光谱测色仪举例

                                                   光谱测色仪举例

    光谱测色仪按光路结构可分为单光束和双光束光谱测色仪两类。单光束仪器结构简单，造价较低，但容易因光源不稳定性和探测器灵敏度的变化、积分球效率下降等因素影响车辆的结果。因此，常用的仪器多为双光束。
    仪器单色仪把光源的光色散成单色光后，由调制器分解成两束光——参考光束和测量光束。这两个光束迅速交替地投射到标准或试样上，然后被光电探测器接收，有效地消除了光源及探测器灵敏度变化度测量结果的影响，这种双光束仪器的结构形式有多种。早期多采用光学平衡式，即用旋转棱镜偏振面使两束光达到平衡的办法。现在的紫外——可见光谱光度计则多采用电学平衡式，即用光电倍增管点击负反馈的办法：而对近红外光谱区，因为接收器为硫化铅探测器，故多采用自动控制狭缝大小，以到达参考信号不变的办法。
    光谱测色仪型式繁多，这里仅用典型举例说明。
    1、UV—365双单色仪自动记录光谱测色仪
  图一是UV-365测色仪透射光度计部分的光路示意图。它有两个可以自动转换的光源：W——卤钨灯，工作范围为可见区和近红外光谱区：D2——氙气，工作范围为紫外光谱区。W灯和D2灯在338nm处由机内计算机自动转换。单色仪是双单色仪系统:由石英色散棱镜P构成第一单色仪MI，由光栅G构成第二单色仪MII.由光源发出的白光经入射狭缝S1进入第一单色仪MI，进行一次色散后，由中间狭缝S2射入第二单色仪MII，进行一次色散后形成和纯的单色光。由出射狭缝S3射出的单色光通过调制器分成两束：参考光束R和测量光束S，这两束光经完全对称的光路后投射大哦标准或式样上。仪器的探测器也有两个：一个是广电倍增管RM（采用R-456型），工作范围为紫外和可见波段。它们由计算机自动转换。测量时，将待测透射样品置于样品室H的测量光束S中，样品应垂直光束；参比光路R中放置参考标准（空气或其他参考标准），测量得到的结果是直透射比（0/0照明探测几何条件）。仪器透射光度测量的波长范围为：185~2500nm，波长精度为0.3~0.7nm；测光精度为0.3%。
   图三是仪器反射光度计部分——积分球附件光路示意图。图中积分球的直径为200mm，可以安装在样品室的前面，将图三种的H1插入图二中的 样品室H中，通过H2中对称设置的反射镜装置光学系统，把参比光束R和测量光束S从原光路中引出，转向测光积分球。在积分球参比白板R，在测量窗口放置待测的反射样品S，测量得到的结果是光谱反射比（0/d照明探测条件）。如果将透射式样放置在积分球测量光束的入射窗口，就可进行漫透射比的测量。在与样品法线夹角为7度的镜面反射方向的球壁上设有一个光阱，用来消除式样的镜反射成分。球的上方是探测器广电倍增管。
    另外，仪器还有一个直径为60mm的小积分球附件，可直接安装在图二的样品室H中，用来测量较小式样的反射比或漫透射比。
    2、C.E记录式分光测色仪
      图(4)是此仪器的工作原理，光源的灯丝经聚光透镜成像在狭缝1上，光束进入单色仪后经过物镜L1，棱镜1及物镜L2之后反射镜平面上形成色散光谱，狭缝2在水平面上往返运动，使某一色散光谱的单色进入第二级单色仪内，再经过棱镜2和物镜L3和L4进行第二次色散，在出射狭缝3的平面上形成第二级色散光谱，这样的二级光谱系统有利于消除杂散光，提高了单色仪出射光的光谱纯度。只要移动狭缝2的位置便可改变单色光的波长。考虑到棱镜单色仪色散率在各个波长上不为常数，为保持狭缝3射出的单色光的带宽为常数，仪器备有自动调整装置，能自动地改变狭缝1、2、3的宽度。
  图（4）
  由双单色仪出射的单色光从狭缝3射出后进入仪器的光度计部分，经过罗雄棱镜，按原方向出射一束偏振方向随棱镜的旋转而改变。这一光束通过喔拉斯顿棱镜被分成两束光；一为参照光束，另一为测量光束。经过双透镜分别将两束光聚焦在测光积分球内壁的两个部位上。积分球内壁涂有反射比高、漫反射性能好的氧化镁或硫酸钡涂料。在参照光束和测量光束投射的部分分别放置参比标准样品和待测样品。在喔拉斯顿棱镜和双透镜之间有旋转的偏振滤光片，使两束光交替地照射参比标准样品和待测样品。在积分球测量窗口装有光电探测器。当罗雄棱镜旋转时，由此出射的一束偏振光的偏振方向发生变化，被喔拉斯顿棱镜分成的两束光之间的大小比例就发生改变。如果参比和测量两束光通量相等，待测样品和参比标准样品又具有相同的光谱反射比，则探测器的输出电信号恒定不变。如果在某些波长上，待测量样品的反射比低于参比标准样品的反射比，探测器就会产生脉动震荡的电信号，交变部分经过放大后输人私服电机，私服电机依据交流震荡的相位，通过凸轮驱动罗雄棱镜按一定方向旋转，使测量光束的通量增大，参比光束的通量减少，直到参比和待测样品反射的通量相等，消除了探测器信号的脉动，罗雄棱镜就处于平衡位置，由于私服电机的转动与罗雄棱镜的转动是同步的，私服电机的转动就待测样品与参比标准样品的反射比比值变化传递到记录笔上，于是记录鼓的记录纸上就会给出待测样品性对于参比标准样品的光谱反射比（或透射比）曲线。
    波长电机带动记录鼓转动，同时通过波长凸轮移动中间狭缝（狭缝2），以改变单色仪出射光的波长，并使笔尖在记录纸波长标尺上的位置相应于单色仪出射光的波长。
    当测量透射样品时，需在积分球的参比标准样品和待测样品的部位放置相同光谱反射比的白板，将待测透射样品放在测量光束进入积分球的入口处。
    美国G.E分光测色仪是一种双级分光单色仪双光束光路的测量仪器，采用光学平衡补偿法测量，光路安排大都是按0/D几何条件，以记录仪的方式输出。G.E分光测色仪是近代测色方式中的典型实例，如日力的UV320、UV340、UV3400等仪器都大体相同。他是通过波长扫描机构。顺序测量出各个波长上样品的反射光谱特性。这类仪器精度高，但测量周期长，适用于作物表面反射光谱特性的试验中作精密的分析测试试用。
    3、MS-2000分光测色仪
     现代由于固体光电探测元件的发展，和计算机技术的广泛应用，近年出现一种在极短时间内可以快速同时测得物体表面反射或透射光谱特性的快速光谱分析测色仪器：市场见到的CM7000A,ELREPHO2000,3000,MS-2000,MS450等，现以Macbeth MS-2000分光测色仪为例作一简单介绍：
     图五---为此仪器的工作原理图，光源是脉冲氙闪光灯管，通过UV修正滤光片模拟CIE标准照体D65，仪器的光测条件为D/0结构，用积分球漫射方式照明样品，近似于垂直方向探测物体的漫反射通量。每次测量则由积分球球壁的反射比为参比标准样品。由电子开光分别参比的辐通量进行比较，将这些模拟信号通过A/D转换为数字信号，由计算机进行数据处理，给出各种色度参数。参比光束与测量光束射与测量光束射向各自独立的光谱信号采集器（俗称单色仪），固定的衍射光栅将观测光束色散成光谱待，在光谱待前置由一列阵圭光电二级管组成的探测器阵列。各个硅光电二级管分别对应于不同光谱段的窄波长，一般有380~780nm或360NM~750nm,每个硅光电二级管分别对应于不同光谱段的窄段带波长范围。闪光灯每次闪光时，这组阵列同时接收信号，信号的幅度值对应于各波长普带的辐通量。因此，一次闪光即能测得样品各波长短的光谱特性。此类仪器速度只需要几秒钟，对那些需要快速测量的场所非常合适，现已广泛应用于工旷企业和科学研究中对衍射质量的控制。