通過(guò)反射測(cè)量表征涂敷了不同反射率特性的黑色涂料后表面的反射特性。
摘要
黑色涂料被涂敷于表面以將表面光的反射降到最低程度。在光具座的情況下，機(jī)械外殼被涂成黑色以減少分光計(jì)中雜散光。使用一系列帶有不同反射率特性的黑色涂料，反射測(cè)量能被用于評(píng)價(jià)一個(gè)涂敷表面的反射特性。在本應(yīng)用說(shuō)明中，我們測(cè)量了涂敷有不同黑色涂料的印刷電路板的漫射、鏡面反射和全反射，以評(píng)價(jià)每種涂料的反射特性。
背景
理論上，一個(gè)黑色表面應(yīng)吸收所有波長(zhǎng)的光。實(shí)際上，存在很多具有吸光率和反射特性的黑色遮光物，其作為波長(zhǎng)的一個(gè)函數(shù)而變化。在光學(xué)涂層方面，作為波長(zhǎng)的一個(gè)函數(shù)精確地描述反射特性，對(duì)于設(shè)計(jì)光學(xué)儀器是至關(guān)重要的。任何沒(méi)有被光具座涂料吸收的光變成雜散光，其具有達(dá)到探測(cè)器并影響儀器性能的可能。因?yàn)樘綔y(cè)器不能區(qū)分通過(guò)樣品傳輸?shù)墓夂凸饩咦挟a(chǎn)生的雜散光，雜散光的存在限制了可達(dá)到最大吸收水平。當(dāng)雜散光水平增加的時(shí)候，吸收光譜平直，直到達(dá)到最大吸收值并且沒(méi)有進(jìn)一步的吸收被探測(cè)到。為了提高儀器性能并能測(cè)量更高的最大吸光量，通過(guò)使用吸光的黑色涂料將雜散光減少到最低程度。另外，使用了光學(xué)設(shè)計(jì)部件如低雜散光鏡片和遮擋雜散光的物理?yè)豕獍逡詼p少雜散光并增加最大吸光量和儀器性能。
因?yàn)榇蠖鄶?shù)黑色涂料不完全是黑色的，因此進(jìn)行反射測(cè)量以描述一個(gè)表面的反射特性。這些測(cè)量的目的是要鑒別將波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射降到最低程度的涂料。能使用一個(gè)反射探頭如R400-7-VIS-NIR 400 微米芯徑反射探頭進(jìn)行反射測(cè)量。
一個(gè)反射探頭收集來(lái)自樣品被照明的相同角度的光，這使它能被用于鏡面反射或漫反射測(cè)量。它由一個(gè)在中心的單獨(dú)光纖和四圍的6個(gè)照明光纖組成，具有25°全角度視野。雖然人們很想將6個(gè)光纖的腳都連接到光譜儀上，但是實(shí)際上將單根光纖與光譜儀鏈接是更為有效的。正如圖1所示，每個(gè)照明光纖從光源射出一個(gè)錐形光，所有這些光在樣品的中心重疊，這正好是中心接收光纖“看”的地方。
圖1：反射探頭
為了測(cè)量鏡面反射率，將探頭定位在反射探頭支架（RPH-1）中與樣品成90°角度。對(duì)于漫反射率，使用45° 端口。由于來(lái)自照明光纖的光線需要一些空間進(jìn)行重疊并產(chǎn)生反射光，所以需要將反射探頭輕輕地從探頭支架中的樣品表面拉回一些。所見(jiàn)樣品面積的直徑將約為探頭尖和樣品之間距離的?（即在4.0 mm距離的操作將給出 ~2.0 mm 光點(diǎn)直徑）。使用一個(gè)反射探頭支架（RPH-1）將確保從一個(gè)樣品到下一個(gè)樣品（在進(jìn)行反射測(cè)量的時(shí)候）有一致的工作距離。它的無(wú)光澤黑色涂飾層也有助于減少環(huán)境光。
當(dāng)用反射探頭進(jìn)行暗測(cè)量的時(shí)候，如果可能，最好擋住燈光。將燈關(guān)閉，然后再打開(kāi)將擾亂燈的熱平衡，這需要額外的預(yù)熱時(shí)間和進(jìn)行一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。如果這不可能，可以接受的做法是，將發(fā)光探頭伸到一個(gè)暗的地方進(jìn)行暗測(cè)量，只要分散光回到探頭的機(jī)會(huì)最小。最好不要將探頭指向黑色的東西上（如一張紙或一塊覆蓋布），因?yàn)槲账械牟ㄩL(zhǎng)光的物體實(shí)際上能優(yōu)先反射某些顏色。目的是阻止所有射出探頭的光返回進(jìn)入光纖。
在為測(cè)量選擇正確反射探頭中最重要的因素是波長(zhǎng)范圍和需要的光量。為了參比標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)闃悠穾缀蹩偸堑头瓷涞?。根?jù)需要的靈敏度而不是根據(jù)理想的光斑直徑選擇光纖尺寸。光點(diǎn)直徑由探頭與樣品的工作距離支配控制，可輕易改變。請(qǐng)記住，所有光纖都有相同的25° 全角視野，因此一個(gè)600 微米光纖的光斑直徑僅為400微米（0.4 mm），其大于在相同工作距離的一個(gè)200微米光纖。
在燈需要不斷被監(jiān)控的時(shí)候，可用帶有基準(zhǔn)腳的探頭。另外，標(biāo)準(zhǔn)或自定義擴(kuò)展波長(zhǎng)（“混合的”）探頭提供了多個(gè)燈輸入腳和/或測(cè)量腳，允許不同波長(zhǎng)的混合和為每個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的優(yōu)化而輸出到不同光譜儀。對(duì)于用于測(cè)試粉末或濃溶液的那些探頭，一個(gè)尖端帶有30度窗口的角度探頭允許用戶將探頭直接浸入樣品并仍然得到一個(gè)一致的工作距離。
測(cè)量條件
使用一個(gè)反射探頭對(duì)涂有三種黑色涂料（無(wú)光澤黑色涂料、有光澤黑色涂料和黑色黑板涂料）的印刷電路板的反射光譜進(jìn)行測(cè)量。印刷電路板樣品被顯示在圖2所示的反射探頭設(shè)置照片的右下角。進(jìn)行這些測(cè)量的設(shè)備是USB4000-VIS-NIR光譜儀（光柵#2, 狹縫25um), R400-7-VIS-NIR反射探頭和HL-2000鹵鎢燈。由于這些樣品具有相對(duì)低的反射率，因此，使用了一個(gè)灰色標(biāo)準(zhǔn)樣品（~20%漫反射系數(shù)）。積分時(shí)間范圍為20-120毫秒，平均次數(shù)設(shè)置為5—20。
正如圖2所示，一個(gè)環(huán)形架被用于支撐測(cè)量用的RPH-1反射探頭夾具，其帶有一個(gè)黑色遮光罩，用于保護(hù)測(cè)量不受周圍光的直接照射。測(cè)量采樣使用帶有表面涂覆材料的RPH-1反射探頭支架，它能夠搭配45°（漫反射率）和90°（鏡面反射率）的探頭來(lái)進(jìn)行測(cè)試。
圖2：反射探頭測(cè)量的硬件設(shè)置
結(jié)果
雖然用反射探頭進(jìn)行的測(cè)量可能似乎很簡(jiǎn)單地獲得，但是數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)一些意想不到，令人驚訝的情況。為了說(shuō)明，我們考察一下三種黑色涂料：無(wú)光、有光和“黑板”涂料。 如圖3所示，鏡面反射率數(shù)據(jù)表明，黑板涂料反射最小，有光黑色涂料~10x 以上。刻度數(shù)可能有些奇怪 (有光黑色涂料為250%反射率）直到我們想起：定義為“100%”的基準(zhǔn)值實(shí)際上是一個(gè)20%的漫反射率標(biāo)準(zhǔn)值。
圖3：用反射探頭測(cè)量的被涂敷的印刷電路板鏡面反射率（相對(duì)于灰色漫射的20%反射標(biāo)準(zhǔn)）
通過(guò)考察圖4中顯示的漫反射率數(shù)據(jù)，我們看到：無(wú)光和有光黑色涂料實(shí)際上在可見(jiàn)光譜區(qū)看起來(lái)相當(dāng)類似，這意味著：它們將看來(lái)似乎在眼睛可見(jiàn)顏色方面非常類似，即使一個(gè)涂料反射了較多的光，也是這樣。涂料樣品在近紅外區(qū)開(kāi)始不同，這表明：無(wú)論給予的涂料是什么，它的光澤表明可能都是一個(gè)近紅外反射化合物。令人驚訝的是：黑板涂料的漫反射率似乎比其他黑色涂料更高。但是，當(dāng)在45°角度照明和觀察的時(shí)候，反射探頭不是在完全顯示整個(gè)畫面，僅是漫反射率。
圖4：用反射探頭測(cè)量的被涂敷的印刷電路板漫反射率（相對(duì)于灰色漫射的20%反射標(biāo)準(zhǔn)）
在這個(gè)反射應(yīng)用示例中，使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的模塊化光譜儀裝置來(lái)測(cè)量印刷電路板上黑色涂層的漫反射和鏡面反射特性。這些相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量所產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)可用于選擇最佳的光學(xué)臺(tái)面涂層，以減少雜散光并提高儀器性能。
雖然我們使用了通用光譜儀和探針進(jìn)行反射測(cè)量，但還可以使用其他模塊化選項(xiàng)。例如，我們可以將反射探頭換成海洋光學(xué)公司的積分球，它可以測(cè)量與樣品表面成 180 度的散射光，從而實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。
在光譜儀方面，從 Ocean HDX 這樣的低雜散光光譜儀到包括 D8 系列色彩檢測(cè)系統(tǒng)在內(nèi)的工業(yè)級(jí)儀器，都是我們的選擇。
這些光譜儀和附件是滿足反射率測(cè)量需求的更多選擇中的一部分，可提供數(shù)十種不同的反射率和顏色測(cè)量配置。