| 發布日期：2024-12-19 |
在現代科學和工業等多種領域，對物體的光學特性進行精確測量是至關重要的。光譜儀作為一種高效的測量工具，它能夠準確測量物體的反射光譜，從而揭示物體的化學成分、物理狀態和表面特性。
光纖光譜儀主要由入射狹縫、準直鏡、光柵、聚焦鏡和探測器等部件構成。其工作原理是基于光的色散和探測。當光線通過入射狹縫進入光譜儀后，準直鏡將光線變為平行光，平行光再照射到光柵上。光柵依據不同波長光的衍射特性，將復合光分解為不同波長的單色光，這些單色光沿不同方向傳播，最后通過聚焦鏡聚焦到探測器上，探測器將光信號轉換為電信號，經過處理和分析，就得到了光譜信息。
在反射光譜測量中，光源發出的光照射到被測物體表面，物體對光進行反射。反射光被光纖探頭收集，然后通過光纖傳輸到光纖光譜儀中。光譜儀對反射光進行光譜分析，由于不同物質對不同波長光的反射率不同，通過測量反射光譜，我們就能獲取物體的相關特性信息。
當光入射到物體上時會產生兩種反射，漫反射與鏡面反射。當一束平行光打在一表面光滑的物體上時，反射光線也是相互平行的，這種規律性的反射稱為光的鏡面反射。而對于表面粗糙的物體，入射光線雖然是平行光線，但是反射后的光線則向各個方向分散，此種現象為光的漫反射。測試時，我們需要根據物體表面的特性，選擇漫反射白板或者鏡面反射板為標準版進行校準。
圖1 反射原理示意圖 （左）鏡面反射；（b）漫反射。
（1）高靈敏度與高分辨率：光譜儀能夠探測到微弱的光信號，并且可以精確地分辨出波長相近的光。這使得在測量反射光譜時，即使是反射率差異較小的物質，或者反射光強度較弱的情況，也能得到準確的光譜數據，從而更精準地分析物質特性。
（2）寬光譜范圍：它可以覆蓋較寬的波長范圍，從紫外光到可見光再到近紅外光等。這對于研究具有不同光譜吸收和反射特性的多種物質非常有利。例如在地質勘探中，巖石和礦物在不同光譜段有著不同的反射特征，寬光譜范圍的光纖光譜儀能夠一次性獲取多波段的反射光譜信息，為地質分析提供全面的數據支持。
（3）靈活的光纖探頭：光纖探頭可以方便地放置在不同位置、不同角度對物體進行反射光的采集，能夠適應各種復雜形狀和環境下的測量需求。在狹小空間或者難以直接接觸的物體表面測量反射光譜時，光纖探頭的靈活性就得到了充分體現。
（4）快速測量與數據處理：光譜儀能夠快速地獲取反射光譜數據，并且可以與計算機等設備連接，實現數據的實時處理、存儲和分析。這大大提高了測量效率，在工業生產線上對產品表面反射光譜進行質量檢測時，可以快速判斷產品是否合格，滿足大規模生產檢測的需求。
光譜儀測量反射光譜在材料科學、農業林業、環境科學、文物保護和生物醫學等眾多領域都有著不可或缺的應用，隨著技術的不斷發展和創新，其應用前景將更加廣闊，為各個領域的研究、生產和發展持續提供有力的技術支撐。
? 材料科學領域：可以利用光譜儀研究材料的表面性質，例如材料成分分析、材料的光學性能分析、膜厚測量、顏色測量、材料的表面反應等。通過反射光譜，可以深入了解材料的組成、結構等信息。
? 農業與林業領域；可以用于監測作物的生長狀況、葉片內部色素含量、水分狀況、營養元素情況、病蟲害情況以及土壤的營養成分，幫助農民制定科學的種植策略。例如，在生長過程中，隨著葉片中葉綠素含量的增加，其在藍光和紅光波段的吸收增強，反射率降低，而在近紅外波段的反射率則升高。通過光譜儀定期測量作物葉片的反射光譜，可以實時監測作物的生長狀況，如葉片衰老程度、光合作用效率等。
? 環境科學與監測領域：使用光譜儀進行反射光譜測量，可實現實時大氣污染物監測、水體污染監測、森林生態系統監測等。例如，大氣中的氣溶膠顆粒、有害氣體等污染物會改變太陽光的反射光譜特性。例如，二氧化硫、氮氧化物等污染氣體在紫外和可見光波段具有特定的吸收特征，而氣溶膠顆粒會散射和吸收光線，影響大氣的反射率和散射特性。通過地面光譜儀測量大氣的反射光譜，結合大氣化學模型和光譜分析方法，可以反演大氣中污染物的濃度和分布。這對于城市空氣質量監測、工業污染源排放監測以及大氣污染的預警預報具有重要的應用價值。
? 文物保護與考古領域：光譜儀可以測量藝術品在不同波長下的反射率，進而分析藝術品的顏色、光澤度等表面特性，對于藝術品的鑒定和保護具有重要意義。還可以確定文物的元素組成和涂層的化學成分，幫助考古學家了解文物的制作材料、年代等信息。例如，對于古代陶瓷文物，不同窯口、不同時期的陶瓷在原料配方和燒制工藝上存在差異，其反射光譜也會有所不同。通過與已知產地和年代的陶瓷標準光譜進行對比分析，可以鑒定陶瓷文物的真偽、產地和年代，為文物研究和收藏提供科學依據。
? 生物醫學領域：在生物學領域，光譜儀可用于檢測生物樣品的蛋白質、DNA和RNA等物質的濃度，以及生物分子的振動模式等，從而進行疾病診斷、組織學光學特性評估等，為生物醫學研究提供重要的信息支持。例如，白癜風患者的皮膚由于缺乏黑色素，在紫外和可見光波段的反射率明顯升高；而皮膚癌組織與正常皮膚組織在細胞結構和血管分布上的不同，會導致其反射光譜在特定波段出現特征性變化。通過光譜儀測量皮膚的反射光譜，可以輔助醫生進行皮膚疾病的早期診斷、病情監測和治療效果評估，實現非侵入式、快速、準確的皮膚疾病檢測。
（一）測量系統組成
（1）反射光纖系統
光源：使用寬光譜光源，提供連續的光譜范圍，確保測量結果的準確性。
反射光纖：使用1分2的反射光纖，用于傳輸光源信號及反射光信號。
光譜儀：根據需求光譜范圍、分辨率和靈敏度要求等選擇合適的光譜儀，采集反射光譜數據，并進行分析。
采樣附件：用于固定光纖探頭，滿足不同樣品的測量需求。
圖2 使用反射光纖進行反射測量搭建示意圖
（2）積分球系統
光源：使用寬光譜光源，提供連續的光譜范圍，確保測量結果的準確性。
光纖：使用兩根光纖，一根用于將光源的光引入積分球中，另一根用于接收反射光，并傳輸至光譜儀中。
積分球：在反射測量系統中，積分球能夠產生一個均勻的光源，這對于反射測量至關重要。通過確保光源的均勻性，可以消除因光源不均勻而導致的測量誤差。
光譜儀：根據需求光譜范圍、分辨率和靈敏度要求等選擇合適的光譜儀，采集反射光譜數據，并進行分析。
采樣附件：用于固定光纖探頭，滿足不同樣品的測量需求。
圖3 使用積分球進行反射測量搭建示意圖
（3）地物反射探頭系統
反射探頭：OFS2500-45/0反射探頭主要搭配地物光譜儀使用，為土壤、礦石、遙感、農作物、海洋、內陸水質、林業與生態等的測量與研究提供解決方案。其采用45度入射角和0度接收角的光路設計，能夠提供準確、可靠的反射率測量結果，內含鎢燈、積分球和驅動電路設計，可提供高亮度、穩定的光源，以及精準的電路控制。該產品適用于各種行業和場景，如造紙、建筑、土壤、植被、地礦和玻璃制造等。
地物光譜儀：寬光譜范圍，可覆蓋350-2500nm波段，采用先進處理器，使用節電設計，并縮小了設備體積，能夠對現場樣品進行便攜測量，可滿足反射、透射、輻射、顏色等多種模式的測量，支持一鍵操作，測量方便、簡單快捷、容易掌握。
圖4 使用反射探頭搭配地物光譜儀系統搭建示意圖
（4）手持光譜儀反射探頭系統
反射探頭：PRB-D0-IS30反射探頭可應用于造紙、建筑、土壤、植被、地礦和玻璃制造等行業和場景的反射率測量。探頭內置鹵鎢燈光源、驅動電路、電池和積分球。具有小巧便捷、持久耐用和操作簡單等優勢。
光纖：用于接收反射光信號并傳輸至光譜儀。
光譜儀：可搭配手持光譜儀使用。
圖5 使用反射探頭搭配手持光譜儀系統搭建示意圖
（二）系統搭建及推薦配置
光譜儀反射測量系統是一個高精度的檢測平臺，它通過將光源發出的光經過光纖傳輸至樣品，確保光能夠有效地照射到樣品表面并收集反射光，光信號再經過光纖/積分球后傳輸到光譜儀中進行處理，軟件算法負責處理光譜儀收集到的光譜數據，將其于標準板明暗光譜對比后轉換為反射率數據。該系統可實現對樣品反射率的快速、精確測量，廣泛應用于材料科學、光學鍍膜、半導體制造、環境監測及藝術文物保存等領域，以分析物質表面特性、質量控制和保護處理等多種領域。
表1 推薦配置
使用如海光電的反射率測量系統測試不同顏色布料的反射率，連接儀器如圖6所示：將反射探頭固定在測量支架上，并將近紅外石英反射光纖的六芯端連接鎢燈光源，一芯端連接光譜儀。為鎢燈接通電源并用USB數據線將光譜儀與電腦相連。
圖6 測試場景示意圖
5.1 測試方法
（1）打開鎢燈光源預熱3-5分鐘；打開光譜采集分析軟件，運行模式選擇反射模式；
（2）采集參數設置為：積分時間200ms，積分次數10次；
（3）保存暗背景光譜：將遮光片插入鎢燈光源出光口處，點擊“單次”按鈕采集暗光譜，采集結束后保存暗光譜；
（4）保存明背景光譜：取出遮光片，將漫反射標準板置于反射探頭前，點擊“單次”按鈕采集明光譜，采集結束后保存明光譜；
（5）將標準色卡放置于Y型反射探頭下的載物臺上，點擊“單次”采集樣品的反射率譜圖；
（6）光譜采集完成后點擊導出數據即可完成數據保存，并且可從軟件界面右側讀取出相關光色參數，色坐標XYZ、三刺激值xyz、Lab、太陽光反射比、近紅外反射比等數據。
5.2 實驗數據
測得的13個樣品的反射率譜圖如圖7所示：
圖7 不同顏色布料樣品的反射率譜圖
5.3 結論
在本實驗中，使用由如海光電提供的反射率測試系統對不同顏色布料的反射率進行測試，成功測得13個樣品的反射率譜圖，展示了不同顏色布料樣品的光譜特性。結果表明，反射光譜可以區分不同顏色布料。
