CN107884368B - 一种光学测试系统和测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种光学测试系统和测试方法，包括底座、光输入单元、积分球和反射率检测室，所述光输入单元包括输入口、依次位于输入口后的输入光调制器、分光镜和光输出口，还包括用于探测分光镜分出的光的输入光探测器，所述积分球设有输入孔、输出孔Ⅰ和输出孔Ⅱ，所述输出孔Ⅱ对应安装有输出光探测器，所述反射率检测室包括固定架和覆盖在固定架周边的遮光罩，所述固定架设置有用于固定样品支撑架的固定槽和用于光线穿过的光学窗，所述样品支撑架内设置有待测品，所述遮光罩不遮挡光学窗；本发明所述设备结构简单、成本低，且测试方法方便快捷，适用于所有能用透过率、反射率参数表征的样品，不限样品的状态，因此适用范围广。

Description

一种光学测试系统和测试方法
技术领域
本发明属于光学测试领域，具体是涉及到一种光学测试系统和测试方法。
背景技术
现有的测试透射、反射率的方式是，制备样品后，将样品从溶液中取出，加载到测试仪上测试，存在将样品转移的过程，特别是在测试一些反应时间对样品透过率、反射率影响的试验中，需要先制备不同反应时间的样品，再进行测试。反应时间不同的同一系列样品需要制备多个，导致浪费样品制备时间和试剂成本。而且不同的样品之间可能存在试剂品质、用量和样品自身的差异，使实验的不确定性增加。
申请号为201310498479.1的发明专利公开了一种用于光学系统镜片透过率和反射率检测的新系统，其工作原理为，白光光源发出的光线进入单色仪中，出射的单色光谱经球面反射镜形成平行光，经过旋转反射镜分光调制，将连续光辐射分成两路交变光脉冲，一路作为参考光束，另一路作为测量光束，再经过聚光镜耦合注入光纤。两束光交替进入积分球，经探测器转换输出两路交替变化的交变电信号，此信号经过信号分拣、锁相放大、A/D转换处理后，最终得到被试品的白光或光谱的透过率和反射率。但是在该测试系统中，测试样品被放置在积分球内，这就限制了样品的状态，不便于测试液态样品。此外，该测试系统中不含有遮光配件，为了排除外界光的影响，需要在暗室中或者暗箱中使用，且该检测系统的积分球和探测器的数量均较多，会带来成本的上升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低的反射率、透过率测试系统，及一种方便快捷的测试方法。
本发明提供的光学测试系统，包括底座和依次固定在底座上的通过同一束光线的光输入单元、积分球和反射率检测室，所述光输入单元包括输入口、依次位于输入口后的输入光调制器、分光镜和光输出口，还包括用于探测分光镜分出的光的输入光探测器，所述积分球设有输入孔、输出孔Ⅰ和输出孔Ⅱ，所述输出孔Ⅱ对应安装有输出光探测器，所述反射率检测室包括固定架和覆盖在固定架周边的遮光罩，所述固定架设置有用于固定样品支撑架的固定槽和用于光线穿过的光学窗，所述样品支撑架内设置有待测品，所述遮光罩不遮挡光学窗。
所述遮光罩包括覆盖在固定架的左、右和上方的三块平板，三块平板的端部覆盖有遮光板。
所述光输入单元和积分球之间还设置有透过率检测室，所述透过率检测室包括固定架和覆盖在固定架上的遮光罩。
所述光学窗的面积与遮光板相同，或者小于遮光板的面积。
所述固定架和光学窗采用同一种材料制成，所述材料为玻璃、石英或晶体硅。
所述固定架和光学窗采用不同材料制成，光学窗的材料为石英，固定架的材料为聚四氟乙烯。
所述遮光罩边缘设置有遮光垫。
所述底座下部固定有支撑脚，所述支撑脚高度可调节，且支撑脚的数量至少有4个。
一种应用所述光学测试系统的测试方法，为测试待测样品的反射率，包括两个步骤，先进行背景测试，再进行样品测试：
a.背景测试：将标准白板固定到样品支撑架上，将样品支撑架放入到固定架中，将遮光罩罩在固定架外，组成反射率检测室，输入光后，测量得到输出光探测器接收到的光强Iout(λ)和经过分光镜的输入光探测器的反射光强Rsplt(λ)，计算得到参数c(λ)*s(λ)＝Iout(λ)/Rsplt(λ)；
b.样品测试：撤下标准白板，将待测样品固定到样品支撑架上，将样品支撑架放入到固定架中，将遮光罩罩在固定架外，组成反射率检测室；输入光后，测量得到输出光探测器接收到的光强Ismpout(λ)和经过分光镜的输入光探测器的反射光强Rsmpsplt(λ)，计算得到待测样品的反射率rsmp(λ)＝Ismpout(λ)/(c(λ)*s(λ)*Rsmpsplt(λ))。
一种应用所述光学测试系统的测试方法，还包括测试待测样品的透过率，包括两个步骤，先进行背景测试，再进行样品测试：
a.背景测试：将标准白板固定到样品支撑架上，将样品支撑架放入到固定架中，将遮光罩罩在固定架外，并安装遮光板，组成反射率检测室；将样品支撑架放入到固定架中，将遮光罩罩在固定架外，组成透过率检测室；输入光后，测量得到输出光探测器接收到的光强Iout(λ)和经过分光镜的输入光探测器的反射光强Rsplt(λ)，计算得到参数c(λ)*s(λ)＝Iout(λ)/Rsplt(λ)；
b.样品测试：撤下标准白板，将待测样品固定到透过率检测室的样品支撑架上，将所述样品支撑架放入到固定架中，将遮光罩罩在固定架外，组成透过率检测室；输入光后，测量得到输出光探测器接收到的光强Ismpout(λ)和经过分光镜的输入光探测器的反射光强Rsmpsplt(λ)，计算得到待测样品的透过率tsmp(λ)＝Ismpout(λ)/[c(λ)*s(λ)*Rsmpsplt(λ)]。
本发明的有益效果是：
(1)待测样品包括但不限于清洗中的玻璃，表面腐蚀的金属或者清洗中的硅片，只要是能采用透过率、反射率表征的样品均可以进行测试，因此测试样品范围广泛，适用性强。
(2)采用双光路探测器，可有效地降低由于光源波动引起的实验错误。
(3)采用带有遮光罩的反应容器，可实现在反应过程中同时测试样品的透过率或反射率，无需先制备不同反应时间的样品，再进行测试，从而节约了制备样品的时间和试剂成本。
(4)避免外界光照的影响，不需要在暗室中测试，从而也扩大了应用场景。
(5)利用光调制器，自动控制测试时光输入的时间，可避免对一些对光照敏感的反应过程产生影响。
(6)无需更换其他配置，仅需将溶液和样品放在对应的检测室便可实现通过率或反射率的测试。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的透过率检测室的结构示意图。
图3为本发明的反射率检测室的结构示意图。
图4为本发明的固定架的一种实施方式的结构示意图。
图5为本发明的固定架的第二种实施方式的结构示意图。
图6为本发明的遮光罩的结构示意图。
图7为本发明的遮光罩和遮光板的结构示意图。
图8为本发明的积分球的结构示意图。
图9为本发明的积分球的A-A面剖视图。
图10为本发明的样品支撑架的正面结构示意图。
图11为本发明的反射率测试模式操作流程。
图12为本发明的透过率测试模式操作流程。
在图中，1底座、2光输入单元、21光输入口、22输入光调制器、23分光镜、24输入光探测器、25光输出口、3透过率检测室、4积分球、41输入孔、42输出孔Ⅰ、43输出孔Ⅱ、44输出光探测器、5反射率检测室、51遮光板、6待测品、7样品支撑架、8支撑脚、9固定架、91固定槽、92光学窗、10遮光罩。
具体实施方式
下面结合附图1-12对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，本发明提供的光学测试系统包括底座1和依次固定在底座1上的通过同一束光线的光输入单元2、积分球4和反射率检测室5。
所述光输入单元2包括光输入口21、依次位于光输入口21后的输入光调制器22、分光镜23、光输出口25和对应的固定支架，所述光输入单元2还包括用于探测分光镜23分出的光的输入光探测器24。
如图8和图9所示，积分球4设有输入孔41、输出孔Ⅰ42和输出孔Ⅱ43，所述输出孔Ⅱ43对应安装有输出光探测器44。
如图3所示，所述反射率检测室5用于测试待测样品的反射率，所述反射率检测室5包括固定架9和覆盖在固定架9周边的遮光罩10，所述固定架9设置有用于固定样品支撑架7的固定槽91和用于光线穿过的光学窗92，所述样品支撑架7内设置待测品6，所述遮光罩10不遮挡光学窗92。
本发明可以直接采用商业化的光源，光源从光输入单元2的光输入口21输入，经过输入光调制器22控制输入光的周期，由于在部分试验中长时间的光照会影响到反应过程，因此通过输入光调制器22可以控制光输入的时间，避免过量曝光，从而避免对反应过程产生影响。
底座1包括固定积分球4、反射率检测室5、输出光探测器44和光输入单元2的螺丝孔，以及支撑架，积分球4、输出光探测器44和光输入单元2在实验开始前预先固定在底座1上。本发明的待测品6包括需要检测的待检样品以及用于检测背景参数的标准白板。本发明的待检样品为清洗后的玻璃、表面腐蚀的金属以及清洗后的硅片，或者用透明材料存储的溶液，所述溶液是发生化学反应前、反应中或者反应完成的溶液。
如图6和7所示，所述遮光罩10包括覆盖在固定架9的左、右和上方的三块平板，图7的遮光罩10的三块平板的端部覆盖有遮光板51，用在反射率检测室5。其中图6用在透过率检测室3。
如图1所示，所述光输入单元2和积分球4之间还设置有透过率检测室3，所述透过率检测室3包括固定架9和覆盖在固定架9上的遮光罩10。本发明在检测反射率时，透过率检测室3可以不存在，即光输入单元2和积分球4是紧贴在一起的，或者只有透过率检测室3的遮光罩10存在，内部不放置待测品6或固定架9。
如图4所示，所述固定架9设置有用于固定样品支撑架7的固定槽91，所述固定架9的前后两面设置有两个相对的光学窗92，用于光线通过。
如图4和图5所示，所述光学窗92的面积可以与遮光板52相同，也可以小于遮光板52的面积。
如图4和图5所示，所述固定架9内设置用于固定样品支撑架7的固定槽91，便于固定样品支撑架7。如图1和10所示，样品支撑架7包括安置待测品6的安置杆，所述安置杆的底部固定有支撑并保持待测品6处于竖直位置的平板，平板的上端面为倾斜的平面，安置杆上固定有抵靠杆，抵靠杆和安置杆之间为待测品6，抵靠杆或安置杆的侧端还设置有放置在固定槽91内的支撑杆。
所述固定架9和光学窗92可采用同一种材料制成，所述材料为玻璃、石英或晶体硅。
所述固定架9和光学窗92可采用不同材料制成，如光学窗92的材料为石英，固定架9的材料为聚四氟乙烯。
所述遮光罩10边缘均设置有柔软的遮光垫，以使遮光罩10的效果更好。
所述底座1下部固定有支撑脚8，所述支撑脚8高度可调节，且支撑脚8的数量至少有4个。
本发明还提供一种测试方法，为测试待测样品的反射率，包括两个步骤，见图11，先进行背景测试，再进行样品测试：
a.背景测试：将标准白板固定到样品支撑架7上，将样品支撑架7放入到固定架9中，将遮光罩10罩在固定架9外，组成反射率检测室5，输入光后，测量得到输出光探测器44接收到的光强Iout(λ)和经过分光镜23的输入光探测器24的反射光强Rsplt(λ)，计算得到参数c(λ)*s(λ)＝Iout(λ)/Rsplt(λ)；
b.样品测试：撤下标准白板，将待测样品固定到样品支撑架7上，将样品支撑架7放入到固定架9中，将遮光罩10罩在固定架9外，组成反射率检测室5；输入光后，测量得到输出光探测器44接收到的光强Ismpout(λ)和经过分光镜23的输入光探测器24的反射光强Rsmpsplt(λ)，计算得到样品的反射率rsmp(λ)＝Ismpout(λ)/(c(λ)*s(λ)*Rsmpsplt(λ))。
反射率数据处理原理如下：
1.系统参数测试：
光源输入光强Iin(λ)
经过分光镜的反射光强Rsplt(λ)与输入光强是相关的：Rsplt(λ)∝Iin(λ)。
经过分光镜的透射光强Tsplt(λ)与输入光强是相关的：Tsplt(λ)*Iin(λ)。
即透射光与反射光有一定比例关系：Tsplt(λ)＝c(λ)*Rsplt(λ) (1)
放置标准白板时输出探测器上接受到的光强Iout：
Iout(λ)＝rref(λ)*Tsplt(λ)*s(λ) (2)
其中rref(λ)是标准白板的漫反射，s(λ)由系统参数决定，例如光路中各个壁的反射反、吸收、透过率和探探测器的响应的差异等。将等式(1)带入等式(2)：
Iout(λ)＝rref(λ)*c(λ)*Rsplt(λ)*s(λ)
如果定义标准白板的rref(λ)＝100％，系统参数c(λ)，s(λ)可得：
c(λ)*s(λ)＝Iout(λ)/[rref(λ)*Rsplt(λ)]＝Iout(λ)/Rsplt(λ)
2.样品测试：
放置待测样品时输出光探测器上按受到的光强：
Figure BDA0001437243030000051
其中rsmp(λ)为样品表面的反射率：
Figure BDA0001437243030000052
为待测样品表面时测试的经过分光镜的反射光强，便于消除光源不稳定的影响。
Figure BDA0001437243030000053
本发明的测试方法，还包括测试待测样品的透过率，包括两个步骤，如图12所示，先进行背景测试，再进行样品测试：
a.背景测试：将标准白板固定到样品支撑架7上，将样品支撑架7放入到固定架9中，将遮光罩10罩在固定架9外，并安装遮光板51，组成反射率检测室5；将样品支撑架7放入到固定架9中，将遮光罩10罩在固定架9外，组成透过率检测室3；输入光后，测量得到输出光探测器44接收到的光强Iout(λ)和经过分光镜23的输入光探测器24的反射光强Rsplt(λ)，计算得到参数c(λ)*s(λ)＝Iout(λ)/Rsplt(λ)；
b.样品测试：撤下标准白板，将待测样品固定到透过率检测室3的样品支撑架7上，将所述样品支撑架7放入到固定架9中，将遮光罩10罩在固定架9外，组成透过率检测室3；输入光后，测量得到输出光探测器44接收到的光强Ismpout(λ)和经过分光镜23的输入光探测器24的反射光强Rsmpsplt(λ)，计算得到样品的透过率tsmp(λ)＝Ismpout(λ)/[c(λ)*s(λ)*Rsmpsplt(λ)]。
透过率数据处理原理如下：
1.系统参数测试：
光源输入光强Iin(λ)
经过分光镜的反射光强Rsplt(λ)与输入光强是相关的：Rsplt(λ)∝Iin(λ)
经过分光镜的透射光强Tsplt(λ)与输入光强是相关的：Tsplt(λ)∝Iin(λ)。
即透射光与反射光有一定比例关系：Tsplt(λ)＝c(λ)*Rsplt(λ) (3)
透过率检测室未加待测样品时，输出探测器上接受到的光强Iout：
Iout(λ)＝tref(λ)*Tsplt(λ)*s(λ) (4)
其中tref(λ)是未加待测样品时透过率，测试过程中tref(λ)作为系统参数，s(λ)由系统参数决定，例如光路中各个壁的反射、吸收和透过率，探测器的响应的差异等。将等式(3)带入等式(4)：
Iout(λ)＝tref(λ)*c(λ)*Rsplt(λ)*s(λ)
系统参数tref(λ)，c(λ)，s(λ)可得：
tref(λ)*c(λ)*s(λ)＝Iout(λ)/Rsplt(λ)＝Iout(λ)/Rsplt(λ)
2.样品测试：
放置待测样品时输出光探测器上接受到的光强：
Figure BDA0001437243030000061
其中tsmp(λ)为待测样品的透过率；
Figure BDA0001437243030000062
为待测样品表面式测试的经过分光镜的反射光强，便于消除光源不稳定的影响。
Figure BDA0001437243030000063

Claims (9)

1.一种光学测试系统，其特征是，包括底座(1)和依次固定在底座(1)上的通过同一束光线的光输入单元(2)、积分球(4)和反射率检测室(5)，所述光输入单元(2)包括光输入口(21)、依次位于光输入口(21)后的输入光调制器(22)、分光镜(23)和光输出口(25)，还包括用于探测分光镜(23)分出的光的输入光探测器(24)，所述积分球(4)设有输入孔(41)、输出孔Ⅰ(42)和输出孔Ⅱ(43)，所述输出孔Ⅱ(43)对应安装有输出光探测器(44)，所述反射率检测室(5)包括固定架(9)和覆盖在固定架(9)周边的遮光罩(10)，所述固定架(9)设置有用于固定样品支撑架(7)的固定槽(91)和用于光线穿过的光学窗(92)，所述样品支撑架(7)内设置待测品(6)，所述遮光罩(10)不遮挡光学窗(92)；样品支撑架(7)包括安置待测品(6)的安置杆，所述安置杆的底部固定有支撑并保持待测品(6)处于竖直位置的平板，平板的上端面为倾斜的平面，安置杆上固定有抵靠杆，抵靠杆和安置杆之间为待测品(6)，抵靠杆或安置杆的侧端还设置有放置在固定槽(91)内的支撑杆；
所述光输入单元(2)和积分球(4)之间还设置有透过率检测室(3)，所述透过率检测室(3)包括固定架(9)和覆盖在固定架(9)上的遮光罩(10)。
2.如权利要求1所述的光学测试系统，所述遮光罩(10)包括覆盖在固定架(9)的左、右和上方的三块平板，三块平板的端部覆盖有遮光板(51)。
3.如权利要求2所述的光学测试系统，其特征是，所述光学窗(92)的面积与遮光板(51)相同，或者小于遮光板(51 )的面积。
4.如权利要求1-3任一项所述的光学测试系统，其特征是，所述固定架(9)和光学窗(92)采用同一种材料制成，所述材料为玻璃、石英或晶体硅。
5.如权利要求1-3任一项所述的光学测试系统，其特征是，所述固定架(9)和光学窗(92)采用不同材料制成，光学窗(92)的材料为石英，固定架(9)的材料为聚四氟乙烯。
6.如权利要求1-3任一项所述的光学测试系统，其特征是，所述遮光罩(10)边缘设置有遮光垫。
7.如权利要求1-3任一项所述的光学测试系统，其特征是，所述底座(1)下部固定有支撑脚(8)，所述支撑脚(8)高度可调节，且支撑脚(8)的数量至少有4个。
8.一种应用如权利要求1-7任意一项所述的光学测试系统的测试方法，其特征是，所述测试方法为测试待测样品的反射率，包括两个步骤，先进行背景测试，再进行样品测试：
a.背景测试：将标准白板固定到样品支撑架(7)上，将样品支撑架(7)放入到固定架(9)中，将遮光罩(10)罩在固定架(9)外，组成反射率检测室(5)，输入光后，测量得到输出光探测器(44)接收到的光强Iout(λ)和经过分光镜(23)的输入光探测器(24)的反射光强Rsplt(λ)，计算得到参数c(λ)*s(λ)＝Iout(λ)/Rsplt(λ)；
b.样品测试：撤下标准白板，将待测样品固定到样品支撑架(7)上，将样品支撑架(7)放入到固定架(9)中，将遮光罩(10)罩在固定架(9)外，组成反射率检测室(5)；输入光后，测量得到输出光探测器(44)接收到的光强Ismpout(λ)和经过分光镜(23)的输入光探测器(24)的反射光强Rsmpsplt(λ)，计算得到待测样品的反射率rsmp(λ)＝Ismpout(λ)/(c(λ)*s(λ)*Rsmpsplt(λ))。
9.一种应用如权利要求1所述的光学测试系统的测试方法，其特征是，还包括测试待测样品的透过率，包括两个步骤，先进行背景测试，再进行样品测试：
a.背景测试：将标准白板固定到样品支撑架(7)上，将样品支撑架(7)放入到固定架(9)中，将遮光罩(10)罩在固定架(9)外，并安装遮光板(51)，组成反射率检测室(5)；将样品支撑架(7)放入到固定架(9)中，将遮光罩(10)罩在固定架(9)外，组成透过率检测室(3)；输入光后，测量得到输出光探测器(44)接收到的光强Iout(λ)和经过分光镜(23)的输入光探测器(24)的反射光强Rsplt(λ)，计算得到参数c(λ)*s(λ)＝Iout(λ)/Rsplt(λ)；
b.样品测试：撤下标准白板，将待测样品固定到透过率检测室(3)的样品支撑架(7)上，将所述样品支撑架(7)放入到固定架(9)中，将遮光罩(10)罩在固定架(9)外，组成透过率检测室(3)；输入光后，测量得到输出光探测器(44)接收到的光强Ismpout(λ)和经过分光镜(23)的输入光探测器(24)的反射光强Rsmpsplt(λ)，计算得到待测样品的透过率
Figure FDA0002381289410000021
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