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光譜測(cè)色儀舉例

2010-09-15

                                                   光譜測(cè)色儀舉例

    光譜測(cè)色儀按光路結(jié)構(gòu)可分為單光束和雙光束光譜測(cè)色儀兩類。單光束儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，但容易因光源不穩(wěn)定性和探測(cè)器靈敏度的變化、積分球效率下降等因素影響車輛的結(jié)果。因此，常用的儀器多為雙光束。
    儀器單色儀把光源的光色散成單色光后，由調(diào)制器分解成兩束光——參考光束和測(cè)量光束。這兩個(gè)光束迅速交替地投射到標(biāo)準(zhǔn)或試樣上，然后被光電探測(cè)器接收，有效地消除了光源及探測(cè)器靈敏度變化度測(cè)量結(jié)果的影響，這種雙光束儀器的結(jié)構(gòu)形式有多種。早期多采用光學(xué)平衡式，即用旋轉(zhuǎn)棱鏡偏振面使兩束光達(dá)到平衡的辦法?，F(xiàn)在的紫外——可見(jiàn)光譜光度計(jì)則多采用電學(xué)平衡式，即用光電倍增管點(diǎn)擊負(fù)反饋的辦法：而對(duì)近紅外光譜區(qū)，因?yàn)榻邮掌鳛榱蚧U探測(cè)器，故多采用自動(dòng)控制狹縫大小，以到達(dá)參考信號(hào)不變的辦法。
    光譜測(cè)色儀型式繁多，這里僅用典型舉例說(shuō)明。
    1、UV—365雙單色儀自動(dòng)記錄光譜測(cè)色儀
  圖一是UV-365測(cè)色儀透射光度計(jì)部分的光路示意圖。它有兩個(gè)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換的光源：W——鹵鎢燈，工作范圍為可見(jiàn)區(qū)和近紅外光譜區(qū)：D2——氙氣，工作范圍為紫外光譜區(qū)。W燈和D2燈在338nm處由機(jī)內(nèi)計(jì)算機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。單色儀是雙單色儀系統(tǒng):由石英色散棱鏡P構(gòu)成第一單色儀MI，由光柵G構(gòu)成第二單色儀MII.由光源發(fā)出的白光經(jīng)入射狹縫S1進(jìn)入第一單色儀MI，進(jìn)行一次色散后，由中間狹縫S2射入第二單色儀MII，進(jìn)行一次色散后形成和純的單色光。由出射狹縫S3射出的單色光通過(guò)調(diào)制器分成兩束：參考光束R和測(cè)量光束S，這兩束光經(jīng)完全對(duì)稱的光路后投射大哦標(biāo)準(zhǔn)或式樣上。儀器的探測(cè)器也有兩個(gè)：一個(gè)是廣電倍增管RM（采用R-456型），工作范圍為紫外和可見(jiàn)波段。它們由計(jì)算機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。測(cè)量時(shí)，將待測(cè)透射樣品置于樣品室H的測(cè)量光束S中，樣品應(yīng)垂直光束；參比光路R中放置參考標(biāo)準(zhǔn)（空氣或其他參考標(biāo)準(zhǔn)），測(cè)量得到的結(jié)果是直透射比（0/0照明探測(cè)幾何條件）。儀器透射光度測(cè)量的波長(zhǎng)范圍為：185~2500nm，波長(zhǎng)精度為0.3~0.7nm；測(cè)光精度為0.3%。
   圖三是儀器反射光度計(jì)部分——積分球附件光路示意圖。圖中積分球的直徑為200mm，可以安裝在樣品室的前面，將圖三種的H1插入圖二中的 樣品室H中，通過(guò)H2中對(duì)稱設(shè)置的反射鏡裝置光學(xué)系統(tǒng)，把參比光束R和測(cè)量光束S從原光路中引出，轉(zhuǎn)向測(cè)光積分球。在積分球參比白板R，在測(cè)量窗口放置待測(cè)的反射樣品S，測(cè)量得到的結(jié)果是光譜反射比（0/d照明探測(cè)條件）。如果將透射式樣放置在積分球測(cè)量光束的入射窗口，就可進(jìn)行漫透射比的測(cè)量。在與樣品法線夾角為7度的鏡面反射方向的球壁上設(shè)有一個(gè)光阱，用來(lái)消除式樣的鏡反射成分。球的上方是探測(cè)器廣電倍增管。
    另外，儀器還有一個(gè)直徑為60mm的小積分球附件，可直接安裝在圖二的樣品室H中，用來(lái)測(cè)量較小式樣的反射比或漫透射比。
    2、C.E記錄式分光測(cè)色儀
      圖(4)是此儀器的工作原理，光源的燈絲經(jīng)聚光透鏡成像在狹縫1上，光束進(jìn)入單色儀后經(jīng)過(guò)物鏡L1，棱鏡1及物鏡L2之后反射鏡平面上形成色散光譜，狹縫2在水平面上往返運(yùn)動(dòng)，使某一色散光譜的單色進(jìn)入第二級(jí)單色儀內(nèi)，再經(jīng)過(guò)棱鏡2和物鏡L3和L4進(jìn)行第二次色散，在出射狹縫3的平面上形成第二級(jí)色散光譜，這樣的二級(jí)光譜系統(tǒng)有利于消除雜散光，提高了單色儀出射光的光譜純度。只要移動(dòng)狹縫2的位置便可改變單色光的波長(zhǎng)。考慮到棱鏡單色儀色散率在各個(gè)波長(zhǎng)上不為常數(shù)，為保持狹縫3射出的單色光的帶寬為常數(shù)，儀器備有自動(dòng)調(diào)整裝置，能自動(dòng)地改變狹縫1、2、3的寬度。
  圖（4）
  由雙單色儀出射的單色光從狹縫3射出后進(jìn)入儀器的光度計(jì)部分，經(jīng)過(guò)羅雄棱鏡，按原方向出射一束偏振方向隨棱鏡的旋轉(zhuǎn)而改變。這一光束通過(guò)喔拉斯頓棱鏡被分成兩束光；一為參照光束，另一為測(cè)量光束。經(jīng)過(guò)雙透鏡分別將兩束光聚焦在測(cè)光積分球內(nèi)壁的兩個(gè)部位上。積分球內(nèi)壁涂有反射比高、漫反射性能好的氧化鎂或硫酸鋇涂料。在參照光束和測(cè)量光束投射的部分分別放置參比標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品。在喔拉斯頓棱鏡和雙透鏡之間有旋轉(zhuǎn)的偏振濾光片，使兩束光交替地照射參比標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品。在積分球測(cè)量窗口裝有光電探測(cè)器。當(dāng)羅雄棱鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，由此出射的一束偏振光的偏振方向發(fā)生變化，被喔拉斯頓棱鏡分成的兩束光之間的大小比例就發(fā)生改變。如果參比和測(cè)量?jī)墒馔肯嗟?，待測(cè)樣品和參比標(biāo)準(zhǔn)樣品又具有相同的光譜反射比，則探測(cè)器的輸出電信號(hào)恒定不變。如果在某些波長(zhǎng)上，待測(cè)量樣品的反射比低于參比標(biāo)準(zhǔn)樣品的反射比，探測(cè)器就會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)震蕩的電信號(hào)，交變部分經(jīng)過(guò)放大后輸人私服電機(jī)，私服電機(jī)依據(jù)交流震蕩的相位，通過(guò)凸輪驅(qū)動(dòng)羅雄棱鏡按一定方向旋轉(zhuǎn)，使測(cè)量光束的通量增大，參比光束的通量減少，直到參比和待測(cè)樣品反射的通量相等，消除了探測(cè)器信號(hào)的脈動(dòng)，羅雄棱鏡就處于平衡位置，由于私服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與羅雄棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)是同步的，私服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)就待測(cè)樣品與參比標(biāo)準(zhǔn)樣品的反射比比值變化傳遞到記錄筆上，于是記錄鼓的記錄紙上就會(huì)給出待測(cè)樣品性對(duì)于參比標(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜反射比（或透射比）曲線。
    波長(zhǎng)電機(jī)帶動(dòng)記錄鼓轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)波長(zhǎng)凸輪移動(dòng)中間狹縫（狹縫2），以改變單色儀出射光的波長(zhǎng)，并使筆尖在記錄紙波長(zhǎng)標(biāo)尺上的位置相應(yīng)于單色儀出射光的波長(zhǎng)。
    當(dāng)測(cè)量透射樣品時(shí)，需在積分球的參比標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品的部位放置相同光譜反射比的白板，將待測(cè)透射樣品放在測(cè)量光束進(jìn)入積分球的入口處。
    美國(guó)G.E分光測(cè)色儀是一種雙級(jí)分光單色儀雙光束光路的測(cè)量?jī)x器，采用光學(xué)平衡補(bǔ)償法測(cè)量，光路安排大都是按0/D幾何條件，以記錄儀的方式輸出。G.E分光測(cè)色儀是近代測(cè)色方式中的典型實(shí)例，如日力的UV320、UV340、UV3400等儀器都大體相同。他是通過(guò)波長(zhǎng)掃描機(jī)構(gòu)。順序測(cè)量出各個(gè)波長(zhǎng)上樣品的反射光譜特性。這類儀器精度高，但測(cè)量周期長(zhǎng)，適用于作物表面反射光譜特性的試驗(yàn)中作精密的分析測(cè)試試用。
    3、MS-2000分光測(cè)色儀
     現(xiàn)代由于固體光電探測(cè)元件的發(fā)展，和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，近年出現(xiàn)一種在極短時(shí)間內(nèi)可以快速同時(shí)測(cè)得物體表面反射或透射光譜特性的快速光譜分析測(cè)色儀器：市場(chǎng)見(jiàn)到的CM7000A,ELREPHO2000,3000,MS-2000,MS450等，現(xiàn)以Macbeth MS-2000分光測(cè)色儀為例作一簡(jiǎn)單介紹：
     圖五---為此儀器的工作原理圖，光源是脈沖氙閃光燈管，通過(guò)UV修正濾光片模擬CIE標(biāo)準(zhǔn)照體D65，儀器的光測(cè)條件為D/0結(jié)構(gòu)，用積分球漫射方式照明樣品，近似于垂直方向探測(cè)物體的漫反射通量。每次測(cè)量則由積分球球壁的反射比為參比標(biāo)準(zhǔn)樣品。由電子開(kāi)光分別參比的輻通量進(jìn)行比較，將這些模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給出各種色度參數(shù)。參比光束與測(cè)量光束射與測(cè)量光束射向各自獨(dú)立的光譜信號(hào)采集器（俗稱單色儀），固定的衍射光柵將觀測(cè)光束色散成光譜待，在光譜待前置由一列陣圭光電二級(jí)管組成的探測(cè)器陣列。各個(gè)硅光電二級(jí)管分別對(duì)應(yīng)于不同光譜段的窄波長(zhǎng)，一般有380~780nm或360NM~750nm,每個(gè)硅光電二級(jí)管分別對(duì)應(yīng)于不同光譜段的窄段帶波長(zhǎng)范圍。閃光燈每次閃光時(shí)，這組陣列同時(shí)接收信號(hào)，信號(hào)的幅度值對(duì)應(yīng)于各波長(zhǎng)普帶的輻通量。因此，一次閃光即能測(cè)得樣品各波長(zhǎng)短的光譜特性。此類儀器速度只需要幾秒鐘，對(duì)那些需要快速測(cè)量的場(chǎng)所非常合適，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工曠企業(yè)和科學(xué)研究中對(duì)衍射質(zhì)量的控制。