CN2190293Y

CN2190293Y - 一种正入射式反射率光谱仪

Info

Publication number: CN2190293Y
Application number: CN 93226276
Authority: CN
Inventors: 陈良尧; 苏毅; 钱佑华; 马宏舟; 周仕明
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2003-09-02

Abstract

本实用新型由光源、单色仪、样品暗箱、光电探测器以及计算机等部分组成。其中样品暗箱内装设有样品架、探测器的光子探测部分、截光转盘、M形棱镜等。M形棱镜将由单色仪入射的光束分为参考光和样品入射光，两光束分别通过截光转盘被探测器接收，然后由计算机处理。本光谱仪，避免了因多次反射造成的散射与色散，仪器能够自我定标而不需任何标样，对样品作精度为1％的绝对测量，具有准确灵敏、实时快速的特点。

Description

本实用新型涉及一种光学领域的电子测量仪器。

反射率测量的原理极为简单，但由于需要同时测量入射光与反射光。因此在实际测量上有一定的困难，目前国内使用的反射率光谱仪均来自进口，其中大多数是采用Drude的方法来测量反射率〔见Drude P.Theory of optics（Eng.Transt.GR Mann and R.A.Millikans，1902）〕，主要有三种形式：一、通过移动样品和探测器位置，分别测量入、反射光，其比值即所要求出的反射率〔见H.Kuhn and B.A.Wilson，Proc.Phys.Soc.10，745（1950）〕，这对整个系统的时间稳定性要求较高，测量速度较慢。二、通过测量一反射率已知的标样，采用比较法来确定待测样品的反射率〔见Ivan Simon J.Optic Soc. Am. vol. 41 NO.5 336（1951）〕，这种方法受到标样本身精度的影响，应用时有各种限制。三、利用两块反射率特性完全一致的平面镜来实现测量〔见H.E.Bennett and W.F.Koehler，J.Optic Soc. Am. 50（1959）1〕，这种方法结构复杂，并且光束需经平面镜多次反射，容易造成光的散射与色散，引起测量误差。

1969年美国Chicago大学James Frank研究所的Urich Gerhardt等人通过旋转曲颈光导管采集入、反射光，进行正入射测量〔见Urich Gerhardt and Gary W.Rubloff，Appl.Optic Vol 8，No.2（1969）305〕，他们通过精确设计导管的倾斜度，旋转导管时上下轻微摆动来分别测量入、反射光，这要求入、反射光束采集时不相重叠，给对光带来极大困难。1971年美国Californica大学 Lawrence Radiation实验室的T.Huen等人采用一旋转凹面反射镜来传递入，反射光，以实现正入射测量〔见T.Huen，G.B.Irani and F.wooten，Appl. Optic.vol.10，No.3（1971）552〕，但凹面镜的二次反射会使光束发散，引起入、反射光束的光斑大小不同以及探测器光敏面上的位置不易对准，因而影响测量结果。

本实用新型的目的是要提供一种精确灵敏而又结构简单的反射率光谱仪。

本实用新型针对现有技术的缺陷进行了改进设计，其整体由光源、单色仪、样品暗箱、样品架、截光转盘、M型棱镜、光电探测器、步进马达及马达驱动器、模数转换器以及计算机组成。其中单色仪、截光转盘分别由两个步进马达驱动，两个马达驱动器由计算机控制，模数转换器将由光电探测器测得的模拟信号转换成数字信号，送计算机处理。样品架设置于样品暗箱内的一端，电光探测器的光子探测部分装设于暗箱内相对的一端，截光转盘为边缘带有3个孔的园盘，装设于暗箱中间部位，M型棱镜装设于暗箱侧面的光入射口的内侧，使由单色仪射入的单色光内反射，并分成参考光和样品入射光，然后分别经过截光转盘，由光电探测器接收。光谱仪基本光路为：

光源→单色仪→M型棱镜

截光转盘→探测器→计算机

由单色仪射出的光被M型棱镜全内反射后分成光强分别为I_a、I_B的两束光，其中一束作为样品入射光射至样品表面，被反射后作为反射光穿过截光转盘的带孔部位而被探测器接收。另一束作为参考光直接经截光转盘到达探测器，随着截光转盘的转动，探测器可分别测出参考光、样品反射光及环境背景光，并由计算机算出样品反射率的数值，整个过程可由计算机按设定的程序加以控制，从而全自动地完成测量。

通常的物体反射率R定义为：

R＝ (I_反—I_背)/(I_入—I_背) （其中I_反、I_入、I_背依次为反射光、入射光及背景光光强）

由于入射光I_入不能直接由探测器得到，因此只能以参考光代替入射光进行测量。从M型棱镜分出的两束光I_a、I_b与其出射处光阑面积S_a、S_b成正比，即 (I_a)/(I_b) ＝ (S_a)/(S_b) ,以I_a作入射光时，I_b为参考光，测得的反射率R_a与真实反射率R的关系为：

R_a＝(I_反)/(I_b) ＝ (I_反)/(I_b) · (I_a)/(I_a) ＝R· (I_a)/(I_b) ＝R· (S_a)/(S_b)

将M型棱镜轴向旋转180度，改成以I_b作入射光，I_a作参考光，则测得的反射率R_b与真实反射率R的关系为：

R₆＝ (I_反)/(I_a) ＝ (I_反)/(I_a) · (I_b)/(I_b) ＝R· (I_b)/(I_a) ＝R· (S_b)/(S_a)

由R_a，R_b可得到M型棱镜分光束处光阑面积S_a，S_b的面积之比：

C＝ (S_b)/(S_a) ＝

这也是分束后的I_a、I_b的光强之比，因此样品的真实反射率R为：

R＝C·R_a＝ 1/(C) ·R_b

系数C可由计算机程序中扣除，这样就可以直接用R_a来代替R。仪器在初次使用时调整好之后，M型棱镜可加以固定而无需旋转测量。

本实用新型的特点在于：由于利用M型棱镜分光束并用截光转盘加以采集，使参考光与样品反射光出自同一光源，避免了因多次反射造成的散射与色射，光路简单而测量方便，无需任何参考标样，也不必将样品或探测器移位，系统可自我定标，进行精度为1％的绝对测量，整个测量过程由微型计算机控制，波长自动扫描，数据自动收集、分析和计算，因而具有准确灵敏、实时快速的特点。

以下结合附图对本实用新型作进一步的描述：

图1为本实用新型样品暗箱的内部结构及其与各部分的连接。

图2为截光转盘的平面图。

其中1为光源，2为单色仪，3为暗箱入射口，4为M棱镜，5为样品架，6为步进马达，7为截光转盘，8为光电探测器，9为暗箱，10为马达驱动器，11为模数转换器，12为计算机。

如图1所示，本实用新型由光源1、单色仪2、样品暗箱9、探测器8及计算机12等部分组成，由光源1（溴钨灯或氙灯）射出的光经单色仪2后成为单色光，准直后由入射口3射入样品暗箱9，经M型棱镜4全内反射分束，其中一束作为参考光，直接通过截光转盘7由探测器8接收，另一束入射至样品表面5，被反射后也通过截光转盘7而被探测器接收。M型棱镜4由两个梯形截面的棱镜并排叠合而成，截光转盘7为一个带孔的圆盘，由步进马达驱动，按计算机12设定的程序，旋转截光转盘7以控制光路的通断，在其旋转过程中，探测器8可分别测得参考光、样品反射光及背景光，信号经转换器11由模拟量转化成数字量而被计算机12接收与处理，从而实现整个仪器的自动化操作。

Claims

1、一种正入射式反射率光谱仪，由光源、单色仪、样品暗箱、样品架、截光转盘、M型棱镜、光电探测器、步进马达及马达驱动器、模数转换器以及计算机组成，单色仪和截光转盘分别由两个步进马达驱动，两个马达驱动器由计算机控制，模数转换器将由光电探测器测得的模拟信号转换成数字信号送计算机处理，其特征在于样品架设置于样品暗箱内的一端，电光探测器的光子探测部分装设于暗箱的相对一端，截光转盘为边缘带有3个孔的园盘，装设于暗箱中间部位，M型棱镜装设于暗箱侧面光入射口的内侧，使由单色仪射入的单色光内反射并分成参考光和样品入射光，然后分别经截光转盘由光电探测器接收。

2、根据权利要求1，所述反射率光谱仪，其特征在于M型棱镜由两个梯形截面的棱镜并排叠合而成。