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【 Stage反射率测试】典型配置、硬件说明、软件操作

来源：北京爱蛙科技有限公司分类：技术参数 2024-04-12 08:00:07 1阅读次数

反射率为从样品表面反射出的光强相对于原始入射光强的百分比。反射光可分为镜面反射光和漫反射光。当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为"漫反射"或"漫射"。漫射光是指从光源发出的光进入样品内部，经过多次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光，漫反射光测量可用来分析与样品内部分子发生作用，是提取样品组成和结构信息的可靠分析手段。

典型配置

反射率测量的典型系统配置包括光谱仪、软件、光源、光纤以及采样附件。

表1 典型系统配置▼

	紫外/可见光波段	近红外波段
光谱仪	USB系列，HR系列, QE65000, Maya2000 Pro	NIRQUEST， Flame-S-VIS-NIR
软件	Oceanview 1.6.3
光源	DH-2000-FHSA, HL-2000, DT-MINI-2-GS
反射探头	QP400-7-UV-VIS
附件	反射探头支架 RPH-1、RPH-2 或 STAGE，标准反射白板 WS-1

图1. 反射率测量系统配置图

【RPH 反射探头支架介绍】

RPH 反射探头支架是坚固易用的机械夹具，用于将反射探头定位在与平面呈 45°和 90°的角度上。如配合海洋光学光谱仪、光源及反射探头使用，PPH 探头支架可帮助您完成反射测量设置。RPH-1 反射探头支架能容放 6.35 毫米 (1/4")和 3.17 毫米 (1/8") 直径的反射探头；后者需要有一个适配器（RPH-ADP）。RPH-2 具有同样特性，不过它用于端接有优质级 SMA 905 连接器（QSMA）的反射探头。

(A) RPH-1

(B) RPH-2

图2. RPH 反射探头支架图

表2 RPH 反射探头支架规格▼

工程规格	RPH-1	RPH-2
探头支架材料：	阳极氧化铝	阳极氧化铝
探头支架定位：	45°或 90°	45°或 90°
反射探头尺寸：	6.35 毫米 (1/4") 直径；3.17 毫米 (1/8") 直径，含 RPH-ADP 适配器	6.35 毫米 (1/4") 直径
反射探头适配器：	有	无
光纤连接器：	SMA 905	QSMA 905

【STAGE 反射探头支架介绍】

STAGE 反射探头支架适用于 150 nm 的光学介质层或其他材料反射率的测量，可配置直径 6.35 mm 的光纤探头或其他采样光学器件一起使用。探头到样品的高度调节范围约为 60 mm。使用 STAGE 反射探头支架时，需注意以下两点：

1. 在基板上放置样品时，以不同直径的同心圆为参照。

2. 适配探头规格：直径 6.35 mm (1/4″)。

3. 下图中的规格只能测量 0°入射时的反射率。

图3. STAGE 反射探头支架图

表3 STAGE 反射探头支架规格▼

工程规格	STAGE
基板直径：	152.4 mm
置样区域直径：	101.6 mm
重量：	620 g
高度：	滑杆高度可调至 63.5 mm

硬件说明

Stage 平台操作简便，只需将光纤发射测量头插入平台安装孔，然后调整高度后固定。需要注意的是，由于来自照明光纤的光线需要一些空间进行重叠并产生反射光，所以需要将反射探头轻轻地从探头支架中的样品表面拉回一些。所见样品面积的直径将约为探头尖和样品之间距离的?（即在 4.0 mm 距离的操作将给出约 2.0 mm 光点直径）。注意，使用反射探头支架（RPH-1）要确保测量样品时有一致的工作距离。

下图给出了基于 Stage 平台的反射率测量系统基本部件说明，系统具体操作步骤如下：

1. 固定 RPH-1 支架的位置，根据所测的反射率类型，将探头插入 RPH-1 支架（45° 或 90°端口），并调整探头尖到样品的距离；

2. 将光纤 A 端接头与光源连接，B 端的接头与光谱仪链接（如图 4 所示）；

3. 通过 USB 数据线连接光谱仪至 PC 端；

4. 用电源线连接光源和市电插座，用电源线连接光谱仪和市电插座（注意选择带地线的国标电源线和市电插座）。

图4. QP400-7-UV-VIS 反射探头图

图5. HL-2000-FHSA 光源

图6. Flame 光谱仪

开机步骤：

1. 启动光源，预热以达到稳定状态（预热时间根据光源型号设定）；

注意：光纤与光源连接后，可通过转动调节光阑旋钮控制光强；如果用户在实验操作中对光源的光谱有特殊要求，可在插片凹槽处放置滤光片、衰减片等光学器件。

2. 在 PC 上点击 Oceanview 图标，启动软件，连接光谱仪。

软件操作

反射率测试的软件操作步骤：

OceanView 软件根据如下公式计算样品的反射率：

其中：

??_??=波长λ处样品光谱的强度

??_??=波长λ处背景光谱的强度

??_??=波长λ处参考光谱的强度

在反射率模式开始前需要在原始光谱中保存一个暗光谱和一个参考光谱。软件界面介绍请见附录。具体的软件操作步骤如下：

从欢迎界面或者点击图标创建新的光谱应用，在光谱应用向导中点击反射率向导图标；

2. 选择活动采集或者新建采集：

活动采集：在当前光谱仪的基础上建立该应用。
新建采集：为新建应用创建或选择光谱仪数据源。

3. 设置数据采集参数，包括积分时间(integration time), 平均次数(average)和滑动平均 boxcar。选择是否使能“暗噪声校准”和“非线性校准”功能。。用户可根据测试的参考样品光谱强度，调节积分时间和平均次数等参数，并保证测量样品时参数设置相同。设置完成后，点击“下一步”按钮。

各个参数详细含义请参考软件手册或help菜单。或者复制打开下面链接：

http://www.oceanoptics.cn/spectroscopy_glossary

下面是简单介绍：

积分时间：积分时间是检测器在将累积的电荷通过A/D转换器加工之前，被允许收集光子的时间长度。最小积分时间是设备支持的最短积分时间，它取决于检测器读出所有像素信息的快慢，积分时间与数据传输速度是不同的概念。
平均次数：光谱被显示到软件里之前会采集多次，然后取平均。
滑动平均：平滑是一种可以应用于光谱的空间平均。该过程通过平均相邻像素点的值来消除噪声，因此它会以牺牲光学分辨率为代价来提高信噪比。空间平均在光谱相对平坦以及相近像元变化较小的情况下使用是非常有效的，但由此产生是分辨率的损失会使得尖锐的光谱特征峰难以分辨。当应用空间平均时，信噪比会以像元平均的平方根为基数进行提高。请注意，在海洋光学软件中，平滑宽度的值是指所有像元以中间为基准靠左或靠右的像元和的平均数。平滑值是4实际上是将9个像元一起平均（4个靠左像元+1个中心像元+4个靠右像元），信噪比将以3为倍数增加。同样的，平滑值是2（5个像元）将使信噪比以2.2为倍数增加，平滑值是0（1个像元），信噪比以1为倍数增加（因此光谱不改变）。
暗噪声校准：海洋光学的大部分光谱仪都有自带的遮光像元。暗噪声校准会用当前光谱读数减去遮光像元的读书，以排除温飘等系统性影响。
非线性校准：光谱仪出厂前已完成。如无特殊需求，请默认勾选。
触发模式：请参考海洋网站的相关文档。如无特殊需求，可保持默认设置不变。

注意：在应用中需保持以上所有设置不变。

4.记录参考光谱（选择calibrated reference standard→store reference）：在STAGE反射探头支架下放置参考样品，之后点击按钮，记录参考光谱。

备注：参考样品一般选用与样品反射率接近的反射标准板，注意反射标准板与反射支架间保持较小距离，不能接触。

5.记录背景光谱（选择store background spectrum→finished）：使用光源自带的快门功能切断光路，或在光路中插入挡片遮光。之后点击按钮，记录背景光谱。之后点击“完成”按钮完成设置。

6.参考样品的反射率：再次接通光路后，在显示窗口呈现出参考样品的反射率接近100%。

7. 数据测量

移走参考样品，将被测样品置于相同的位置，保持软件的参数设置不变，开始数据测量。
双击数据流图中的图标Ref 或者 Background（如下图圆圈中所示），可以将参考光谱或背景光谱的原始数据输出到文件中。
插入被测样品之后，用户可在右侧视图中，查看被测样品反射率的实时测量曲线。

如下图：

说明：数据测量时，光谱两侧出现噪声和毛刺属于正常现象，这是由于光谱仪可探测范围的两端噪声较大，信噪比较低。使用时将这两端的数据丢弃即可。

8. 数据保存

（1）在右侧视图中，点击

图标，在设置框中选择合适的数据保存格式、路径、保存方式，终止扫描次数或时间条件；两种终止条件都选择，则是逻辑“与”关系，只要有一个停止条件达到，软件就停止。如果只选一个，则用选中的那个作为停止条件。比如，如果选中“在经历以下扫描次数后停止”并输入 1。则意味着扫描一次后停止保存，如果想连续保存数据，则可输入大的保存次数，比如1千次。