率Γ通常为样品的透射光谱与参考光谱的比值。

透过率测量连接示意图

由于透射率光谱具有角度特征，所以对于光滑试样与粗糙试样，其光谱透射测量的方法也不尽相同，也就是说，在不同的角度下，被测试样的透射率光谱也会有差异。对于平坦的样品，可以用0度角入射，180度角接收；对粗糙的样品，要求要0度角入射，积分球接收。积分球在空间上的反射性能很好，在多次反射后，透射光会很均匀，测得的结果稳定、重现性好，而且它的光学性能也很好，所以在对各种性质的样品进行测试时，都能获得较高的精度。

透过率测量光路示意图

      这种光路多用于实验室内或工业在线测试，其结构无需与样品表面接触，光路构造简单，对试样形状无严格要求，检测简单快捷，与专用光学配件相匹配，适合温度较高的生产环境，可实现在线检测，也适用于实验室检测。在某些特定的测量中，例如在不同的入射角下，在材料的透射率变化，或在不同的表面特征试样下进行测量，譬如，光伏压花玻璃、平板油墨孔、OLED 等光学玻璃也可以定制专用角度光学镜头及附件以不同角度用到积分球的方式进行测试。

四、反射光谱测量

反射率是指由反射部分（含镜面反射和漫反射）占入射辐射的比例。反射光谱可以用作反射率测量、折射率测量、颜色参数测量和薄膜厚度测量等方面测量，且广泛的应用于反射型元件的光学性质测量等。在对反射试样进行测量时，采用全反射散射漫射体作为基准，其反射率在全波长上都是1。因为事实上没有一种真正的物质具有这种性质，所以现在通常用烟熏、压粉或喷涂的氧化镁（MgO）、（BaSO4）、海伦和白色陶瓷片等作为参考。

      光谱反射测量的基本原理是利用光纤将光源输送到物体的表面，再将材料的光谱反射数据传到光纤光谱仪上，由软件将其显示，并对其进行分析，从而可以对待测样品进行鉴定。其方法为：在相同的光源与相同光强度下，分别得到光谱仪在不放待测样品和放待测样品的响应，通过计算其响应的比值得到反射率ρ。

      在测量时，将一面与基准光路呈一定角度的标准反射器置于测量光路上，并以其反射光谱为参照。当暗光谱和参考光谱都收集完毕后，可以将被测量的样品替换为标准的反射板，进行后续实验的测试。在计算反射光谱时，必须先用软件来读取标准反射板的反射率光谱数据。若读取的反射率与所使用的标准反射板不相符，或二者的角度要求不相符，则会导致较大误差。

反射率测量（探头）连接示意图

      对待测样品进行反射率光谱测量，一般使用卤钨灯作为照明光源，本文实验中光源采用莱森光学的iLight-DH-ADJ氘卤组合光源，利用LiSpec-HS400微型光谱仪配合反射积分球进行测量，是由于积分球内部表面是一个的漫射体，其空间的反射性质十分均匀，反射的光线在内部被反射后会变得很均匀，并且强度会随着反射次数增多而减弱；具有测量稳定，重复性好，结果准确等优点。下图为用积分球测全反射率的光路示意图。

反射率测量（积分球）连接示意图

反射率测量光路示意图

下表中所示是一个典型的反射光谱测量系统，其中各个部分的组成如下：

莱森光学的光谱仪具有体积小，稳定性高，支持软件二次开发，配件丰富等特点，已经成功的广泛应用于玻璃、高分子材料等行业的测试。而光纤光谱仪采用光纤光路，解决了光路在仪器集成中的限制。并且莱森光学为用户提供了以光谱仪为核心的光谱测量设备，利用这些配置丰富的设备，即可搭建各种常见的光谱测量系统。

当我们对物体进行透射测量时，光谱仪的选择很重要，但其实配件的选择也同样不可小觑。整套解决方案的每个部分都和测量结果的可靠性和准确性密切相关。接下来我们就透射测量解决方案（光谱配件、探头等等）进行详细分析。

Ø光源： 

iLight-HAL、iLight-HAL-HP、LS-UV-HAL卤钨灯、紫外增强卤钨灯

iLight-DH-ADJ 氚卤组合光源

iLight-DHc、iLight-Xe 氙灯

Ø光纤：

采用纯度很高的进口石英纤芯，光纤类型采用多模光纤，数值孔径为0.22，也可以为用户提供如NA=0.12、0.15/0.26/0.37等数值孔径的多模光纤

Ø积分球：

主要实现对漫散射强材料的光学透过率/反射率测量（可根据需要，切换使用SMA905光学光谱法或标准BNC探测器法），主要适用于手机屏、显示屏、玻璃镜片、胶水、油墨、镀膜镜片等透过率测量，特别适合IR油膜孔透过率测量。

标准反射积分球iSphere-C3-REF           标准透射积分球iSphere-C3-TMS

Ø 镜头：

LS-FOL  光纤准直聚焦镜头

推荐：

LiSpec-HS系列高灵敏度光谱仪

是莱森光学（LiSen Optics）光谱仪系列中基于面阵背照式BT-CCD传感器开发而来明星产品之一。该系列光谱仪是一款成功地把紫外可见近红外高量子效率和高测量速度相结合的高灵敏度光谱仪，其的消杂散光技术、降噪电路控制技术、再加上出众的高量子效率探测器性能，使光谱仪的灵敏度、信噪比得到极大的提升。LiSpec-HS系列高灵敏度光谱仪在200nm-1100nm波段的灵敏度较为出众，非常适用于紫外辐射光谱、荧光测量、透反射测量等应用。

iSpec-TMS-IND光谱透射/反射率测量系统

iSpec-TMS-IND光谱透射/反射率测量系统采用高灵敏度光谱仪，测试精度高、分辨率高，测量速度快，响应迅速；具有超低杂散光及温度稳定性，高信噪比；可支持二次开发，可按用户需求提供在线透反射解决方案。非常广泛应用于高分子材料反射/透射测试、光学镜片、薄膜样品反射/透射测试，干涉滤光片、光伏压花玻璃透射测试，光学镜片、薄膜样品反射/透射测试，各种晶体、塑料、纺织品等反射测试，LCD、背光板、手机/平板油墨孔等透射测量。

可见红外双向反射/透射分布函数光谱测量仪（BRDF/BTDF）

BRDF/BTDF是莱森光学一款专门测量光学材料表面的双向反射/透射分布函数和光学材料各向同性材料研究，莱森光学BRDF光谱系统包括照明系统、光谱探测系统、测量机械系统和光谱数据软件处理系统。采用高精度旋转位移台与悬臂梁结合的方式，完成BRDF测量。该系统广泛应用于航天遥感、地质测量、精密制导、目标仿真, 光学设计, VR/VR/MR等领域，同时可实现对玻璃、金属、塑料、纸张、纺织品、油漆、涂层、光学膜材料等诸多材料的表面光学特性的定量分析，是研究物质、材料的基础物理特性非常重要的光学测试工具。