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光譜測色儀舉例

2010-09-15

                                                   光譜測色儀舉例

    光譜測色儀按光路結構可分為單光束和雙光束光譜測色儀兩類。單光束儀器結構簡單，造價較低，但容易因光源不穩定性和探測器靈敏度的變化、積分球效率下降等因素影響車輛的結果。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，由調制器分解成兩束光——參考光束和測量光束。這兩個光束迅速交替地投射到標準或試樣上，然后被光電探測器接收，有效地消除了光源及探測器靈敏度變化度測量結果的影響，這種雙光束儀器的結構形式有多種。早期多采用光學平衡式，即用旋轉棱鏡偏振面使兩束光達到平衡的辦法。現在的紫外——可見光譜光度計則多采用電學平衡式，即用光電倍增管點擊負反饋的辦法：而對近紅外光譜區，因為接收器為硫化鉛探測器，故多采用自動控制狹縫大小，以到達參考信號不變的辦法。
    光譜測色儀型式繁多，這里僅用典型舉例說明。
    1、UV—365雙單色儀自動記錄光譜測色儀
  圖一是UV-365測色儀透射光度計部分的光路示意圖。它有兩個可以自動轉換的光源：W——鹵鎢燈，工作范圍為可見區和近紅外光譜區：D2——氙氣，工作范圍為紫外光譜區。W燈和D2燈在338nm處由機內計算機自動轉換。單色儀是雙單色儀系統:由石英色散棱鏡P構成第一單色儀MI，由光柵G構成第二單色儀MII.由光源發出的白光經入射狹縫S1進入第一單色儀MI，進行一次色散后，由中間狹縫S2射入第二單色儀MII，進行一次色散后形成和純的單色光。由出射狹縫S3射出的單色光通過調制器分成兩束：參考光束R和測量光束S，這兩束光經完全對稱的光路后投射大哦標準或式樣上。儀器的探測器也有兩個：一個是廣電倍增管RM（采用R-456型），工作范圍為紫外和可見波段。它們由計算機自動轉換。測量時，將待測透射樣品置于樣品室H的測量光束S中，樣品應垂直光束；參比光路R中放置參考標準（空氣或其他參考標準），測量得到的結果是直透射比（0/0照明探測幾何條件）。儀器透射光度測量的波長范圍為：185~2500nm，波長精度為0.3~0.7nm；測光精度為0.3%。
   圖三是儀器反射光度計部分——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H2中對稱設置的反射鏡裝置光學系統，把參比光束R和測量光束S從原光路中引出，轉向測光積分球。在積分球參比白板R，在測量窗口放置待測的反射樣品S，測量得到的結果是光譜反射比（0/d照明探測條件）。如果將透射式樣放置在積分球測量光束的入射窗口，就可進行漫透射比的測量。在與樣品法線夾角為7度的鏡面反射方向的球壁上設有一個光阱，用來消除式樣的鏡反射成分。球的上方是探測器廣電倍增管。
    另外，儀器還有一個直徑為60mm的小積分球附件，可直接安裝在圖二的樣品室H中，用來測量較小式樣的反射比或漫透射比。
    2、C.E記錄式分光測色儀
      圖(4)是此儀器的工作原理，光源的燈絲經聚光透鏡成像在狹縫1上，光束進入單色儀后經過物鏡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在水平面上往返運動，使某一色散光譜的單色進入第二級單色儀內，再經過棱鏡2和物鏡L3和L4進行第二次色散，在出射狹縫3的平面上形成第二級色散光譜，這樣的二級光譜系統有利于消除雜散光，提高了單色儀出射光的光譜純度。只要移動狹縫2的位置便可改變單色光的波長。考慮到棱鏡單色儀色散率在各個波長上不為常數，為保持狹縫3射出的單色光的帶寬為常數，儀器備有自動調整裝置，能自動地改變狹縫1、2、3的寬度。
  圖（4）
  由雙單色儀出射的單色光從狹縫3射出后進入儀器的光度計部分，經過羅雄棱鏡，按原方向出射一束偏振方向隨棱鏡的旋轉而改變。這一光束通過喔拉斯頓棱鏡被分成兩束光；一為參照光束，另一為測量光束。經過雙透鏡分別將兩束光聚焦在測光積分球內壁的兩個部位上。積分球內壁涂有反射比高、漫反射性能好的氧化鎂或硫酸鋇涂料。在參照光束和測量光束投射的部分分別放置參比標準樣品和待測樣品。在喔拉斯頓棱鏡和雙透鏡之間有旋轉的偏振濾光片，使兩束光交替地照射參比標準樣品和待測樣品。在積分球測量窗口裝有光電探測器。當羅雄棱鏡旋轉時，由此出射的一束偏振光的偏振方向發生變化，被喔拉斯頓棱鏡分成的兩束光之間的大小比例就發生改變。如果參比和測量兩束光通量相等，待測樣品和參比標準樣品又具有相同的光譜反射比，則探測器的輸出電信號恒定不變。如果在某些波長上，待測量樣品的反射比低于參比標準樣品的反射比，探測器就會產生脈動震蕩的電信號，交變部分經過放大后輸人私服電機，私服電機依據交流震蕩的相位，通過凸輪驅動羅雄棱鏡按一定方向旋轉，使測量光束的通量增大，參比光束的通量減少，直到參比和待測樣品反射的通量相等，消除了探測器信號的脈動，羅雄棱鏡就處于平衡位置，由于私服電機的轉動與羅雄棱鏡的轉動是同步的，私服電機的轉動就待測樣品與參比標準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給出待測樣品性對于參比標準樣品的光譜反射比（或透射比）曲線。
    波長電機帶動記錄鼓轉動，同時通過波長凸輪移動中間狹縫（狹縫2），以改變單色儀出射光的波長，并使筆尖在記錄紙波長標尺上的位置相應于單色儀出射光的波長。
    當測量透射樣品時，需在積分球的參比標準樣品和待測樣品的部位放置相同光譜反射比的白板，將待測透射樣品放在測量光束進入積分球的入口處。
    美國G.E分光測色儀是一種雙級分光單色儀雙光束光路的測量儀器，采用光學平衡補償法測量，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分光測色儀是近代測色方式中的典型實例，如日力的UV320、UV340、UV3400等儀器都大體相同。他是通過波長掃描機構。順序測量出各個波長上樣品的反射光譜特性。這類儀器精度高，但測量周期長，適用于作物表面反射光譜特性的試驗中作精密的分析測試試用。
    3、MS-2000分光測色儀
     現代由于固體光電探測元件的發展，和計算機技術的廣泛應用，近年出現一種在極短時間內可以快速同時測得物體表面反射或透射光譜特性的快速光譜分析測色儀器：市場見到的CM7000A,ELREPHO2000,3000,MS-2000,MS450等，現以Macbeth MS-2000分光測色儀為例作一簡單介紹：
     圖五---為此儀器的工作原理圖，光源是脈沖氙閃光燈管，通過UV修正濾光片模擬CIE標準照體D65，儀器的光測條件為D/0結構，用積分球漫射方式照明樣品，近似于垂直方向探測物體的漫反射通量。每次測量則由積分球球壁的反射比為參比標準樣品。由電子開光分別參比的輻通量進行比較，將這些模擬信號通過A/D轉換為數字信號，由計算機進行數據處理，給出各種色度參數。參比光束與測量光束射與測量光束射向各自獨立的光譜信號采集器（俗稱單色儀），固定的衍射光柵將觀測光束色散成光譜待，在光譜待前置由一列陣圭光電二級管組成的探測器陣列。各個硅光電二級管分別對應于不同光譜段的窄波長，一般有380~780nm或360NM~750nm,每個硅光電二級管分別對應于不同光譜段的窄段帶波長范圍。閃光燈每次閃光時，這組陣列同時接收信號，信號的幅度值對應于各波長普帶的輻通量。因此，一次閃光即能測得樣品各波長短的光譜特性。此類儀器速度只需要幾秒鐘，對那些需要快速測量的場所非常合適，現已廣泛應用于工曠企業和科學研究中對衍射質量的控制。