|
如何精確測(cè)量半透明材料的透過(guò)率
透明材料的透過(guò)率測(cè)量時(shí)，測(cè)試光沒(méi)有明顯的衰減或吸收；半透明材料通常具有某些特性和物理結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致入射光在穿過(guò)樣品時(shí)形成散射效應(yīng)。當(dāng)測(cè)量這些材料的透過(guò)率時(shí)，發(fā)生的散射會(huì)帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。
在某些情況下，需要通過(guò)散射提高光源的均勻性和朗伯特性。例如有些擴(kuò)散片中加入了含銀的膠體顆粒，在這種情況，常規(guī)測(cè)試透過(guò)率的方法就無(wú)法使用。
當(dāng)光照射到物體時(shí)，有三個(gè)基本現(xiàn)象發(fā)生：反射、透射或吸收。其他現(xiàn)象，如熒光，不在本文討論范圍。在透明材料的正常透射測(cè)量中，如果入射角已知，則可以使用Snell定律計(jì)算透射光束的角度，
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??n1Sinθ1 =?n2sinθ2
因此透明材料通常采用直射光路進(jìn)行測(cè)量，如圖1. 采用一個(gè)穩(wěn)定的光源照射樣品，同時(shí)使用光譜輻射度計(jì)，或依據(jù)需要選擇光度計(jì)、輻射度計(jì)作為檢測(cè)裝置，處理光信號(hào)。?
首先不放置樣品，探測(cè)器直接測(cè)試光信號(hào)，測(cè)試到的入射光信號(hào)記錄為φi。然后將樣品放在光源和檢測(cè)器之間，再進(jìn)行一次測(cè)量，并記錄為?φt。這兩個(gè)信號(hào)的比率就是樣品的透射率，可以報(bào)告為輻射度、光度或光譜透射率。
在此情況下，入射光束直徑與透射光束直徑大致相同，因此探測(cè)器接收到所有透射光。
?Fig. 1. Regular Transmission Measuremet Setup
對(duì)于半透明材質(zhì)，情況并非如此。當(dāng)入射光經(jīng)過(guò)半透明材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射和擴(kuò)散，因此透射光的角度不再遵循Snell定律（圖2）。這會(huì)導(dǎo)致大部分透射光無(wú)法被探測(cè)器所檢測(cè)到。正是這種光的漫透射現(xiàn)象，需要特別注意，必須選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)光學(xué)接受裝置，以確保收集和探測(cè)到所有透射光。?
Fig. 2. Regular Transmission Measurement Setup
為了有效地收集所有漫反射和非漫反射的光信號(hào)，必須選擇大角度收集光的裝置。良好設(shè)計(jì)的積分球可以完美完成這種類(lèi)型的測(cè)量。將樣品放置在積分球入口處，可以收集不同角度的光線(xiàn)（圖3）。然而，這樣直接測(cè)量，仍然無(wú)法獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
?
Fig. 3. Diffuse Transmission Measurement Setup?
乍一看，似乎我們可以簡(jiǎn)單地把沒(méi)有樣品與有樣品兩次測(cè)量結(jié)果計(jì)算光譜透射率，至少?gòu)倪壿嬌希@是合理、正確的。但我們沒(méi)有考慮到這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)樣品放在積分球入口處時(shí)，我們改變了積分球的響應(yīng)。
在沒(méi)有樣品的情況下，很明顯一部分入射光可以通過(guò)積分球入口逸出。將樣品放在積分球入口處，也會(huì)有一些透射光通過(guò)入口逸出，但是會(huì)小于沒(méi)有樣品時(shí)的情況。此外，還有一部分光從樣品的球體側(cè)表面反射回球體中，并且，不同波長(zhǎng)的反射比例與樣品的光譜反射率有關(guān)。（圖4）。
Fig. 4 Light path with and without sample in place
為了定量分析樣品引起的積分球響應(yīng)的變化，有必要使用兩個(gè)光源，一個(gè)用于照射樣品，另一個(gè)用于確定積分球光譜響應(yīng)的變化。當(dāng)使用“雙光路”方法進(jìn)行透射測(cè)量時(shí)，必須注意兩個(gè)光源的光譜分布必須相同。圖5所示為測(cè)量總透射率的典型裝置，
總透射率=透明透射率+漫透射率
?
Fig. 5 Typical setup for measuring diffuse transmission using “double beam” method
雙光路法測(cè)量半透明材料透過(guò)率包括4個(gè)獨(dú)立步驟：
- 在沒(méi)有樣品的情況下，關(guān)閉校正光源，測(cè)量入射光源信號(hào)
- 在沒(méi)有樣品的情況下，關(guān)閉入射光源，校正光源打開(kāi)，測(cè)量光信號(hào)
- 入射光源保持關(guān)閉，將樣品安裝在入口處，校正光源打開(kāi)，測(cè)量光信號(hào)
- 關(guān)閉校正源，打開(kāi)入射光源，測(cè)量光信號(hào)
第1步和第2步結(jié)合起來(lái)，將校正光源的信號(hào)φCS ?與入射光源的信號(hào)φi相除，得到系統(tǒng)的修正系數(shù)，第3步用于修正樣品本身對(duì)積分球響應(yīng)造成的影響，包含光譜的影響和強(qiáng)度的影響。這一步非常重要，通常用 ?φcal 表示，不同的樣品，該值是不同的。該修正系數(shù)為 1/φcal?。當(dāng)樣品光譜特性、漫射特性、透射特性等發(fā)生變化時(shí)，要重新測(cè)定該修正系數(shù)。
最后一步測(cè)定的光信號(hào)為?φS，那么光譜透過(guò)率就可以計(jì)算出來(lái)：
為了分析兩種測(cè)試方法的差異，我們分別使用單光路發(fā)和雙光路法測(cè)試兩個(gè)樣品，結(jié)果顯示出兩種方法有明顯的差異。圖6顯示了兩種方法的測(cè)試結(jié)果。特別注意，兩種測(cè)試結(jié)果并不是一個(gè)恒定的比例差異，而是在不同波段，比例是不同的，這會(huì)影響到顏色的測(cè)試。
| 
資源
