| 发布日期：2022-06-02 |
当光入射到物体上时会产生两种反射，漫反射与镜面反射。当一束平行光打在一表面光滑的物体上时，反射光线也是相互平行的，这种规律性的反射称为光的镜面反射。而对于表面粗糙的物体，入射光线虽然是平行光线，但是反射后的光线则向各个方向分散，此种现象为光的漫反射。
图1.镜面反射、漫反射原理示意图
物体在发生漫反射时，部分入射光在颗粒表面产生镜面反射，另一部分入射光产生折射进入表面颗粒内部，产生吸收，且吸收强度与入射波长相关。反射光谱即入射光强度与反射光强度的比值随波长的变化。
采集反射光谱时首先对光谱反射率已知的标准白板进行测量，得到其光电流谱，则有：
再测量待测样品，得到其光电流谱，又有：
两式相除，就得到待测样品的光谱反射率：
通过上面的计算过程，我们可以看出系统的光谱特性参数（测试仪器产生的所有影响）在最后一步被消除，也就是说它不会对测量结果产生影响，即使外部因素的影响使得系统的光谱特性参数发生了变化，在比较法的测量中也会被完全消除。
应用领域
Ø 膜厚测量
Ø 颜色测量
Ø 肉类分选
Ø 地物光谱测量
Ø 药物成分分析
Ø 纺织品材质检测
Ø 农产品水分、糖分定量分析
Ø …………
实验示例
本文中所用到搭建的反射光谱测量系统包括光源、光纤探头、光谱仪、高漫反射校准板和采样附件。
光源可采用可调式卤钨灯，本文所用的卤钨灯是一款桌面型低功耗高光输出的光纤耦合输出卤钨灯，其波长范围覆盖了360-2500 nm。灯泡使用寿命长达6000小时。 高效优化的光学设计使得卤钨灯具备低功耗高亮度输出优点。优化的稳流电路设计，确保了卤钨灯光源的稳光谱输出。
Y型反射光纤探头测量物体反射率的原理如图1所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，在传感系统中，一支为接收光纤，另一支为光源光纤，光纤只起到传输信号的作用。当光源发出的光经光纤照射到反射体，被反射的光经过接收光纤连接至接收器，将光信号转换为电信号，其输出光强决定于反射体距光纤探头距离，通过对光强的检测而反射光谱。利用Y型反射光纤探头对物体采样具有：操作简便、对待测样品无损、对无接触式连续测量等优点。
图2. Y型近红外光纤示意图
光谱仪是反射率测量系统中的核心部分，实验中采用XSM11639宽光谱高速光纤光谱仪，光谱范围200~1100 nm，并配备双闪耀光栅及消高阶滤光片，灵敏度高，高度集成的电路和紧凑的结构设计保证了光谱仪良好的通信速度和波长稳定性，使工作光谱范围不受材料的影响。搭配近红外石英光纤，由光纤引入光信号使仪器内部与外界环境隔绝，在一定程度上能减小外界环境的干扰。
高漫反射校准板即标准白板，用于传递反射比的校准器，可分为传递标准白板、工作标准白板和参比白板，其技术要求应符合GB/T 9086-2007中5.1、5.3的规定，对于镜面反射样品，可采用镜面反射标准板作为参比。
本实验所需仪器设备如下表所示
MS11639光纤光谱仪 | |
软件 | UspectralPlus软件 |
光源 | HL2000-ADJ连续可调卤钨灯 |
光纤 | QR600*7-VIS-NIR-2近红外石英反射光纤 |
附件 | 漫反射标准板 |
MS光纤光谱仪：MS光纤光谱仪是一款光谱范围为200nm-1100nm的光纤光谱仪。检测器采用滨松COMS探测器， 16-bit A/D采样和75%的量子效率为光谱仪提供高信噪比和大的动态范围。 该光谱仪在UV-VIS-NIS具有良好的响应性能。相对常见产品， 采用双闪耀光栅，优化了UV 和NIR波段的光谱响应，且提升了光谱仪灵敏度20%效率，并有效降低了50%的杂散光。配置双闪耀光栅的MS11639光谱仪，有效平衡全谱段响应，可以广泛应用在理化分析、生物样品、半导体材料检测，光学检测和材料检测等领域。
HL2000-ADJ连续可调卤钨灯：HL2000-ADJ连续可调卤钨灯是一款桌面型低功耗高光输出的光纤耦合输出卤钨灯，其波长范围覆盖了360-2500 nm。灯泡使用寿命长达6000小时。 高效优化的光学设计使得卤钨灯具备低功耗高亮度输出优点。优化的稳流电路设计，确保了卤钨灯光源的稳光谱输出。
QR600*7-VIS-NIR-2近红外石英反射光纤：采用7芯复合设计，芯径105、200、400、600、1000μm可选，波段囊括深紫外至近红外。
1.仪器连接：
连接仪器如图1所示：将反射探头固定在测量支架上，并将近红外石英反射光纤的六芯端连接钨灯光源，一芯端连接光谱仪。为钨灯接通电源并用USB数据线将光谱仪与电脑相连。
图3. 反射率测量装置搭建
2.光谱采集：
（1）打开钨灯光源预热3-5分钟；打开光谱采集分析软件，运行模式选择反射模式；
（2）采集参数设置为：积分时间200ms，积分次数10次；
（3）保存暗背景光谱：将遮光片插入钨灯光源出光口处，点击“单次”按钮采集暗光谱，采集结束后保存暗光谱；
（4）保存明背景光谱：取出遮光片，将漫反射标准板置于反射探头前，点击“单次”按钮采集明光谱，采集结束后保存明光谱；
（5）将标准色卡放置于Y型反射探头下的载物台上，点击“单次”采集样品的反射率谱图；
（6）光谱采集完成后点击导出数据即可完成数据保存，并且可从软件界面右侧读取出相关光色参数，色坐标XYZ、三刺激值xyz、Lab、太阳光反射比、近红外反射比等数据，其具体操作界面如下图所示。
图4. UspectralPlus软件颜色测量模式界面
测得的13个样品的反射率谱图如图3所示：
图5. 不同颜色布料样品的反射率谱图
