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光谱测量仪如何在工业领域发挥快速检测作用?

发布日期:2015-08-24作者:海洋光学-豪迈子公司阅读 107赞 0

 

大家好,我是海洋光学亚洲公司oceanoptics.cn)的朱东寅。首先,非常感谢大家能在百忙之中抽出1小时左右的时间一起来聊一聊光纤光谱仪的那些事。其实早在1859年,德国人就发明了世界上第一台的光谱仪,到现在已经走过了将近160个年头。在过去的大多数时间里,光谱仪都停留在实验室里,做一些科学方面的研究。直到最近,我们发现有越来越多的人开始对光谱在工业领域的应用感兴趣。所以,也想借这个机会和大家一起分享光谱仪在工业领域里面的一些应用和我们做过的一些案例。

那么什么是光谱呢?想必很多从事光谱研究的朋友对光谱仪已经非常了解了,但是还有很多人对光谱的概念还是停留在中学的课本上,在这里我们也导入了一段教科书上对光谱的定义。它是说,光谱是复色光经过色散系统分光后,被色散开的单色光在不同波长上的强度分布。这个定义听上去非常的拗口,我在这里给大家科普一下。我们贴了两张图片,左图是一个三棱镜,可以看到在图片上从右下角射入的一束阳光,它是白色的。当阳光射入三棱镜后,会被色散开,在后面的墙上显示出了红橙黄绿青蓝紫的彩虹状的条纹,这种现象就叫做色散。右边这张图,就是一张典型的光谱的图片,在图上我们可以看到,横坐标表示的是波长,纵坐标表示的是强度。我们可以看到从这张图上的380纳米左右一直到780纳米,在这段光谱中表现的颜色非常鲜艳,这段就是肉眼可见光的波段。在可见光波段的左边,有一个非常小的浅紫色的区域,在右边有一个对称的、相应的浅红色的区域,这两个区域分别表示的是紫外区和近红外的区域。尽管在这两段我们肉眼所没有办法观测到的,但是对研究光谱的朋友来说,紫外区域和红外的区域都隐含了非常多的信息。

光谱测量具有怎样的意义呢?实际上,光谱的本质是物质相互作用的结果,不同的物质所产生的光谱也是不一样的,我们就可以通过对光谱的测量,反过来推断物质的种类和计算物质的量。不同的检测对象和不同的检测目的,采用的光谱测量的方法也是不一样的,在这里我们总结了几种常用的光谱测量的方法。

辐射光谱,通常用来考察那些自己会发光或者自己会辐射的物体。比如说像天空中的各种天体——太阳,科学家就是通过太阳的辐射光谱来判断太阳表面的温度以及太阳的主要成分。还有像各种的激光器、光源,我们都可以通过辐射测量来反映它们的发光质量和发光的情况。另外还有像各种的手机、平板电脑、显示器等等一些发光器件,我们也可以通过测量它们的辐射光谱来判断它们的屏的发光强度和颜色的均匀性等等。

吸收光谱和透过率,对于不发光的物体,我们通常采用吸收光谱或者是透过率的测量方式。图中的示意图表示了吸收光谱和透过率的测量原理,中间白色的长条,假装它是被测的样品,左边彩虹状的光我们认为是入射光,入射光通常会包含不同的波长的信息。当入射光照射到样品时,不同样品会吸收不同波长的光,不被吸收的光就会穿过样品。我们通过这些穿过样品的光的光谱就能够推断有多少的光被样品吸收了。如果物质的浓度越高,物质的量越大,物质吸收的光就会越多。所以,我们可以通过吸收光谱来判断物质的浓度有多少。

吸收光谱的应用是非常广泛的,被测样品可以是气体、液体、或者是固体。对于气体来说,我们通常可以用来测量比如说,火电厂排放的烟气,或者是汽车排放的尾气中有害气体的成分和含量。对于液体而言,各种溶液只要它的溶质在我们关心的波长范围是有吸收峰的,我们都能通过吸收光谱推断溶液的浓度。对于固体样品,我们通常可以用来测量各种光学源器件,各种滤光片、眼镜镜片等等。比如说我们可以通过测量眼镜镜片在紫外波段的透过率,来评价镜片的抗紫外的效果是否理想。

反射光谱,对于不发光的物体来说,另一种常用的方法是反射测量。从示意图上可以看到反射光谱的测量原理,通常也是采用一束复合光,当入射光照射到样品以后,样品会吸收一部分的光,同时反射一部分的光,我们通过测量物体的反射光谱就可以对物质进行鉴别。反射光谱最常见的一种应用是颜色测量,大家知道对于不会发光的物体,它之所以能产生比如蓝色,是因为它吸收了其他波长的光,只反射蓝色波段的光,因此给人留下蓝色的感觉。同时我们对于反射光谱的测量还能反映物体表面的特性,知道它的粗糙程度或者是光泽度等等。另外就是近红外波段的反射光谱有其独特的特性,我们通常采用近红外光谱能够测量物质的含水量、含糖量、脂肪含量等等。

荧光光谱,荧光光谱的应用也非常广泛。通常在食品安全、防伪、医疗诊断、纺织、造纸、印刷行业都会用到荧光剂或者荧光染料。当一束激发光照射到荧光剂或者是荧光染料上以后,这些物体会发出不同于激发光的荧光。我们通过测量荧光的光谱就能反映荧光染料和荧光剂的种类,并且测量它们的含量。

拉曼光谱,最近拉曼光谱也是非常热门的检测手段。拉曼光谱通常采用激光器对样品进行照射,并采用光谱仪收集拉曼的信号,尽管拉曼信号非常的微弱,但拉曼光谱的一些独特的优势还是使它的前景非常被人看好。比如说它的无创性,比如说隔着透明或者半透明的包装可以直接检测包装内的内容物等等。另外还有比如说像水对拉曼的信号影响也特别小,所以拉曼也是一种非常好的测量溶质的方法。

其他光谱,比如说像激光诱导等离子体的光谱,激光诱导荧光光谱等等其他的一些检测手段,也在不同的应用和领域发挥着它们独特的作用。这些应用大多还停留在科研院所或者是实验室里,并没有推广到工业现场。如果这些科研成果能被转化为在工业现场或者是流水线上的能够使用的设备或者是解决方案的话,一定会对行业产生很大的帮助,甚至是深远的影响。

根据评估我们认为光谱技术从实验室走到工业现场的时机,已经比较成熟了,这其中很大一部分都要归功于图上的这位Mike Morris先生。早在1989年的时候,Mike Morris就发明了世界上第一台的微型光纤光谱仪,并且成立了海洋光学公司。经过20多年的发展,现在的微型光纤光谱仪更加适应了工业现场的需求。

我们在下面贴了两张图片,来比较一下现在实验室常用的光谱仪或者叫分光光度机和微型光纤光谱仪的区别。左图是常用的实验室的设备,我们从对比图上的台式电脑就可以看到,它的体积还是比较庞大的。这样的设备如果用在现场或者是流水线上的话,会产生很多的局限。右图是一款最近比较受欢迎的小型的光纤光谱仪,你可以看到它的体积还是非常的轻巧的。在这么多年的演化的过程当中,这类的小型的光谱仪已经摒弃了很多大型实验室设备上的复杂的功能,只保留了光谱检测的最基本的功能。但是,也加入了许多在工业现场能够使用的或者说适合使用的一些功能。比如说像这个同步触发,还有一些非常常用的工业接口,另外还有像一些比较方便的安装的支架等等。可以说,现在的微型光纤光谱仪更多的是倾向于一种光纤光谱的传感器,而并不是实验室的仪器了。

第一个应用是LED的芯片测试机。芯片测试是LED生产过程中不可或缺的环节,右下图就是一台常见的LED的芯片测试机。芯片测试的主要作用和目的是什么?

大家知道由于在上游外延片的制作工业中,它存在一些尚未克服的困难和无法解决的问题。所以即便是同一张外延片,它上面不同位置的光电特性也是有细微的差别的。同时,采用刻蚀的工艺在完成电极和引脚的结构中,也会存在一定瑕疵。在制作完一张晶元后,即便是同一张晶元,也会出现光电特性不均匀的情况,甚至会出现有几个芯片没有办法被点亮的情况。这些问题最终会影响到LED产品的发光强度和颜色,不符合设计的要求。这些不被点亮的,或者说没法被点亮的芯片,如果与其他芯片一样继续进行后续的生产加工工艺的话,会产生不必要的浪费。所以,需要对这个环节当中对LED晶元上的每一个芯片进行测试。左上图就是LED芯片测试的实况图,可以看到图中有两根机械臂带着两根电极,点亮其中的一个LED的芯片,电极是用来测量LED的电学参数的。LED的光学参数由上面中间的这张示意图当中的积分球进行收光,并且传到光谱仪进行测量,右上图就是整张LED芯片的测试结果。

在以往的点测机上只有电器测试的装置,所以只能筛选出电器特性不合格的晶粒,但没有办法了解合格晶粒的发光特性是否一致。当微型光纤光谱仪被引入到测试机台上之后,发光检测方面的问题得到很好的解决。从图中可以看到一张两寸左右的LED的晶元可以被切割成5000到6000颗的LED的芯片,对于测试机台的速度的检测要求就非常高。

这边我们简单的总结一下微型光纤光谱仪被使用在LED测试机台上的一些特点。首先,就是测量的速度,用微型光纤光谱仪做这个LED光学特性的检测,测量每一颗晶粒的时间大约是5到6个毫秒,这个时间要快于探针的机械移动的时间,因此并不会影响到原有的测试速度。微型光纤光谱仪的第二个优势就是它的体积比较小,不会占用太多机台的空间,对原有机台的机械结构也不用做太多的更改。第三个特点就是微型光纤光谱仪它具有同步触发的功能,可以通过机台自有的电信号进行外部触发,确保每颗晶粒在点亮后的相同时间之内进行测量。

第二个应用,我们给大家介绍LED的分光机。LED的分光机和刚才介绍的LED芯片检测机相比,是处于整个LED生产制成流程上靠后的一个工具。可以想象,我们大家都希望能买的LED产品的颜色、亮度、电学特性能够保持一致。但是,在整个LED的制成过程当中,这个工序漫长而复杂,整道工序之后,想要产生性能一致的LED产品基本是做不到的。因此,我们需要对分装后的LED器件再依照光、色、电三方面的参数进行分选,把性能接近的器件收集到一起,然后在包装成产品流入市场。对于LED器件一般常用的电学指标有:正向电压,正向电流,反向电流,以及工作时的耗散功率等等。对于LED器件的颜色的参数主要包括有像色屏坐标、主波长、峰值波长、色纯度、峰值半宽、色温等等,对于光学参数主要关心的是LED的发光强度这一个指标。

LED的分光技术如何工作的呢?让我们来看一下右边的这几张图,我们从上而下来看,这些是目前市面上常见的LED分光机的结构。带分选的LED的器件会在震动盘上进行自动的排列进料,依次进入电测和光测的工位。在电测工位上,LED会被依次加电之后进行电学指标的测试。当被移动到光测的工位时,LED的芯片会被点亮,然后继而使用积分球和光谱仪测量其发射光谱。通过计算光度学和色度学的参数,再伴随着刚才测到的电学参数一起被传至软件进行分析。随后计算好的指令会被下达下来,传输到控制模块。控制模块会根据指令对LED进行不同的分选,分选到不同的盒子当中。在这道工序完成之后,每个小盒子当中的LED的光、色、电的参数都非常接近。比如说像色度值的参数X,Y值的差异都不小于0.02个单位,这个色差几乎是肉眼无法区分的。随着LED的产量和制成的不断完善,微型光纤光谱仪在这个过程当中起着举足轻重的作用。

早在2000年左右的时候,当LED的产品刚开始量产,人们就意识到这个产品存在着颜色和光强的差异。那么当时只能请检测员通过肉眼进行筛查,不仅没有办法解决检测标准一致性的问题,即便是同一个检测员在不同时间他的检测标准也会有所偏差。随后,业内人士将光谱仪,特别是这种微型光纤光谱仪引入了LED的产业,并且研制了世界上第一台的全自动的LED分光器。当时的分选速度大约为5000颗每小时,在业内引起了巨大的反响,让LED从初检进入了全检的时代。但是,这个微型光纤光谱仪的性能也没有发挥到极致。随着配套的机构不断的提升,以及持续和进程的不断优化,如今的分光机已经能够做到55000颗每小时的分选速度,甚至更高。伴随着LED产量的不断爆发,LED的分光机也成为不可或缺的重要一款机器。

刚才我们介绍了两个微型光纤光谱仪在辐射光谱方面的应用,正好我们也借机一起来总结一下,在什么样的场合或者什么样的条件下,适合用微型光纤光谱仪进行辐射测量?

其实除了用光谱仪以外,还有其他的辐射测量方式。比如常见的有用照度计或者辐射功率度计,甚至是工业照相机来进行辐射测量的。相比之下,微型光纤光谱仪有哪些特点呢?其实我们之前也有讲过光谱是能反映物质最本身的特征的,设想一下如果我们用照度计或者是辐射功率度计测量一个光源,发现它的光强没有达到特定的要求时,照度计或者是辐射功率度计只能反映出强度问题。但是,光谱仪可以了解这个光源,比如到底是蓝光的芯片出现了波长漂移,还是这个黄色的荧光粉它的发光效率不符合要求等一些本质的问题。

和工业相机相比,工业相机的优势是在于它可以测量图案,当然也可以测量颜色。但是工业相机测量颜色的原理和光谱仪是不一样的,工业相机没有办法了解不同波长上的颜色的信息。比如说,当我们用工业相机和光谱仪同时测量一个LED的显示屏的时候,我们发现比如这个显示屏的发光不均匀,那么用光谱仪我们能够更直观的看到屏幕颜色的偏差到底是由于红、蓝、绿当中哪一个芯片的质量问题所造成的。

当我们选定了要用光谱的方法来测量辐射时,微型光纤光谱仪和大型的实验室的设备相比又有哪些优势呢?首先是测量速度快,从刚才介绍的这两个应用就可以看到,由于这个微型光纤光谱仪内部的结构,它的设计的独特性,它可以非常快速地进行持续的测量。另外一个就是它的体积比较小,可以放到紧凑的设备当中去进行一些布局。第三个优势就是它的采用的光纤输出的方式可以配合很多不同的采样附件,可以非常的灵活的各种采样。比如,刚才介绍的LED的芯片测试机当中,由于机械臂和电极的影响已经占据了很多的空间,用微型光纤光谱仪就可以直接把积分球这样的采样附件,贴合到探针的上方进行收光。并且在后面我们用光纤把积分球收到的光引出到光谱仪进行测量。

最后再举几个关于辐射测量的例子。左边这个图是一个测量LED显示屏的场景。在图中我们可以看到有一个机械臂,它的前端固定一根光纤的探头,探头会随着机械臂被带动到面板的不同的位置进行光谱信息的采集,采集到的光谱会传递给后方的光谱仪进行检测。中间这张图显示的是一个飞行的模拟器,为了真实的去还原飞行的场景,通常飞行模拟器需要有几块不同的显示屏。为了保证显示屏之间的发光的强度和颜色的一致性,需要实时的、持续的对这些屏进行检测和补偿。右图是一款高端的投影机,在这个投影机的内部也内置了微型光纤光谱仪。这些投影机通常会被用来投射环牧电影,环牧电影通常不是一台投影机工作,而是多台投影机连用。为了保证投出的画面颜色和亮度的一致性,也需要用微型光纤光谱仪实时的对画面进行校准和补偿。

接下来就让我们介绍一下微型光纤光谱仪在吸收领域的应用,如之前所说吸收光谱用来测量像气体、液体、固体样品,通过光谱可以判断被测物体的种类和浓度。首先介绍一个气体方面的测量,右下图显示了目前光谱仪能够测到的不同的气体,包括氮氧化物、二氧化硫、臭氧、丙酮、氨气等等。右下图我们也能够看到不同气体它的吸收光谱的形状是不一样的,但他们也有共同点。大多数气体的吸收峰都位于紫外的区域,因此通常采用紫外激发光和在紫外波段有响应的光谱仪对气体进行浓度的测试。

接下来的一个例子是关于汽车的尾气排放的检测。有验车经验的朋友都知道如果在国内要验车的话,通常需要把车开到车检所,工作人员会拿着一根碳棒插入到排气管中,汽车通常需要发动一分钟甚至更长的时间。汽车排出的尾气会跟碳棒相互作用,碳棒会得到排出的污染气体的浓度。通常这种方法是采用电化学的方法,并且碳棒的寿命非常有限,需要经常的更换,会造成二次污染。

一些发达国家采用光谱的方法去进行尾气检测已经是比较普及的了,通常所有的设备都会被放置在移动的检测车中,检测车当选定了一个检测点后,所有的设备都会被拿出来架设在道路的两旁。通常会有三个部分的检测设备,其中第一部分就是一个摄像机,摄像机是用来拍摄汽车的车牌号码的。第二部分是激光器的触发装置,这个触发装置会被架设在马路的两边,当有汽车经过的时候,我们激光器的光路会被切断,同时会有一个触发信号被传输到光谱仪,告诉光谱仪开始做测量。第三个部分就是检测部分,这部分也会分成两部分,架设在马路两边。一边是激发的光源,通常是紫外光源,比如说想氘灯或者氙灯等等,同时在这一侧还会有一个用来检测的光谱仪。在马路的另一侧会被放置一个反射镜,检测部分的工作方式就是光源首先会发出一束激发光照射到马路另外一边,通过反射镜反射进入光谱仪。当汽车经过的时候,汽车排放的尾气会和光路进行相互的作用,尾气中的气体由于浓度的不同会吸收不同的光,光谱仪测量穿过气体的光的强度就可以判断汽车的尾气排放是否超标。

这种光谱测量的方法之所以在国外得到普及,主要得益于光谱仪的几个特点。第一个就是它的测量速度非常快,在整个测试过程当中,汽车只要匀速的通过检测系统,数据就能很快的被收集回来,并且传输到电脑当中进行分析和储存。另一个优势就是微型光纤光谱仪的体积非常小,可以轻松的集成到气体检测仪的内部,便于检测车进行运输和架设。

在介绍了一个气体的案例以后,让我们再来看一个吸收光谱的固体应用的案例。这就是在国内并不常见,但是在国外已经相对普及的水果分选的应用。有些在国外有购买过水果的朋友可能有留意过,在超市或者是水果摊中,摆放的水果会非常的整齐,体积、颜色或者是光泽也都非常的接近,这就主要得益于在国外水果的流通环节中增加了分选的环节。左上图是一个水果分选机的工作图,它的原理和我们之前介绍的LED的分光机非常的接近。除了用物理探头来测量水果的重量、大小之外,还会用到光谱的探头对水果的水分和糖分进行分选。相对于重量和大小,糖分的含量对于消费者来说可能会有更直接的意义。比如说像糖尿病的患者,他无法食用高糖分的水果,通常就会挑选糖分比较低的水果进行食用。这里用的到近红外的光谱可以判定糖分和水分的含量,这个测试的装置也会有两部分组成。一部分就是发射的光源,另外一部分就是用来探测的光谱仪。在光源端通常会采用高功率的卤钨灯,因为高功率的卤钨灯可以提供近红外段的宽光谱的能量。使用高功率,是因为功率越高能够穿透水果的果皮的能量就越强,在水果的另一侧的光谱仪就可以获得更多更强的信号,使后期的数据处理会更加的准确。在流水线上,每一颗水果经过光路以后,光谱仪通过测量穿过水果的光来判定糖分和水分的含量。之所以使用微型光谱仪也是在因为微型光谱仪的测量速度非常的快,试想在整个流水线上,水果会不停地穿过检测的工位,要实施全检对于测量仪器的检测速度也会有非常高的要求。

在这里,我们也来总结一下微型光纤光谱仪在吸收测量方面的特点。常用的测量气体和液体的方法除了光谱法以外,还有包括像气相、液相色谱和电化学的方法等等。与光谱的方法相比,色谱法所需的测量周期会更长,因为被测的样品需要通过色谱处分离之后再做检测。如果我们的测量对于速度有更高的要求的话,光谱其实是一个比较好的选择。和电化学的方法相比,在刚才的汽车的尾气案例中也有提到,电化学的探头需要经常的更换,除了会有二次污染的问题以外,在后期使用的时候成本也是相对较高的。对于光谱法而言,在整个的测量过程当中只有灯泡的寿命可能会有衰减的情况,其他的部分不需要太多的维护。对于采用光学的方法而言,另一种常用的方法是比色法,比色法通常会采用两个波段或者是几个波段对吸收光的强度进行检测从而判断物质的含量或者是浓度。比色法的局限性是一套装置只能检测一个指标,和光谱的方法相比,由于光谱仪测量的波段非常广,不同波段都有有效的信号,因此光谱的方法是可以同时检测多个被测样更多的数据的。比色法的另一个局限是当光源衰减或者系统的其他部分有干扰检测时,比色法由于它测到的信号非常的少,所以没有办法对光源和其他的系统进行实时的补偿。光谱仪却可以做到这一点,因为在用光谱检测的时候,其中一段光谱可以用来检测样品,其他的波段就可以反映光源的衰减或者是其他部分变化的信息,因此可以通过这些信息对被测目标物的信息进行拟合或者是补偿。

微型光谱仪的另外一个优势就是它采用光纤的输入方法,这样的话可以和不同形式的采样附件相连。下面的三张图介绍一下光谱仪采样灵活的特点。在左下图是一台溶触度仪,它是通过模拟人的胃液或者是肠液的环境对服用的药品在人体内的吸收情况进行一个溶触度的检测。仪器会不停地搅拌仿生液,同时用进入式的探头对溶液已经稀释和溶解的药品的浓度进行检测。中间就是进入式的探头,对它稍加改装,比如说我们加上法兰,或者对透过的镜片进行改装,就可以在很多的工业现场进行应用。比如说像右图当中就是一个用这种进入式探头,直接插入到反应釜当中的一个应用。可以对中药的在熬制过程当中的有效成分进行检测和反馈,从而控制整套系统,何时进入下一个阶段。

接下来,我们再介绍一下微型光谱仪在反射方面的应用。首先,我们介绍一下外墙的节能玻璃的一个应用,也就叫蝼蚁玻璃的应用。现在很多新型的建筑都会选择玻璃作为外墙的材料,玻璃和常规的水泥或者砖木的结构相比,它的隔热效果是比较欠缺的,为了保证室内温度尽量的维持在一个理想的状态,就需要对玻璃进行一定的处理。最常见的处理方法就是对玻璃进行镀膜,让外墙的蝼蚁玻璃能够尽量的透过更多的可见光,阻挡紫外和近红外的光,起到隔热的效果。这个隔热效果的好坏和镀膜的工艺质量是紧密相关的,所以在整天蝼蚁玻璃的生产线上回安装若干个微型光纤光谱仪,使得在测量每镀完一层的膜之后,就需要用光谱仪对镀膜的效果进行测量。那么通过光谱仪采集到的反射和透过率的数据反馈给镀膜机,使其在下次镀膜的时候改善工艺。右图展示了在整个工艺中光谱仪是如何工作的,从右上图我们可以看到这是一张工作的原理图,中间的白色部分就是蝼蚁玻璃,在蝼蚁玻璃的上方我们放置了一个光源,这个光源通常是氘灯和卤钨灯的复合光源,可以提供紫外可见光以及近红外的整个光的能量。光源照射到样品上以后,会反射一部分的光被光源同侧的光谱仪接收,另一侧会放置另外一台光谱仪测量透射光谱。所以整套系统技既能测量反射光谱又能测量透射光谱,因为蝼蚁玻璃的尺寸很大,通常长和宽都要接近或者是超过5米,所以为了检测不同位置的镀膜的均匀性,通常会采样探头平移的方式扫描整块玻璃。右边的下面两张照片就是光谱仪和光源被架设到平移台上的实物图,由于微型光纤光谱仪的体积非常小巧,并且它的内部结构中是没有移动的部件,所以能够适应较大的加速度和震动的环境,使得整套系统和探头可以在玻璃上做往复运动扫描的测量。

反射光谱的第二个应用,我们来介绍一下反射测量中最重要的颜色测量,这里举了一个微型光纤光谱仪在印刷机上的在线颜色测量的装置。颜色准确性是印刷业最关心的问题之一,由于纸张的吸水性的差异,还有油墨的批次差异等等会导致印刷品出现一定的色差,因此如果能集成一个实时的颜色测量系统到印刷机上就显得非常的不一样。上图就是一台印刷机,通常在印刷机上会集成一个反射光谱的测量系统,对印刷品的校准色块进行反射率的测量,并根据标准的算法把反射光谱换算成印刷行业关心的颜色指标:LAB。显然这个快速移动的纸张并不是非常理想的测量对象,因此在涉及采样附件的过程中,通常会使用积分球或者环形的反射镜对光源进行均化,从而能够减小由于样品的轻微震动或者是倾斜导致的反射光在采样的时候出现偏差的问题。光谱仪最后会将这个测量的结果反馈给专业的配色软件,由配色软件再对各种彩色的油墨的比例进行校准和控制。

在这个应用场景当中,微型光纤光谱仪的另一个重要的特点可能会被应用到,那就是光谱仪自带的、板载的、可编程的逻辑电路,又叫FPJA。将复杂的判断逻辑写入到微型光纤光谱仪的固件当中,就可以省去电脑,让光谱仪直接和控制油墨的纸质流量计进行对接,产生一个在线的闭环系统。

反射光谱的测量方法有怎样的优势呢?在市场可以做颜色测量的设备非常多,通常分为两大类,一类叫做色度计。色度计通常采用三次计学的方法,即是采用三组滤光片来模拟人眼的三组感应颜色的色细胞,并且通过这三组细胞所产生的颜色刺激的强度来计算颜色。另一种方法就是光谱法,光谱法通过测量物体的反射光谱并根据标准的算法计算得到三次计值以及各种的颜色参数。与色度计相比,光谱法是公认的具有更高的测量零度的方法,并且能够解决一种叫同色异谱的问题。

下面简单介绍一下同色异谱的现象,假设当同一个光源照射到两个反射光谱不同的物体上的时候,可能存在这样的情况。这两个物体反射的光对人眼的三组感应的色细胞恰巧产生了同样的刺激,大脑就会认为这两个物体的颜色是相同的,同时具有同样测量原理的色度计也会认为这两个物体的颜色是一致的,它没有办法做区分。但是当有另外一个不同的光源照射到这两个物体的时候,由于这两个物体它本身的反射率是不同的,它们产生的三刺激值也会不同,这个时候才能看出变化。因此当遇到这类物品的测量值时,色度计需要至少更换不同的光源测量两次才能区分这种同色异谱的效应。而如果采用光谱的方法就能够比较直观的反应出物体的不同的特性,甚至还可以模拟出物体在不同的光源的照射下应该显现出怎样的颜色。另外微型光谱仪的采样灵活的优势在反射测量中也是非常的明显,对于不同性状的样品,比如表面粗糙的,或者是光滑的。通常对照射的光源的物距以及反射光谱的采样方式和采样角度也有不同的要求,采用光纤接口的这种微型光谱仪能够适应不同的测量要求,选择不同的采样附件。其中就包括比如说图像所看到的反射的光纤探头,或者反射式的积分球等等。

由于时间关系,关于光谱仪在荧光测量、拉曼测量以及其他的一些测量方式的应用,可能要另外机会再给大家做介绍了。我们想在这里再梳理一下微型光纤光谱仪和目前实验室常用的分光光度计之间的一些利弊和权衡,经过以上这些应用的介绍,大家不难看到微型光纤光谱仪一个最突出的优势,就是它的测量速度非常快,这主要得益于它的内部结构采用了不同于分光光度计的这种固定光栅加上线上的探测器的这样的结构。但是这种结构和分光光度计相比,也有它的劣势,那就是它的信噪比会比较低。因此,当选择工业现场应用的时候,一定要寻找到非常合适的应用。比如半定量的应用,或者说检测样品的浓度相对较高的应用等等。微型光纤光谱仪第二个特点就是体积小,这主要得益于光谱仪的光路结构它采用了一些折叠的光路,这样的另外一个劣势就是它的分辨率会相对于分光光度计而言,会比较低。在工业应用当中,通常可以采用丢弃一些无效的波段的方法来保证我们感兴趣的那部分波段的分辨率能够满足测量的要求。那么微型光谱仪的第三个特点,就是采样相对灵活,这主要得益于光谱仪采用这种光纤耦合,加上采用不同的附件的模式。这种模式也有它的一个弊端就是光纤毕竟会有一些扰动,那么采样附件也不可能像大型的分光光度计做得这么牢固和稳定,所以在测量过程当中不免会出现每次测量之间的重复性比较低的问题。通常可以采用多次平均,加上采样优化的一些方法来提高测试的准确性和重复性的问题。

那既然光谱技术已经蠢蠢欲动,准备好进入工业领域,那就不得不要面对工业领域会遇到的挑战和变革。其实人们也在努力的研制更小巧、更稳固、更耐用的光谱传感器,这些不断地创新其实已经颠覆了大家对传统光谱仪的理解。既然是身为海洋的员工,在这里给海洋光学打一个小小的广告,图中是一款海洋光学最新推出的微型光谱仪,名叫Spark,大家可以看到它和一美分的硬币相比的体积,感受下它的大小。如果用户能够自己设计电路的话,那这款光谱仪最核心的光路部分只有小手指的指甲盖大小,而且它的光学性能和其他的光谱仪相比并没有太多的降低。像这样的光谱仪以一种传感器的方式存在,其实会给我们带来更多的惊喜。不但在工业4.0和互联网的时代,更有可能在可穿戴的设备上走进我们的生活。其实,我们的身边已经有很多人发现了光谱的精彩。比如说像血氧检测,甚至包括苹果手表。


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