微型光谱仪常见应用解决方案

微型光谱仪是一种紧凑型的光学设备，用于分析光的波长或频谱分布。它通过将光分解为不同的波长，测量每个波长的强度，进而帮助识别物质的化学成分、物理特性等。被广泛应用于辐射度学分析、颜色测量、化学成份分析等领域，在冶金、地质、水文、医药、石油化工、环境保护、宇宙探索等行业发挥着重要作用。近年来，随着半导体技术和微机电系统（MEMS）的发展，微型光谱仪的性能不断提高，应用范围也不断扩大。

接下来将对莱森光学的微型光谱相关应用解决方案进行展开介绍。

原理介绍

• 微型光谱仪原理介绍

光纤光谱仪的主要作用是对光谱进行鉴别，并对其进行分析，建立了一种基于该功能特性的光学系统。光谱仪一般由分光系统、接收系统和数据处理系统组成，其工作原理是将光源发出的复色光按照不同的波长分离出来，配合各种光电探测器件对谱线强度进行测量，获得光谱功率（辐射）分布，再计算出色品坐标、色温、显色指数、光通量、辐射通量等光色性能参数。

光谱仪组件：①入射狭缝 ②衍射光栅或棱镜 ③探测器④路由光学器件 ⑤高阶滤光片

• 透射/反射光谱测量原理介绍

光纤光谱仪通常以比较法来测定光谱的反射率或透过率，即参考样品与样本在相同波长上反射或透射的单一颜色的辐射能量，以测定样本的反射率或透过率等。

在透过率测量时，象素n上的透过率是用当前样品、参考和背景数据按下面方程计算出来的：

式中T-----------透过率

Sample-----------样品透过强度值

Ref------------参考样片透过强度

Dark-----------背景数据

透过率的百分比在数学上与反射率是一样的，所以同样可以用于反射实验，反射测试中ref为参考板反射强度（如果需要测量绝对反射率值，需要在式中乘以系数C，C为参考反射板在每个波长的绝对反射率值）。

• 单光路测试：

1. 首先不放样品，测出100%透射的光谱信号；

2. 放入样品测试光谱信号

3. 两个信号进行比较得到的透射率

• 双光路测试：

1. 参照光和主光束分别被探测器接收；

2. 透射率=主光束强度/参考光强度;

3. 测试前要进行系统光谱校正。

• 薄膜测量原理介绍

当入射光穿透不同物质的界面时将会有部分的光被反射，由于光的波动性导致从多个界面的反射光彼此干涉，这两部分反射光可能干涉相长（强度相加）或干涉相消（强度相减），这取决于它们的相位关系。而相位关系取决于这两部分反射光的光程差，光程差又是由薄膜厚度、光学常数和光波长决定的。

薄膜测量系统是基于白光干涉的原理来确定光学薄膜的厚度。白光干涉图样通过数学函数的计算得出薄膜厚度。对于单层膜来说，如果已知薄膜介质的n和k值就可以计算出它的物理厚度。使用微型光谱仪测量薄膜的厚度主要是通过反射光谱，反射光谱曲线中干涉峰的出现是薄膜干涉的结果。

薄膜测量原理示意图

光镀有折射率为η膜层折射率为n1的基板光路示意图

• 颜色测量原理介绍

颜色可以简略分为反射颜色，透射颜色，光源色和结构色，前三种最为常见。待测物的反射/透射颜色取决于待测物的光谱反射率/透射率，参考光源和观察条件。光源色取决于光源光谱。结构色与物体表面特殊的衍射结构有关。

光谱测色是利用光谱仪获取光源发射或物体透反射的可见光波段的光谱进行分析。

根据色度学理论，任何颜色可用三个对人眼的颜色三刺激值来表示，因此获得颜色三刺激值正是测色仪器的测量目的。

颜色三刺激值可以通过颜色刺激函数分别乘以CIE光谱三刺激值，并在整个可见光谱范围内分别对这些乘积进行积分。计算公式如下：

• 辐射测量原理介绍

辐射测量一般要通过已知光谱能量分布的标准光源，对光谱仪系统进行绝对辐射标定，才能通过量化参数进行辐射测量。辐射能量与人眼视觉相关联（光度学），可以得到按照CIE中所定义的表征观测者平均视觉的光谱发光效率函数。因此辐射测量定义辐射度学参数、光度学参数、色度学参数。

辐射测量可以用于测量发光光源，也可以用于测量反射光。

1. 太阳辐射：99.9%的能量集中在0.2~10μm（C区域），其中太阳光谱在0.29~3μm占97%，称为短波辐射（A区域）

2. 紫外辐射：波长小于0.4μm（D区域）

3. 可见光辐射：0.4~0.76μm（E区域）

4. 红外辐射：波长大于0.76μm（F区域）

5. 地球辐射：是地表、大气、气溶胶、云层所发射的长波辐射3~100μm（B区域）

• 吸光度测量原理介绍

当光束照射到物质上时，光与物质发生相互作用，产生了反射、散射、吸收或透射。当入射光频率与物质分子的震动频率一致，或者入射光引起物质分子电子能级跃迁，都会产生光学吸收现象。溶液的浓度越高，穿过溶液的分子也会相应地被吸收越多。

吸光度是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数(即lg(I0/I1)) ，其中I0为入射光强，I1为透射光强，影响它的因素有溶剂、浓度、温度等等。

在吸光度的测量中，有时也用透光率或透光度表示物质对光的吸收程度。透光率以T表示：T=I/I₀，则吸光度与透光率之间的关系为A=lgI₀/I=lg1/T。

• 荧光测量原理介绍

荧光从广义上来说是指一种发光现象，分子发出的光。有几种类型的发光：光致发光、化学发光、电致发光。

荧光测量的原理是基于分子的能级结构和分子的荧光现象。利用物质在受到光激发后，部分电子从基态跃迁到激发态，然后在短时间内通过非辐射跃迁或受激发射的方式，退回到基态。在这个过程中，物质释放出能量，并以荧光的形式辐射出来，产生荧光信号。在荧光测量中，使用光谱仪对样品进行测量。荧光光谱仪可以通过调整激发波长和检测波长，以及对仪器进行校准，来获取样品的荧光光谱数据。

荧光和磷光的吸收和发光过程能量图

而在现阶段光致发光材料的研究中，对荧光量子效率的计算非常重要，因为这是反映光致发光材料发光能力的重要特征指标。

荧光量子效率可以使用下列公式表达：

• 拉曼测量原理介绍

拉曼光谱测量是一种无损的光学分析技术，其基本原理基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，它是基于光和材料的相互作用而产生的。拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度及分子相互作用的详细信息。

能级图展表示出不同的能级相对应的拉曼讯号，线的粗细大致成比例约略描述讯号的大小

拉曼光谱是由物质分子对光源的散射产生的，与分子的振动与转动能级的变化有关，来源于分子极化度的变化，是由有对称电荷分布的键的对称振动引起的。我们可以通过光激发分子运动，然后解释这种相互作用，从而对样品进行化学分析。

拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度及分子相互作用的详细信息。一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。

拉曼光谱图与物质特征之间的关系

拉曼光谱（包括峰位和相对强度） 提供了物质独一无二的化学指纹，可以用于识别该物质并区别于其他物质。实际测试的拉曼光谱往往很复杂，通过谱峰归属来判定未知物相对比较复杂，而通过拉曼光谱数据库进行搜索来寻找与之匹配的结果，则可以快速对未知物进行判别。

微型光谱仪常见应用解决方案

• 透射/反射光谱测量解决方案

• BRDF/BTDF测量

莱森光学BRDF系列产品可全方位分析测量材料表面的反射、透射特性，可测参数包括材料的双向透射分布(BTDF)、双向反射分布(BRDF)等。

• 透射率：

透射指入射光通过折射穿过物体后的出射现象。透过的对象多为透明体或半透明体，例如，玻璃、滤光片等。透过率光谱反映了样品对于光的透过特性，表示透明体透过光的程度，若样品是无色透明的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。对于完全平坦的样品，可以用0度角入射，180度角接收；对粗糙的样品，要求要0度角入射，积分球接收。

透过率测量连接示意图

• 反射率：

反射率是指由反射部分（含镜面反射和漫反射）占入射辐射的比例。反射光谱可以用作反射率测量、折射率测量、颜色参数测量和薄膜厚度测量等方面测量，且广泛的应用于反射型元件的光学性质测量等。

在反射率测量中，光纤探头通过将光纤光源直接照射到样品上，然后再通过另一根或相同的光纤来收集从样品表面反射的光，这种装置通常适用于测量样品表面的定向反射光，也称为镜面反射。

反射率测量（探头）连接示意图

而积分球是一种具有高反射率内壁的球形装置，它通过其内部的漫反射机制，将进入积分球的光进行多次反射，并在球体内部均匀分布。样品的反射光被均匀地收集后，通过一个检测口被光谱仪接收。这种方法非常适合测量漫反射和全反射。

Reflection Sphere

Deuterium-Halogen

Light Source

LiSpecview Software

Spectrometer

反射率测量（积分球）连接示意图

• 相关应用：

1. 广泛应用于航天遥感、地质测量、精密制导、目标仿真、光学设计，AR/VR/MR等领域。

2. 主要用于光学系统光机件表面的散射测量，可实现对玻璃、金属、塑料、纸张、纺织品、油漆、涂层、光学膜材料等诸多材料进行表征分析。

3. 航天领域的光学表面污染检测，表面材料特性检测，外表面热控材料散射检测。

4. 用于材料的模拟和仿真的光学组件和特殊材料的表面散射测量。

• 薄膜测量解决方案

基于白光干涉理论，利用莱森光学光纤光谱仪可以实现薄膜的高精度测量。这种测量方法通过正角度入射的反射率来获取薄膜的厚度和折射率信息，并通过提取光入射薄膜前后的相位变化来进行计算。相比传统的光度法和偏法，这种测量方法具有更高的精度和更快的测量速度，同时结构简单、成本低廉，为光学薄膜厚度的测量提供了一种简便、快速且可靠的解决方案。

薄膜测量连接示意图

• 相关应用：

1. 半导体领域：GaN涂层、SiO₂、光刻胶、SOI等

2. 显示面板领域：涂布厚度检测等

3. 精密光学领域：二氧化硅膜、氟化钙膜等

4. 聚合物薄膜、PET、PC、亚克力等

5. 光学镀膜：硬涂层、抗反射层等

• 颜色测量解决方案

颜色测量包含三个基本要素：参考光源，参考标准源，光谱采集装置。常用参考光源为卤钨灯或氙灯。参考标准源一般多用漫反射标准板。光谱采集装置则有光纤光谱仪和配套附件组成。光谱仪必须涵盖可见光波段，并且要具有足够的灵敏度和稳定性，配套附件包括光纤探头和积分球等。

辐射-光源颜色测量

LED颜色测量

• 相关应用：

1. 农产品加工：肉类，果蔬等品质分类

2. 照明行业：LED颜色分析

3. 纺织行业：纺织物色差鉴定

4. 造纸行业：纸品颜色控制

5. 化工行业：油漆，涂料等品质控制

6. 医学检测：血迹检测

LED颜色测量

• 辐射测量解决方案

一般来说辐射测量系统由光谱仪、光纤、积分球（余弦矫正器）、支架组成，系统测量待测光源前需要使用标准光源定标。

余弦辐射探头采集示意图

积分球光采集-光源在内采集示意图

积分球光采集-光源在外采集示意图

• 相关应用：

1. 光源辐照度测试

2. 显示器的颜色监控：获得显示器的亮度值

3. 太阳光谱研究：获得太阳光谱的能量分布、测量太阳、大气的辐照能量或者照射到物体上反射的二次辐照

4. 太阳模拟器光谱匹配度测试

5. LED路灯在线质量控制

• 吸光度测量解决方案

近年来，随着光纤光谱仪的普及，越来越多的科研、企业实验室、工业在线分析用户采用这种选择采用光纤光谱仪来替代传统实验室用的分光光度计。相比传统的分光光度计，光纤光谱仪具有稳定性好、体积小、重量轻、快速检测且低成本的优势，能够满足多种应用场合下对吸光度的测量要求。

• 液体吸光度测量

比色皿支架适用于能够简单的使用比色皿支架进行测量的样品。无需暗室操作，操作简便、消耗试剂量小、重复性好、测量精度高、检测快速。

当无法将样品放入比色皿时，可以选择透射吸收探头。把探头浸入或固定在液体中就可以测量，适用于溶液在线分析，可避免二次污染。

• 气体吸光度测量

在气体的吸光度测量中一般选择高浓度样品或者选择长光程容器进行测量。光学密度 OD 值直接影响测试样品所需容器的光程选择。光学密度越高，所需要的光程就越短。

吸光度测量（气室）

• 相关应用：

1. 生物学领域：核酸和蛋白质或者其他小体积样品分析

2. 医学领域：血液中各成分含量；可用于对酸碱平衡失调等疾病的诊断

3. 环保领域：监测污水中有机物、水中溶解氧和二氧化碳的含量；监测大气中臭氧等化学物质；汽车尾气分析

4. 食品领域：测量分析橄榄油纯度

5. 还可广泛应用与石化、原材料和制药等领域

特级初榨橄榄油（EVOO）和初榨橄榄油（VOO）样品的实验近紫外-可见吸收光谱曲线

特级初榨橄榄油（EVOO）样品（即T1）的近紫外-可见吸收光谱曲线

• 荧光测量解决方案

荧光光谱测量解决方案主要包括选择合适的激发光源、光谱仪及附件，通过调整激发波长和检测波长，对样品进行荧光光谱数据的获取。

荧光光谱测量首先需要明确测量样品的类型和要求。其次，需要确定荧光光谱测量的条件和参数，如激发波长、检测波长、积分时间等。最后，需要制定荧光光谱测量的标准操作流程和数据分析方法。常用光源如LED和卤钨灯，配合光谱仪和比色皿支架、反射探头等附件，确保测量精度。该方案广泛应用于材料科学、生物分析等领域，具有灵敏度高、选择性强等特点。

• 相关应用：

1. 生物分析：荧光光谱可以用于分析生物分子，如蛋白质、核酸等。

2. 医学诊断：荧光光谱在医学诊断方面也有广泛的应用。荧光光谱可以用于检测生物标记物和药物，以便诊断疾病和监测治疗进展。

3. 环境监测：荧光光谱可以用于环境监测，如检测水中的重金属、有机污染物等。

4. 材料科学：荧光光谱可以用于材料表征，如荧光探针、荧光染料等。

5. 食品安全：荧光光谱技术可以用于食品中有害物质的检测，如农药、重金属等。

典型荧光染料的吸收-发射光谱图

• 拉曼测量解决方案

要获得拉曼光谱，只需要把激光聚焦在你想研究的样品上。激光照射样品后，散射光通过滤光片（以去除激发激光中的任何光）。然后散射光被导入到一个光栅上，光栅像棱镜一样将非弹性散射光按波长进行分布。最后这些光线被导入到一个CCD传感器，然后根据强度生成一张光谱。拉曼光谱既可用于定性测试，也可用于定量测试。

拉曼测量连接示意图

• 相关应用：

1. 材料科学：拉曼光谱可以用于研究材料的微观结构和性能，如晶体结构、缺陷和相变等。

2. 生物学：研究生物分子的结构和功能，如蛋白质、核酸和多糖等。通过研究生物大分子的拉曼光谱，可以获得关于分子结构、活性和相互作用等方面的信息，为疾病诊断、药物研发和生物学研究提供有力支持。

3. 环境科学：监测和分析水体、土壤和大气中的污染物，为环境保护和治理提供科学依据。

4. 医疗诊断：辅助诊断肿瘤、炎症和感染等疾病，为疾病的早期发现和治疗提供新的手段。

5. 安全检查：可以检测金属材料中的夹杂物、裂纹等缺陷，提高工业生产和安全检查的效率和准确。

宝石样品拉曼光谱图

常见生物组分和分子的拉曼光谱

配置推荐：

• 微型光谱仪

莱森光学专注于光谱仪的研发与生产，产品线涵盖了从紫外到近红外波段的多种类型光谱仪。我们注重产品的多样性与实用性，光谱仪的尺寸和配置各异，既有便于携带的便携式类型，也有适合工业环境集成的产品。这些设备能够灵活应用于科研、生产、质检等多个领域，满足用户对光谱数据的实际需求。

• 光源

莱森光学的光源产品系列多样，包括卤素、LED、激光及氙灯光源等，均具备高稳定性、长寿命及精准光谱输出的特点，广泛应用于科研实验、光学测量、工业检测及医疗设备等领域，为各类光学系统提供稳定可靠的光源支持。

• 光纤探头

莱森光学的光纤产品系列丰富，具备优异的传输性能、高抗弯折能力和稳定的信号传输质量，广泛应用于通信、传感、医疗及工业检测等领域，为光信号的高效传输和精确测量提供了可靠保障。

• 光学附件

莱森光学的光学附件种类繁多，包括光纤镜头、光谱漫反射标准板、比色皿支架等，这些附件设计精密、质量可靠，能够有效提升光学系统的性能与灵活性，广泛应用于科研、工业检测、医疗诊断等多个领域。它们作为光学系统的关键组成部分，不仅优化了光路设计，还增强了光信号的收集、传输和处理能力，是各类光学应用不可或缺的辅助工具。

• LiSpecView光谱仪软件

莱森光学的LiSpecView光谱仪软件是一款集数据处理、分析功能于一体的强大工具，专为配合光谱仪设计，具备丰富的分析功能、友好的用户界面及高度定制化选项，广泛应用于科研、工业生产及质量检测等领域，助力用户高效处理光谱数据并挖掘深层信息。