透射/反射光譜測(cè)量解決方案

透射/反射光譜測(cè)量是材料本身的一項(xiàng)重要光學(xué)特性，是光譜測(cè)量的基本手段，通常需要使用光譜儀、光源、光纖、測(cè)量支架、標(biāo)準(zhǔn)參比樣品、測(cè)量軟件等設(shè)備。對(duì)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(huì)演變成薄膜測(cè)量、吸光度測(cè)量等多種測(cè)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(duì)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(cè)量技術(shù)也逐漸成熟起來(lái)。

一、透射/反射光譜測(cè)量原理

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

在透過(guò)率測(cè)量時(shí)，象素n上的透過(guò)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(lái)的：

式中T-----------透過(guò)率

Sample-----------樣品透過(guò)強(qiáng)度值

Ref------------參考樣片透過(guò)強(qiáng)度

Dark-----------背景數(shù)據(jù)

透過(guò)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(cè)試中ref為參考板反射強(qiáng)度（如果需要測(cè)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(gè)波長(zhǎng)的反射率值）。

單光路測(cè)試：

1、 首先不放樣品，測(cè)出100%透射的光譜信號(hào)；

2、 放入樣品測(cè)試光譜信號(hào)

3、 兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較得到的透射率

?特點(diǎn)：

    1、需要2次測(cè)量，測(cè)量速度慢；

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

雙光路測(cè)試：

1、 參照光和主光束分別被探測(cè)器接收；

2、 透射率=主光束強(qiáng)度/參考光強(qiáng)度;

3、 測(cè)試前要進(jìn)行系統(tǒng)光譜校正。

?Notice：

1、 測(cè)量樣品口徑的影響：當(dāng)樣品小于光斑尺寸時(shí)，采用光闌限制；

2、 測(cè)試樣品的厚度：對(duì)于較厚的樣品在參考光路中也要放入等厚樣品；

3、 測(cè)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(cè)；

4、 測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)、產(chǎn)品在線測(cè)試等應(yīng)用。目前的主要應(yīng)用在：

1. 在線反射/透射測(cè)試、高分子材料反射/透射測(cè)試

2. 光學(xué)鏡片、薄膜樣品反射/透射測(cè)試

3. 干涉濾光片、光伏壓花玻璃透射測(cè)試

4. 各種晶體、塑料、紡織品等反射測(cè)試

5. LCD背光板、手機(jī)/平板油墨孔等透射測(cè)量l

三、透射光譜測(cè)量

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

其光譜透射測(cè)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(cè)樣品和放待測(cè)樣品的響應(yīng)，通過(guò)計(jì)算其響應(yīng)的比值得到透過(guò)率，透過(guò)率Γ通常為樣品的透射光譜與參考光譜的比值。

透過(guò)率測(cè)量連接示意圖

由于透射率光譜具有角度特征，所以對(duì)于光滑試樣與粗糙試樣，其光譜透射測(cè)量的方法也不盡相同，也就是說(shuō)，在不同的角度下，被測(cè)試樣的透射率光譜也會(huì)有差異。對(duì)于平坦的樣品，可以用0度角入射，180度角接收；對(duì)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(huì)很均勻，測(cè)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(duì)各種性質(zhì)的樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí)，都能獲得較高的精度。

透過(guò)率測(cè)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(cè)試，其結(jié)構(gòu)無(wú)需與樣品表面接觸，光路構(gòu)造簡(jiǎn)單，對(duì)試樣形狀無(wú)嚴(yán)格要求，檢測(cè)簡(jiǎn)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(cè)，也適用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。在某些特定的測(cè)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(cè)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(cè)試。

四、反射光譜測(cè)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(cè)量、折射率測(cè)量、顏色參數(shù)測(cè)量和薄膜厚度測(cè)量等方面測(cè)量，且廣泛的應(yīng)用于反射型元件的光學(xué)性質(zhì)測(cè)量等。在對(duì)反射試樣進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用全反射散射漫射體作為基準(zhǔn)，其反射率在全波長(zhǎng)上都是1。因?yàn)槭聦?shí)上沒(méi)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(cè)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(duì)其進(jìn)行分析，從而可以對(duì)待測(cè)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(cè)樣品和放待測(cè)樣品的響應(yīng)，通過(guò)計(jì)算其響應(yīng)的比值得到反射率ρ。

      在測(cè)量時(shí)，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(cè)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(cè)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(cè)試。在計(jì)算反射光譜時(shí)，必須先用軟件來(lái)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(huì)導(dǎo)致較大誤差。

反射率測(cè)量（探頭）連接示意圖

      對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行反射率光譜測(cè)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(cè)量，是由于積分球內(nèi)部表面是一個(gè)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(huì)變得很均勻，并且強(qiáng)度會(huì)隨著反射次數(shù)增多而減弱；具有測(cè)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(cè)全反射率的光路示意圖。

反射率測(cè)量（積分球）連接示意圖

反射率測(cè)量光路示意圖

下表中所示是一個(gè)典型的反射光譜測(cè)量系統(tǒng)，其中各個(gè)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(kāi)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(cè)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(cè)量設(shè)備，利用這些配置豐富的設(shè)備，即可搭建各種常見(jiàn)的光譜測(cè)量系統(tǒng)。

當(dāng)我們對(duì)物體進(jìn)行透射測(cè)量時(shí)，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(gè)部分都和測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性密切相關(guān)。接下來(lái)我們就透射測(cè)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(duì)漫散射強(qiáng)材料的光學(xué)透過(guò)率/反射率測(cè)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(cè)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(guò)率測(cè)量，特別適合IR油膜孔透過(guò)率測(cè)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

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