微型光譜儀常見應(yīng)用解決方案

微型光譜儀是一種緊湊型的光學(xué)設(shè)備，用于分析光的波長或頻譜分布。它通過將光分解為不同的波長，測量每個波長的強(qiáng)度，進(jìn)而幫助識別物質(zhì)的化學(xué)成分、物理特性等。被廣泛應(yīng)用于輻射度學(xué)分析、顏色測量、化學(xué)成份分析等領(lǐng)域，在冶金、地質(zhì)、水文、醫(yī)藥、石油化工、環(huán)境保護(hù)、宇宙探索等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，微型光譜儀的性能不斷提高，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。

接下來將對萊森光學(xué)的微型光譜相關(guān)應(yīng)用解決方案進(jìn)行展開介紹。

原理介紹

• 微型光譜儀原理介紹

光纖光譜儀的主要作用是對光譜進(jìn)行鑒別，并對其進(jìn)行分析，建立了一種基于該功能特性的光學(xué)系統(tǒng)。光譜儀一般由分光系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其工作原理是將光源發(fā)出的復(fù)色光按照不同的波長分離出來，配合各種光電探測器件對譜線強(qiáng)度進(jìn)行測量，獲得光譜功率（輻射）分布，再計算出色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、光通量、輻射通量等光色性能參數(shù)。

光譜儀組件：①入射狹縫 ②衍射光柵或棱鏡 ③探測器④路由光學(xué)器件 ⑤高階濾光片

• 透射/反射光譜測量原理介紹

光纖光譜儀通常以比較法來測定光譜的反射率或透過率，即參考樣品與樣本在相同波長上反射或透射的單一顏色的輻射能量，以測定樣本的反射率或透過率等。

在透過率測量時，象素n上的透過率是用當(dāng)前樣品、參考和背景數(shù)據(jù)按下面方程計算出來的：

式中T-----------透過率

Sample-----------樣品透過強(qiáng)度值

Ref------------參考樣片透過強(qiáng)度

Dark-----------背景數(shù)據(jù)

透過率的百分比在數(shù)學(xué)上與反射率是一樣的，所以同樣可以用于反射實驗，反射測試中ref為參考板反射強(qiáng)度（如果需要測量絕對反射率值，需要在式中乘以系數(shù)C，C為參考反射板在每個波長的絕對反射率值）。

• 單光路測試：

1. 首先不放樣品，測出100%透射的光譜信號；

2. 放入樣品測試光譜信號

3. 兩個信號進(jìn)行比較得到的透射率

• 雙光路測試：

1. 參照光和主光束分別被探測器接收；

2. 透射率=主光束強(qiáng)度/參考光強(qiáng)度;

3. 測試前要進(jìn)行系統(tǒng)光譜校正。

• 薄膜測量原理介紹

當(dāng)入射光穿透不同物質(zhì)的界面時將會有部分的光被反射，由于光的波動性導(dǎo)致從多個界面的反射光彼此干涉，這兩部分反射光可能干涉相長（強(qiáng)度相加）或干涉相消（強(qiáng)度相減），這取決于它們的相位關(guān)系。而相位關(guān)系取決于這兩部分反射光的光程差，光程差又是由薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)和光波長決定的。

薄膜測量系統(tǒng)是基于白光干涉的原理來確定光學(xué)薄膜的厚度。白光干涉圖樣通過數(shù)學(xué)函數(shù)的計算得出薄膜厚度。對于單層膜來說，如果已知薄膜介質(zhì)的n和k值就可以計算出它的物理厚度。使用微型光譜儀測量薄膜的厚度主要是通過反射光譜，反射光譜曲線中干涉峰的出現(xiàn)是薄膜干涉的結(jié)果。

薄膜測量原理示意圖

光鍍有折射率為η膜層折射率為n1的基板光路示意圖

• 顏色測量原理介紹

顏色可以簡略分為反射顏色，透射顏色，光源色和結(jié)構(gòu)色，前三種最為常見。待測物的反射/透射顏色取決于待測物的光譜反射率/透射率，參考光源和觀察條件。光源色取決于光源光譜。結(jié)構(gòu)色與物體表面特殊的衍射結(jié)構(gòu)有關(guān)。

光譜測色是利用光譜儀獲取光源發(fā)射或物體透反射的可見光波段的光譜進(jìn)行分析。

根據(jù)色度學(xué)理論，任何顏色可用三個對人眼的顏色三刺激值來表示，因此獲得顏色三刺激值正是測色儀器的測量目的。

顏色三刺激值可以通過顏色刺激函數(shù)分別乘以CIE光譜三刺激值，并在整個可見光譜范圍內(nèi)分別對這些乘積進(jìn)行積分。計算公式如下：

• 輻射測量原理介紹

輻射測量一般要通過已知光譜能量分布的標(biāo)準(zhǔn)光源，對光譜儀系統(tǒng)進(jìn)行絕對輻射標(biāo)定，才能通過量化參數(shù)進(jìn)行輻射測量。輻射能量與人眼視覺相關(guān)聯(lián)（光度學(xué)），可以得到按照CIE中所定義的表征觀測者平均視覺的光譜發(fā)光效率函數(shù)。因此輻射測量定義輻射度學(xué)參數(shù)、光度學(xué)參數(shù)、色度學(xué)參數(shù)。

輻射測量可以用于測量發(fā)光光源，也可以用于測量反射光。

1. 太陽輻射：99.9%的能量集中在0.2~10μm（C區(qū)域），其中太陽光譜在0.29~3μm占97%，稱為短波輻射（A區(qū)域）

2. 紫外輻射：波長小于0.4μm（D區(qū)域）

3. 可見光輻射：0.4~0.76μm（E區(qū)域）

4. 紅外輻射：波長大于0.76μm（F區(qū)域）

5. 地球輻射：是地表、大氣、氣溶膠、云層所發(fā)射的長波輻射3~100μm（B區(qū)域）

• 吸光度測量原理介紹

當(dāng)光束照射到物質(zhì)上時，光與物質(zhì)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生了反射、散射、吸收或透射。當(dāng)入射光頻率與物質(zhì)分子的震動頻率一致，或者入射光引起物質(zhì)分子電子能級躍遷，都會產(chǎn)生光學(xué)吸收現(xiàn)象。溶液的濃度越高，穿過溶液的分子也會相應(yīng)地被吸收越多。

吸光度是指光線通過溶液或某一物質(zhì)前的入射光強(qiáng)度與該光線通過溶液或物質(zhì)后的透射光強(qiáng)度比值的以10為底的對數(shù)(即lg(I0/I1)) ，其中I0為入射光強(qiáng)，I1為透射光強(qiáng)，影響它的因素有溶劑、濃度、溫度等等。

在吸光度的測量中，有時也用透光率或透光度表示物質(zhì)對光的吸收程度。透光率以T表示：T=I/I₀，則吸光度與透光率之間的關(guān)系為A=lgI₀/I=lg1/T。

• 熒光測量原理介紹

熒光從廣義上來說是指一種發(fā)光現(xiàn)象，分子發(fā)出的光。有幾種類型的發(fā)光：光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、電致發(fā)光。

熒光測量的原理是基于分子的能級結(jié)構(gòu)和分子的熒光現(xiàn)象。利用物質(zhì)在受到光激發(fā)后，部分電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，然后在短時間內(nèi)通過非輻射躍遷或受激發(fā)射的方式，退回到基態(tài)。在這個過程中，物質(zhì)釋放出能量，并以熒光的形式輻射出來，產(chǎn)生熒光信號。在熒光測量中，使用光譜儀對樣品進(jìn)行測量。熒光光譜儀可以通過調(diào)整激發(fā)波長和檢測波長，以及對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，來獲取樣品的熒光光譜數(shù)據(jù)。

熒光和磷光的吸收和發(fā)光過程能量圖

而在現(xiàn)階段光致發(fā)光材料的研究中，對熒光量子效率的計算非常重要，因為這是反映光致發(fā)光材料發(fā)光能力的重要特征指標(biāo)。

熒光量子效率可以使用下列公式表達(dá)：

• 拉曼測量原理介紹

拉曼光譜測量是一種無損的光學(xué)分析技術(shù)，其基本原理基于印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，它是基于光和材料的相互作用而產(chǎn)生的。拉曼光譜可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度及分子相互作用的詳細(xì)信息。

能級圖展表示出不同的能級相對應(yīng)的拉曼訊號，線的粗細(xì)大致成比例約略描述訊號的大小

拉曼光譜是由物質(zhì)分子對光源的散射產(chǎn)生的，與分子的振動與轉(zhuǎn)動能級的變化有關(guān)，來源于分子極化度的變化，是由有對稱電荷分布的鍵的對稱振動引起的。我們可以通過光激發(fā)分子運(yùn)動，然后解釋這種相互作用，從而對樣品進(jìn)行化學(xué)分析。

拉曼光譜可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度及分子相互作用的詳細(xì)信息。一張拉曼譜圖通常由一定數(shù)量的拉曼峰構(gòu)成，每個拉曼峰代表了相應(yīng)的拉曼散射光的波長位置和強(qiáng)度。

拉曼光譜圖與物質(zhì)特征之間的關(guān)系

拉曼光譜（包括峰位和相對強(qiáng)度） 提供了物質(zhì)獨一無二的化學(xué)指紋，可以用于識別該物質(zhì)并區(qū)別于其他物質(zhì)。實際測試的拉曼光譜往往很復(fù)雜，通過譜峰歸屬來判定未知物相對比較復(fù)雜，而通過拉曼光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索來尋找與之匹配的結(jié)果，則可以快速對未知物進(jìn)行判別。

微型光譜儀常見應(yīng)用解決方案

• 透射/反射光譜測量解決方案

• BRDF/BTDF測量

萊森光學(xué)BRDF系列產(chǎn)品可全方位分析測量材料表面的反射、透射特性，可測參數(shù)包括材料的雙向透射分布(BTDF)、雙向反射分布(BRDF)等。

• 透射率：

透射指入射光通過折射穿過物體后的出射現(xiàn)象。透過的對象多為透明體或半透明體，例如，玻璃、濾光片等。透過率光譜反映了樣品對于光的透過特性，表示透明體透過光的程度，若樣品是無色透明的，除少數(shù)光被反射外，大多數(shù)光均透過物體。對于完全平坦的樣品，可以用0度角入射，180度角接收；對粗糙的樣品，要求要0度角入射，積分球接收。

透過率測量連接示意圖

• 反射率：

反射率是指由反射部分（含鏡面反射和漫反射）占入射輻射的比例。反射光譜可以用作反射率測量、折射率測量、顏色參數(shù)測量和薄膜厚度測量等方面測量，且廣泛的應(yīng)用于反射型元件的光學(xué)性質(zhì)測量等。

在反射率測量中，光纖探頭通過將光纖光源直接照射到樣品上，然后再通過另一根或相同的光纖來收集從樣品表面反射的光，這種裝置通常適用于測量樣品表面的定向反射光，也稱為鏡面反射。

反射率測量（探頭）連接示意圖

而積分球是一種具有高反射率內(nèi)壁的球形裝置，它通過其內(nèi)部的漫反射機(jī)制，將進(jìn)入積分球的光進(jìn)行多次反射，并在球體內(nèi)部均勻分布。樣品的反射光被均勻地收集后，通過一個檢測口被光譜儀接收。這種方法非常適合測量漫反射和全反射。

• 相關(guān)應(yīng)用：

1. 廣泛應(yīng)用于航天遙感、地質(zhì)測量、精密制導(dǎo)、目標(biāo)仿真、光學(xué)設(shè)計，AR/VR/MR等領(lǐng)域。

2. 主要用于光學(xué)系統(tǒng)光機(jī)件表面的散射測量，可實現(xiàn)對玻璃、金屬、塑料、紙張、紡織品、油漆、涂層、光學(xué)膜材料等諸多材料進(jìn)行表征分析。

3. 航天領(lǐng)域的光學(xué)表面污染檢測，表面材料特性檢測，外表面熱控材料散射檢測。

4. 用于材料的模擬和仿真的光學(xué)組件和特殊材料的表面散射測量。

• 薄膜測量解決方案

基于白光干涉理論，利用萊森光學(xué)光纖光譜儀可以實現(xiàn)薄膜的高精度測量。這種測量方法通過正角度入射的反射率來獲取薄膜的厚度和折射率信息，并通過提取光入射薄膜前后的相位變化來進(jìn)行計算。相比傳統(tǒng)的光度法和偏法，這種測量方法具有更高的精度和更快的測量速度，同時結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，為光學(xué)薄膜厚度的測量提供了一種簡便、快速且可靠的解決方案。

薄膜測量連接示意圖

• 相關(guān)應(yīng)用：

1. 半導(dǎo)體領(lǐng)域：GaN涂層、SiO₂、光刻膠、SOI等

2. 顯示面板領(lǐng)域：涂布厚度檢測等

3. 精密光學(xué)領(lǐng)域：二氧化硅膜、氟化鈣膜等

4. 聚合物薄膜、PET、PC、亞克力等

5. 光學(xué)鍍膜：硬涂層、抗反射層等

• 顏色測量解決方案

顏色測量包含三個基本要素：參考光源，參考標(biāo)準(zhǔn)源，光譜采集裝置。常用參考光源為鹵鎢燈或氙燈。參考標(biāo)準(zhǔn)源一般多用漫反射標(biāo)準(zhǔn)板。光譜采集裝置則有光纖光譜儀和配套附件組成。光譜儀必須涵蓋可見光波段，并且要具有足夠的靈敏度和穩(wěn)定性，配套附件包括光纖探頭和積分球等。

輻射-光源顏色測量

LED顏色測量

• 相關(guān)應(yīng)用：

1. 農(nóng)產(chǎn)品加工：肉類，果蔬等品質(zhì)分類

2. 照明行業(yè)：LED顏色分析

3. 紡織行業(yè)：紡織物色差鑒定

4. 造紙行業(yè)：紙品顏色控制

5. 化工行業(yè)：油漆，涂料等品質(zhì)控制

6. 醫(yī)學(xué)檢測：血跡檢測

LED顏色測量

• 輻射測量解決方案

一般來說輻射測量系統(tǒng)由光譜儀、光纖、積分球（余弦矯正器）、支架組成，系統(tǒng)測量待測光源前需要使用標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)。

余弦輻射探頭采集示意圖

積分球光采集-光源在內(nèi)采集示意圖

積分球光采集-光源在外采集示意圖

• 相關(guān)應(yīng)用：

1. 光源輻照度測試

2. 顯示器的顏色監(jiān)控：獲得顯示器的亮度值

3. 太陽光譜研究：獲得太陽光譜的能量分布、測量太陽、大氣的輻照能量或者照射到物體上反射的二次輻照

4. 太陽模擬器光譜匹配度測試

5. LED路燈在線質(zhì)量控制

• 吸光度測量解決方案

近年來，隨著光纖光譜儀的普及，越來越多的科研、企業(yè)實驗室、工業(yè)在線分析用戶采用這種選擇采用光纖光譜儀來替代傳統(tǒng)實驗室用的分光光度計。相比傳統(tǒng)的分光光度計，光纖光譜儀具有穩(wěn)定性好、體積小、重量輕、快速檢測且低成本的優(yōu)勢，能夠滿足多種應(yīng)用場合下對吸光度的測量要求。

• 液體吸光度測量

比色皿支架適用于能夠簡單的使用比色皿支架進(jìn)行測量的樣品。無需暗室操作，操作簡便、消耗試劑量小、重復(fù)性好、測量精度高、檢測快速。

當(dāng)無法將樣品放入比色皿時，可以選擇透射吸收探頭。把探頭浸入或固定在液體中就可以測量，適用于溶液在線分析，可避免二次污染。

• 氣體吸光度測量

在氣體的吸光度測量中一般選擇高濃度樣品或者選擇長光程容器進(jìn)行測量。光學(xué)密度 OD 值直接影響測試樣品所需容器的光程選擇。光學(xué)密度越高，所需要的光程就越短。

吸光度測量（氣室）

• 相關(guān)應(yīng)用：

1. 生物學(xué)領(lǐng)域：核酸和蛋白質(zhì)或者其他小體積樣品分析

2. 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：血液中各成分含量；可用于對酸堿平衡失調(diào)等疾病的診斷

3. 環(huán)保領(lǐng)域：監(jiān)測污水中有機(jī)物、水中溶解氧和二氧化碳的含量；監(jiān)測大氣中臭氧等化學(xué)物質(zhì)；汽車尾氣分析

4. 食品領(lǐng)域：測量分析橄欖油純度

5. 還可廣泛應(yīng)用與石化、原材料和制藥等領(lǐng)域

特級初榨橄欖油（EVOO）和初榨橄欖油（VOO）樣品的實驗近紫外-可見吸收光譜曲線

特級初榨橄欖油（EVOO）樣品（即T1）的近紫外-可見吸收光譜曲線

• 熒光測量解決方案

熒光光譜測量解決方案主要包括選擇合適的激發(fā)光源、光譜儀及附件，通過調(diào)整激發(fā)波長和檢測波長，對樣品進(jìn)行熒光光譜數(shù)據(jù)的獲取。

熒光光譜測量首先需要明確測量樣品的類型和要求。其次，需要確定熒光光譜測量的條件和參數(shù)，如激發(fā)波長、檢測波長、積分時間等。最后，需要制定熒光光譜測量的標(biāo)準(zhǔn)操作流程和數(shù)據(jù)分析方法。常用光源如LED和鹵鎢燈，配合光譜儀和比色皿支架、反射探頭等附件，確保測量精度。該方案廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物分析等領(lǐng)域，具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)等特點。

• 相關(guān)應(yīng)用：

1. 生物分析：熒光光譜可以用于分析生物分子，如蛋白質(zhì)、核酸等。

2. 醫(yī)學(xué)診斷：熒光光譜在醫(yī)學(xué)診斷方面也有廣泛的應(yīng)用。熒光光譜可以用于檢測生物標(biāo)記物和藥物，以便診斷疾病和監(jiān)測治療進(jìn)展。

3. 環(huán)境監(jiān)測：熒光光譜可以用于環(huán)境監(jiān)測，如檢測水中的重金屬、有機(jī)污染物等。

4. 材料科學(xué)：熒光光譜可以用于材料表征，如熒光探針、熒光染料等。

5. 食品安全：熒光光譜技術(shù)可以用于食品中有害物質(zhì)的檢測，如農(nóng)藥、重金屬等。

典型熒光染料的吸收-發(fā)射光譜圖

• 拉曼測量解決方案

要獲得拉曼光譜，只需要把激光聚焦在你想研究的樣品上。激光照射樣品后，散射光通過濾光片（以去除激發(fā)激光中的任何光）。然后散射光被導(dǎo)入到一個光柵上，光柵像棱鏡一樣將非彈性散射光按波長進(jìn)行分布。最后這些光線被導(dǎo)入到一個CCD傳感器，然后根據(jù)強(qiáng)度生成一張光譜。拉曼光譜既可用于定性測試，也可用于定量測試。

拉曼測量連接示意圖

• 相關(guān)應(yīng)用：

1. 材料科學(xué)：拉曼光譜可以用于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，如晶體結(jié)構(gòu)、缺陷和相變等。

2. 生物學(xué)：研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能，如蛋白質(zhì)、核酸和多糖等。通過研究生物大分子的拉曼光譜，可以獲得關(guān)于分子結(jié)構(gòu)、活性和相互作用等方面的信息，為疾病診斷、藥物研發(fā)和生物學(xué)研究提供有力支持。

3. 環(huán)境科學(xué)：監(jiān)測和分析水體、土壤和大氣中的污染物，為環(huán)境保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

4. 醫(yī)療診斷：輔助診斷腫瘤、炎癥和感染等疾病，為疾病的早期發(fā)現(xiàn)和治療提供新的手段。

5. 安全檢查：可以檢測金屬材料中的夾雜物、裂紋等缺陷，提高工業(yè)生產(chǎn)和安全檢查的效率和準(zhǔn)確。

寶石樣品拉曼光譜圖

常見生物組分和分子的拉曼光譜

配置推薦：

• 微型光譜儀

萊森光學(xué)專注于光譜儀的研發(fā)與生產(chǎn)，產(chǎn)品線涵蓋了從紫外到近紅外波段的多種類型光譜儀。我們注重產(chǎn)品的多樣性與實用性，光譜儀的尺寸和配置各異，既有便于攜帶的便攜式類型，也有適合工業(yè)環(huán)境集成的產(chǎn)品。這些設(shè)備能夠靈活應(yīng)用于科研、生產(chǎn)、質(zhì)檢等多個領(lǐng)域，滿足用戶對光譜數(shù)據(jù)的實際需求。

• 光源

萊森光學(xué)的光源產(chǎn)品系列多樣，包括鹵素、LED、激光及氙燈光源等，均具備高穩(wěn)定性、長壽命及精準(zhǔn)光譜輸出的特點，廣泛應(yīng)用于科研實驗、光學(xué)測量、工業(yè)檢測及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，為各類光學(xué)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的光源支持。

• 光纖探頭

萊森光學(xué)的光纖產(chǎn)品系列豐富，具備優(yōu)異的傳輸性能、高抗彎折能力和穩(wěn)定的信號傳輸質(zhì)量，廣泛應(yīng)用于通信、傳感、醫(yī)療及工業(yè)檢測等領(lǐng)域，為光信號的高效傳輸和精確測量提供了可靠保障。

• 光學(xué)附件

萊森光學(xué)的光學(xué)附件種類繁多，包括光纖鏡頭、光譜漫反射標(biāo)準(zhǔn)板、比色皿支架等，這些附件設(shè)計精密、質(zhì)量可靠，能夠有效提升光學(xué)系統(tǒng)的性能與靈活性，廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷等多個領(lǐng)域。它們作為光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，不僅優(yōu)化了光路設(shè)計，還增強(qiáng)了光信號的收集、傳輸和處理能力，是各類光學(xué)應(yīng)用不可或缺的輔助工具。

• LiSpecView光譜儀軟件

萊森光學(xué)的LiSpecView光譜儀軟件是一款集數(shù)據(jù)處理、分析功能于一體的強(qiáng)大工具，專為配合光譜儀設(shè)計，具備豐富的分析功能、友好的用戶界面及高度定制化選項，廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)生產(chǎn)及質(zhì)量檢測等領(lǐng)域，助力用戶高效處理光譜數(shù)據(jù)并挖掘深層信息。