| 发布日期：2024-12-19 |
在现代科学和工业等多种领域，对物体的光学特性进行精确测量是至关重要的。光谱仪作为一种高效的测量工具，它能够准确测量物体的反射光谱，从而揭示物体的化学成分、物理状态和表面特性。
光纤光谱仪主要由入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜和探测器等部件构成。其工作原理是基于光的色散和探测。当光线通过入射狭缝进入光谱仪后，准直镜将光线变为平行光，平行光再照射到光栅上。光栅依据不同波长光的衍射特性，将复合光分解为不同波长的单色光，这些单色光沿不同方向传播，最后通过聚焦镜聚焦到探测器上，探测器将光信号转换为电信号，经过处理和分析，就得到了光谱信息。
在反射光谱测量中，光源发出的光照射到被测物体表面，物体对光进行反射。反射光被光纤探头收集，然后通过光纤传输到光纤光谱仪中。光谱仪对反射光进行光谱分析，由于不同物质对不同波长光的反射率不同，通过测量反射光谱，我们就能获取物体的相关特性信息。
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。测试时，我们需要根据物体表面的特性，选择漫反射白板或者镜面反射板为标准版进行校准。
图1 反射原理示意图 （左）镜面反射；（b）漫反射。
（1）高灵敏度与高分辨率：光谱仪能够探测到微弱的光信号，并且可以精确地分辨出波长相近的光。这使得在测量反射光谱时，即使是反射率差异较小的物质，或者反射光强度较弱的情况，也能得到准确的光谱数据，从而更精准地分析物质特性。
（2）宽光谱范围：它可以覆盖较宽的波长范围，从紫外光到可见光再到近红外光等。这对于研究具有不同光谱吸收和反射特性的多种物质非常有利。例如在地质勘探中，岩石和矿物在不同光谱段有着不同的反射特征，宽光谱范围的光纤光谱仪能够一次性获取多波段的反射光谱信息，为地质分析提供全面的数据支持。
（3）灵活的光纤探头：光纤探头可以方便地放置在不同位置、不同角度对物体进行反射光的采集，能够适应各种复杂形状和环境下的测量需求。在狭小空间或者难以直接接触的物体表面测量反射光谱时，光纤探头的灵活性就得到了充分体现。
（4）快速测量与数据处理：光谱仪能够快速地获取反射光谱数据，并且可以与计算机等设备连接，实现数据的实时处理、存储和分析。这大大提高了测量效率，在工业生产线上对产品表面反射光谱进行质量检测时，可以快速判断产品是否合格，满足大规模生产检测的需求。
光谱仪测量反射光谱在材料科学、农业林业、环境科学、文物保护和生物医学等众多领域都有着不可或缺的应用，随着技术的不断发展和创新，其应用前景将更加广阔，为各个领域的研究、生产和发展持续提供有力的技术支撑。
Ø 材料科学领域：可以利用光谱仪研究材料的表面性质，例如材料成分分析、材料的光学性能分析、膜厚测量、颜色测量、材料的表面反应等。通过反射光谱，可以深入了解材料的组成、结构等信息。
Ø 农业与林业领域；可以用于监测作物的生长状况、叶片内部色素含量、水分状况、营养元素情况、病虫害情况以及土壤的营养成分，帮助农民制定科学的种植策略。例如，在生长过程中，随着叶片中叶绿素含量的增加，其在蓝光和红光波段的吸收增强，反射率降低，而在近红外波段的反射率则升高。通过光谱仪定期测量作物叶片的反射光谱，可以实时监测作物的生长状况，如叶片衰老程度、光合作用效率等。
Ø 环境科学与监测领域：使用光谱仪进行反射光谱测量，可实现实时大气污染物监测、水体污染监测、森林生态系统监测等。例如，大气中的气溶胶颗粒、有害气体等污染物会改变太阳光的反射光谱特性。例如，二氧化硫、氮氧化物等污染气体在紫外和可见光波段具有特定的吸收特征，而气溶胶颗粒会散射和吸收光线，影响大气的反射率和散射特性。通过地面光谱仪测量大气的反射光谱，结合大气化学模型和光谱分析方法，可以反演大气中污染物的浓度和分布。这对于城市空气质量监测、工业污染源排放监测以及大气污染的预警预报具有重要的应用价值。
Ø 文物保护与考古领域：光谱仪可以测量艺术品在不同波长下的反射率，进而分析艺术品的颜色、光泽度等表面特性，对于艺术品的鉴定和保护具有重要意义。还可以确定文物的元素组成和涂层的化学成分，帮助考古学家了解文物的制作材料、年代等信息。例如，对于古代陶瓷文物，不同窑口、不同时期的陶瓷在原料配方和烧制工艺上存在差异，其反射光谱也会有所不同。通过与已知产地和年代的陶瓷标准光谱进行对比分析，可以鉴定陶瓷文物的真伪、产地和年代，为文物研究和收藏提供科学依据。
Ø 生物医学领域：在生物学领域，光谱仪可用于检测生物样品的蛋白质、DNA和RNA等物质的浓度，以及生物分子的振动模式等，从而进行疾病诊断、组织学光学特性评估等，为生物医学研究提供重要的信息支持。例如，白癜风患者的皮肤由于缺乏黑色素，在紫外和可见光波段的反射率明显升高；而皮肤癌组织与正常皮肤组织在细胞结构和血管分布上的不同，会导致其反射光谱在特定波段出现特征性变化。通过光谱仪测量皮肤的反射光谱，可以辅助医生进行皮肤疾病的早期诊断、病情监测和治疗效果评估，实现非侵入式、快速、准确的皮肤疾病检测。
（一）测量系统组成
（1）反射光纤系统
光源：使用宽光谱光源，提供连续的光谱范围，确保测量结果的准确性。
反射光纤：使用1分2的反射光纤，用于传输光源信号及反射光信号。
光谱仪：根据需求光谱范围、分辨率和灵敏度要求等选择合适的光谱仪，采集反射光谱数据，并进行分析。
采样附件：用于固定光纤探头，满足不同样品的测量需求。
图2 使用反射光纤进行反射测量搭建示意图
（2）积分球系统
光源：使用宽光谱光源，提供连续的光谱范围，确保测量结果的准确性。
光纤：使用两根光纤，一根用于将光源的光引入积分球中，另一根用于接收反射光，并传输至光谱仪中。
积分球：在反射测量系统中，积分球能够产生一个均匀的光源，这对于反射测量至关重要。通过确保光源的均匀性，可以消除因光源不均匀而导致的测量误差。
光谱仪：根据需求光谱范围、分辨率和灵敏度要求等选择合适的光谱仪，采集反射光谱数据，并进行分析。
采样附件：用于固定光纤探头，满足不同样品的测量需求。
图3 使用积分球进行反射测量搭建示意图
（3）地物反射探头系统
反射探头：OFS2500-45/0反射探头主要搭配地物光谱仪使用，为土壤、矿石、遥感、农作物、海洋、内陆水质、林业与生态等的测量与研究提供解决方案。其采用45度入射角和0度接收角的光路设计，能够提供准确、可靠的反射率测量结果，内含钨灯、积分球和驱动电路设计，可提供高亮度、稳定的光源，以及精准的电路控制。该产品适用于各种行业和场景，如造纸、建筑、土壤、植被、地矿和玻璃制造等。
地物光谱仪：宽光谱范围，可覆盖350-2500nm波段，采用先进处理器，使用节电设计，并缩小了设备体积，能够对现场样品进行便携测量，可满足反射、透射、辐射、颜色等多种模式的测量，支持一键操作，测量方便、简单快捷、容易掌握。
图4 使用反射探头搭配地物光谱仪系统搭建示意图
（4）手持光谱仪反射探头系统
反射探头：PRB-D0-IS30反射探头可应用于造纸、建筑、土壤、植被、地矿和玻璃制造等行业和场景的反射率测量。探头内置卤钨灯光源、驱动电路、电池和积分球。具有小巧便捷、持久耐用和操作简单等优势。
光纤：用于接收反射光信号并传输至光谱仪。
光谱仪：可搭配手持光谱仪使用。
图5 使用反射探头搭配手持光谱仪系统搭建示意图
（二）系统搭建及推荐配置
光谱仪反射测量系统是一个高精度的检测平台，它通过将光源发出的光经过光纤传输至样品，确保光能够有效地照射到样品表面并收集反射光，光信号再经过光纤/积分球后传输到光谱仪中进行处理，软件算法负责处理光谱仪收集到的光谱数据，将其于标准板明暗光谱对比后转换为反射率数据。该系统可实现对样品反射率的快速、精确测量，广泛应用于材料科学、光学镀膜、半导体制造、环境监测及艺术文物保存等领域，以分析物质表面特性、质量控制和保护处理等多种领域。
表1 推荐配置
使用如海光电的反射率测量系统测试不同颜色布料的反射率，连接仪器如图6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6 测试场景示意图
5.1 测试方法
（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。
5.2 实验数据
测得的13个样品的反射率谱图如图7所示：
图7 不同颜色布料样品的反射率谱图
5.3 结论
在本实验中，使用由如海光电提供的反射率测试系统对不同颜色布料的反射率进行测试，成功测得13个样品的反射率谱图，展示了不同颜色布料样品的光谱特性。结果表明，反射光谱可以区分不同颜色布料。
