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分光光度测色仪

2018-05-03 14:35:54 点击数:

物理分光光度测色方法主要有机械扫描式和电子扫描式两大类。机械扫描式分光光度测色仪属传统方法,精度虽高但速度慢;电子扫描式分光光度测色仪则速度快。效率高,因而更适于工业应用。

采用分光光度测量颜色的内容,主要包括物体反射或透射光度特性的测定,以及根据CIE标准色度观察者光谱三刺激值函数计算出样品的三刺激值XYZ等色度参数。

随着电子计算机技术的高速发展,目前国内外现有的测色仪器产品几乎都利用计算机来完成仪器的测量、控制和大量的数据处理工作,使测色操作更为简单和快捷,测量精度更高,结果更可靠。这些自动分光光度测色仪器按其使用要求、技术指标或结构组成,可有很多分类方法。按光路组成不同,可以分为单光束和双光束两类;按色散元件分类,则有棱镜、光栅、棱镜2棱镜、棱镜2光栅、光栅2光栅、干涉滤光片等不同色散元件,以及由此组成的分光光度测色仪,其中色散系统采用两个色散元件组合成的光学系统称为双单色仪色散系统。比较通用的分类方法是根据所用光探测器的不同,而分为以人眼作为光探测器的目视分光光度测色仪,以及应用物理探测器的自动分光光度测色仪。

一般,物理分光光度测色仪可以分成常规的光谱扫描和同时探测全波段光谱两大类。光谱扫描法是利用分光色散系统(单色器)对被测光谱进行机械扫描,逐点测出各个波长对应的辐射能量,由此达到光谱功率分布的测量。这种方法属于机械扫描式分光光度法,精度很高,但是测量速度较慢,是一种传统的光谱光度测色方法。为了加快测量速度,提高测色效率,随着光电检测技术的发展,出现了同时探测全波段光谱的新型光谱光度探测方法。该方法基于阵列光电探测器的多通道检测技术,通过探测器的内部的电子自动扫描来实现全波段光谱能量分布的同时探测,所以称为电子扫描式分光光度法。

机械扫描式分光光度测色仪

在颜色测量仪器的发展进程中,机械扫描式光谱测色仪在分光光度测色仪器中占有十分重要的地位,目前仍是光谱检测和颜色科学研究中重要的高精度实验室测试设备之一。这类仪器一般由照明光源、单色仪、光电检测系统和微型计算机电子控制系统等主要部件构成(如图1所示)。样品的光谱反射比是相对于标准的光谱反射比进行测量的。样品和标准均受到光源经单色仪分光后的漫射照明,而光探测器在接近垂直于样品的角度接收反射信号,最后由微机系统进行数据处理而获得测量结果。在该测色系统中,采用了通过积分球实现的d/0照明与观察几何条件。

1 机械扫描式分光光度测色仪的基本组成

随着扫描式分光光度仪不断改进和发展,其光学系统也从单光束发展到双光束结构,并出现了具有现代设计概念的发射光谱光度计。图2所示的Zeiss RFC3就有这样的一个系统。该仪器采用氙灯发出的混色光(白光)照明样品,然后通过一系列窄带干涉虑光片来分析样品反射的光辐射。由计算机控制光谱光度计中的测量操作顺序,并在得到测量值后自动计算出所要求的颜色参数。当然,整个系统的操作指令可以通过键盘输入,同时计算机配置了合适的显示器和打印设备。

在这台Zeiss仪器中,利用计算机实现了对实测反射比的修正。在测量过程中适中不动的参考标准是一块用纯硫酸钡特别压制的小圆盘,只有当它被损伤或弄脏时才需更换。

2 Zeiss RFC3反射光谱光度计

在对试样进行实际测量之前,首先要完成两项测量工作。一是由标准实验室标定过的陶瓷白板,二是一个黑色光泽陷阱。仪器给出的当前读数与计算机存储的标定值进行比较,并用定标数据来修正在后继试样测量中得到的实测反射比值。然后,将修正值用于计算在任何选定的标准光源或标准观察者条件下的CIE三刺激值,以及在任何其他具有转换方程的颜色空间中的色度参数。这种采用100%0%自动标定修正的方法,大大提高了颜色测量的长期和短期重复性。

电子扫描式分光光度测色仪

机械扫描式分光光度测色系统虽然实现了光谱测色的精度要求,但是由于其光谱测量时通过单色仪的机械扫描来完成的,所以测量速度较慢,工作效率低,不利于工业生产的应用。因此,作为分光光度测色仪技术的发展成就,采用光电探测器列阵的多通道快速分光测色仪已经逐渐普及,这类仪器除了具有分光光度测色仪器的测量精度之外,还具有光电积分式测色系统的测量速度,是现代颜色科学研究与工业测控技术不可缺少的颜色测量设备。

快速分光光度测色仪的出现与光电探测半导体技术的进展的分不开的,是随着固体图像传感器的发展而产生的。固体图像传感器主要有三大类型:一种的电荷耦合器件(简称CCD);第二种是自扫描光电二极管阵列(简称SPD),属于MOS图像传感器;第三种是电荷注入器件(简称CD)。其中前两种用的比较多,而在多通道快速测色系统中用的最普通的是自扫描光电二极管阵列SPD

在快速分光光度测色仪器应用的阵列探测器件,可直接安装在分光色散系统的出射狭缝处。这里的分光系统的结构已不需要如机械扫描式光谱测色仪那样,用出射狭缝把单色辐射分割开来。这种仪器没有出射狭缝机械部件,因此该色散系统实际上是一个多色仪,全部单色仪光谱辐射都同时从出射狭缝射出,并射到光电探测器上,探测器阵列同时获得了整个光谱能量分布的信息。可见,这种仪器以光谱信号的电子扫描代替了传统的机械扫描方式,从而实现了对样品颜色的快速测量,因此成为电子扫描式分光光度测色仪。

与常规的用单色器分光实现波长扫描的测色系统相比,电子扫描式多通道系统除了具有快速、高效的优点之外,还大大降低了对测量对象和照明光源的时间稳定性要求。应用快速存取(对不含相关信息的通道快速跳过)和分组处理(通过将相邻通道相加可进一步改善时间分辨率)等技术,在时间分辨率和光谱分辨率两者之间实现有益的兼顾。

从机械扫描式分光测色仪到电子扫描式多通道快速分光测色仪的发展过程中,曾经出现过一种过渡型快速测色系统,即采用分立的硅光二极管排列起来组成一个“阵列”,作为光电探测器,以接收有光纤束从多色仪的出射面传导过来的光谱信号,由此达到快速光谱扫描测量的目的。例如,德国Optronik公司生产的COLORFLASH系列光谱光度测色仪就是这样的系统。其中采用16根光纤将多色仪输出的光谱能量传递到16个硅光电二极管探测器上,实现了在400~700nm波长范围内以20nm波长间隔的快速测色。显然,这样的仪器其光学结构比较复杂,安装和调试也很麻烦,所以当阵列探测器件迅速发展并被普遍应用后,上述问题也就不复存在了。

在应用阵列探测器的快速分光测色仪器中,有一种比较特别的光学结构,在这里作一个简要介绍。那就是如日本美能达公司生产的CM-1000分光测色即所采用的分光传感器(图3)。其光接收部分有两列SPD构成,分别用于测定短波长区(400~500nm)和长波长区(500~700nm)。测量光线由上方入射,400~500nm波长的光经过带通虑光镜III,照射到短波长区的SPD阵列上;而500~700nm波长的光则经过带通滤光镜IIII射到长波长区的SPD阵列上。途中,两者分别通过遮光板的两个窗口入射到分光虑光阵列上,最后,由分光滤光镜阵列分出不同波长的光,入射到SPD阵列的各个接收部,在变换成电流输出。这里所用的分光滤光镜阵列都在所测量的波长范围(400~500nm500~700nm)内,其中心波长以10nm为间隔连续排列的单色滤色光镜阵列,并且在同一个基片制成,由此来代替分光色散系统。

快速测色系统同样有单光束和双光束两大类结构形式。美国Macbeth公司的最新型号Color-Eye 7000A分光光度计便具有典型的真双光束光学结构的快速光谱测色仪。该系统采用的照明与观察条件仍是d/8(图4),其内部对应于双光束的设计应用了两个光谱分析器。其中的阵列探测器均为40光敏单元的SPD,由此在脉冲氙灯的一次闪光照明操作中,同时测量样品和作为参考信号的积分球内壁,这种先进的设计保证了测量过程的时间稳定性,并达到了更快的测量速度(单次测量时间小于1s)。仪器在360~750nm波长范围内的采样间隔为10nm,波长精度达0.1nm400~700nm),光度分辨率达到0.001%,测量重复性(对白板)最大为0.0.1RMSE CIELAB单位,并有4种不同大小的测量孔径可供选用。

目前,在国际市场上出现的多通道快速分光测色仪器越来越多,但是采用的原理结构大同小异,不外乎单束光和双光束两种类型,并以后者居多;照明光源则以脉冲氙灯为主,也有用卤钨灯等恒定光源的;探测器基本上都是SPD阵列,少数采用CCD阵列;样品测量尺寸一般都有几个孔径可选择,同时系统中都考虑了镜面反射成分的包括与排除(SCI/SCE)切换功能。此外,大多数仪器均可测量反射和透射特性两用。表1列出了今年来在国际上比较流行的一些快速分光测色仪器的产品型号、光学结构、主要性能指标和特点,以供读者进行对比分析和选用参考。

4 Macbeth Color-Eye 7000A分光光度计

1积分球 2积分球镜面反射光泽陷阱 3 测量通道光谱分析器 4 测量通道全息光栅 5测量通道40像元探测器阵列 5参考通道光谱分析器 7 参考通道全息光栅 8参考通道40像元探测器阵列 9变焦镜

 

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