反射率測量與應(yīng)用

蔡曉東 李劍鋒 黃國香

摘 要：反射率光譜測量是光譜學(xué)研究和物質(zhì)光譜學(xué)中一種重要的測量方式，對物質(zhì)的反射率光譜進(jìn)行測量，通過反射光譜進(jìn)行材料光學(xué)特性的分析和物質(zhì)成分的鑒定，是一種常見的光學(xué)檢測方式。反射率測量系統(tǒng)的原理是光源通過光纖把光源傳輸照射到物質(zhì)表面，物質(zhì)表面反射的光譜通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀器進(jìn)行收集，再通過軟件顯示出來，分析物質(zhì)在受電磁波輻射后不同能級的吸收波帶情況，從而對物質(zhì)進(jìn)行檢測鑒定。

關(guān)鍵詞：漫反射;光譜儀;反射光譜

Abstract：Reflectance spectroscopy is an important measurement method in spectroscopy and material spectroscopy.It is a common optical detection method to measure the reflectance spectra of materials，analyze the optical properties of materials and identify the composition of materials through reflection spectroscopy.The principle of the reflectivity measurement system is that the light source is transmitted to the material surface by optical fiber，and the reflected spectrum of the material surface is collected by optical fiber transmission to the spectrometer，and then displayed by software to analyze the absorption bands of the material at different levels after being irradiated by electromagnetic wave，so as to detect and identify the material.

Key words：Diffuse-Reflection;Spectrometer;Reflectance-Spectra

全反射率光譜指的是漫反射光譜和鏡面反射光譜，根據(jù)測量樣品不一樣，通常測量的反射率方式也不同。鏡面反射指的是一束平行光投射到物體表面上，反射的光束與入射光束與法線成的角度相同，在特定的方向反射回去。但是在實際生產(chǎn)中，很少東西是完全平滑的，通過顯微鏡或者放大鏡能看出物質(zhì)的表面其實是粗糙不平的，這個時候我們就要使用到漫反射光譜測量。漫反射光即指光信號從光源發(fā)出投射到物體的粗糙表面，經(jīng)過很多次的折射、反射、散射后所返回的光信號。當(dāng)平行的一束光線投射到物體的粗糙表面時，由于粗糙表面各個點的法線方向不一樣，所以所反射光線的方向會不一樣。這種投射到粗糙表面后光反射方向不規(guī)則的反射則稱之為“漫反射”。漫反射不受樣品厚度以及光路的規(guī)則性限制，漫反射率光譜測量可以更容易看出不同的特定物質(zhì)分子在不同波段峰值的吸收情況，所以，在使用測量物質(zhì)鑒定方法中，漫反射測量應(yīng)用更為廣泛。

漫反射率光譜測量的儀器有很多種，按照儀器種類不同通常有分光光度計測量、光譜儀系統(tǒng)測量等，本文主要講述的是光譜儀系統(tǒng)測量方法。本文主要介紹的反射測量系統(tǒng)包括光源、光纖、積分球、光譜儀和高漫反射校準(zhǔn)板等。在反射率光譜系統(tǒng)測量的過程中，在參考光譜采集的時候?qū)⒎瓷渎蕵?biāo)準(zhǔn)板放入采樣點，將反射率標(biāo)準(zhǔn)板的反射光譜記錄為參考光譜。再將暗背景的光譜進(jìn)行記錄，校準(zhǔn)完畢后即可對待測物品進(jìn)行測量，將待測物放入采樣點進(jìn)行測量，對物品的實際測量光譜數(shù)據(jù)需借助于軟件進(jìn)行計算然后進(jìn)行數(shù)據(jù)圖譜的顯示。

自古以來，質(zhì)量優(yōu)良的純天然翡翠受到廣大消費(fèi)者的追捧，其存在的經(jīng)濟(jì)價值和美學(xué)價值代表著持有者的地位與財富。一直以來翡翠的價格都居高不下，是人們作為保值增值的理想投資物品之一。但是隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的造假高技術(shù)層出不窮，用跟翡翠極其相似的玉石假冒翡翠、仿造翡翠等手段賣給客戶，冒充技術(shù)做得以假亂真，珠寶市場摻入的冒充翡翠不僅損害了消費(fèi)者的利益還破壞了市場的發(fā)展，利用肉眼已經(jīng)極難分辨真假翡翠，然而使用化學(xué)成分分析會容易損壞翡翠的完整性。但是使用光譜反射率檢測鑒別不僅可以無損、而且快速、準(zhǔn)確地對翡翠進(jìn)行鑒別。本次使用廣州景頤光電科技有限公司的反射率檢測儀分別對天然綠翡翠、仿翡翠以及合成翡翠分別進(jìn)行反射率檢測實驗，測量的光譜圖如下：

翡翠反射率光譜檢測圖

曲線3是天然綠色翡翠的反射率光譜圖，曲線2是綠色仿翡翠的反射率光譜圖，曲線1是合成翡翠的反射率光譜圖。從圖中可以看出，天然綠色翡翠的反射率譜圖曲線3在437nm處、690nm處、660nm處、630nm處的反射譜圖中具有吸收光譜線的特點。綠色仿翡翠的反射率光譜圖曲線2在染綠色的位置690nm處、660nm處、630nm處沒有反射吸收光譜線，而在 650nm處的具有強(qiáng)吸收帶，由此可以看出，翡翠的局部染綠，或者染色不均勻的綠色翡翠，具有650nm反射吸收帶和437nm反射吸收線。合成翡翠的反射率光譜圖曲線1明顯在437nm處沒有反射吸收光譜線。由此可見，翡翠的反射吸收光譜對其鑒定具有重要意義。可用于快速、無損、準(zhǔn)確的鑒定翡翠是天然綠色或者染色的。

類似的，漫反射率的測量檢測還可以應(yīng)用于鉆石、寶石等昂貴珠寶的檢測，檢測物質(zhì)在某個特定的光譜波段處具有特定的吸收峰值來加以鑒別，這種檢測鑒別不僅對樣品不會造成損害，而且檢測速度在毫秒之間。漫反射率的測量可以用于檢測鐵礦石粉末的成分分析、硅片的反射率測量來選出低反射率的硅片來提高硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率等等應(yīng)用于各個行業(yè)。反射率測量是物質(zhì)鑒別、材料檢測、反應(yīng)監(jiān)測、實驗分析等等廣泛應(yīng)用的一種光譜學(xué)分析測量方式，反射率測量系統(tǒng)的搭建相對于一體化設(shè)備的測量較于復(fù)雜，但是其系統(tǒng)具有其自身的靈活性，只要更換其中一個組件即應(yīng)用于不同的測量和測量對象，相信反射率測量系統(tǒng)也會隨著社會科技的發(fā)展趨向于簡單化、智能化、普遍化服務(wù)于人類，造福社會。

參考文獻(xiàn)：

[1]She-chao Feng，F(xiàn)an-an Zeng，Britton Chance.Photon migration in thepresence of a single defect：a perturbation analysis[J].Applied Optics，1995，34（19）：3826-3837.

[2]Alwin Kienle，Michael S Patterson.Improved solution of the steady stateand the time-resolved diffusion equation for reflectance from a semi-infi-nite turbid medium[J].J Opt Soc Am（A），1997，14（1）：246-254.

[3]Andreas H Hielscher，Han-li liu，Britton Chance，et al.Time-resolvedphoton emission from layered turbid media[J].Applied Optics，1996，35（4）：719 728.

[4]Maria Angela Franceschini，Sergio Fantini，Adelina Paunescu L，et al.Influence of a superficial layer in the quantitative spectroscopic study of strongly scattering media[J].Applied Optics，1998，37（31）：7447-7458.

[5]Ptterson M S，Wilson B C，Wyman D R.Lasers.Med.Sci.，1991，6：370.

[6]Groenhuis R A J，F(xiàn)erwerda H A，Bosch J J ten.Applied Optics，1983，22（16）：2456.

[7]Groenhuis R A J，F(xiàn)erwerda H A，Bosch J J ten.Applied Optics，1983，22（16）：2463.

[8]Patterson M S，Schwartz E，Wilson B C.Proc.Soc.Photo-Opt.Instrum.Eng.，1989，1065：115.

[9]Bolt R A，Bosch J J ten.Applied Optics，1993，32（24）：4641.

[10]Alwin Kienle，Lothar Lilge，Patterson Michael S.Applied Optics，1996，35（13）：2304.