对于某些光学仪器来说，鉴定元件涂层的反射特性对于确保最佳性能至关重要。在本应用说明中，我们测量了涂有不同黑色涂层的印刷电路板。
可在表面涂上黑色涂层，以尽量减少表面对光线的反射。例如，在光谱仪的光学台上，机械外壳通常被涂成黑色，以减少杂散光。
但要选择哪种黑色涂层呢？测量不同涂层表面的反射特性有助于评估。为了测试这种方法，我们使用海洋光学公司的模块化光谱仪系统来测量涂有各种黑色涂层的印刷电路板的反射特性。
背景介绍
理论上，黑色表面应该吸收所有波长的光。实际上，黑色表面涂层的吸收率和反射率随波长的变化而变化。
这些涂层特性在光学仪器的设计中尤为重要，因为在光学仪器中有效地管理光线至关重要。例如，在光谱仪中，任何未被光学工作台涂层吸收的光都会成为杂散光，到达检测器并影响仪器性能。由于检测器无法区分透过样品的光和光学工作台产生的杂散光，因此杂散光的存在限制了可达到的最大吸收水平。随着杂散光水平的增加，吸光度光谱会逐渐变平，直到达到最大吸光度值，不再检测到任何吸收。
为了提高仪器性能，可以通过使用黑色吸收涂层来最大限度地减少杂散光。其他光学工作台设计元素，包括低杂散光光学元件和可最大限度减少内部反射的障板，也可用于减少杂散光。
反射测量
由于大多数黑色涂层并非真正的黑色，因此反射测量有助于确定涂层表面的光学特性。这些测量的目的是找出在相关波长范围内反射最小的涂层。
反射测量可使用反射探头进行，该探头从样品被照射的相同角度收集光线，可用于镜面反射或漫反射测量。标准的海洋光学反射探头由围绕一根读取光纤的六根照明光纤组成，具有 25° 的全角视场。虽然将 6 根光纤连接到光谱仪很有吸引力，但将单根光纤连接到光谱仪更为有效。每根照明光纤都从光源投射出一个光锥，所有光锥都在样品中心重叠，这就是读取光纤收集光的位置（图 1）。
图 1.海洋光学公司的反射探头有各种光纤直径尺寸和光纤类型（高OH、低OH、抗日晒）可供选择。
要测量镜面反射率，请将探头放在反射探头架上，与样品成 90°。对于漫反射，请使用 45° 端口。反射探头需要从探头架上的样品表面稍稍向后拉，因为来自照明光纤的光线需要一定的空间重叠并产生反射光。样品区域的直径约为探针尖端与样品之间距离的一半（例如，在 4 毫米的距离上工作，光斑大小约为 2 毫米）。使用反射探头支架可以确保从一个样品到下一个样品（以及进行参考测量时）的距离保持一致。支架的哑光黑色表面也有助于减少环境光。
使用反射探头进行暗测量时，最好遮住灯管处的光线。关闭灯管后再打开会破坏灯管的热平衡，需要重新进行参考测量。如果无法阻挡光线，也可以将探头对准黑暗空间进行暗测量，前提是尽量减少光线散射回探头的机会。 抵制将探头对准黑色物体（如一张纸或一块盖布）的诱惑，因为看似吸收所有波长的物体实际上会优先反射某些颜色。我们的目标是捕捉探针发出的所有光线。
选择合适的反射探头进行测量的最重要因素是波长范围和所需的光量。系统灵敏度应针对参考标准进行优化，因为样品的反射率几乎总是较低。根据所需的灵敏度选择光纤尺寸，而不是所需的光斑尺寸。光斑大小主要取决于探头与样品的工作距离，而且很容易改变。请记住，所有光纤都具有相同的 25° 全角视场，因此在相同工作距离下，600 微米光纤的光斑尺寸仅比 200 微米光纤大 400 微米（0.4 毫米）。
当需要连续监测灯管时，可使用带参考支脚的探头。 此外，标准或定制的扩展波长（”混合”）探头提供多个灯输入支脚和/或测量支脚，可以混合不同的波长并输出到不同的光谱仪，以优化每个波长范围。对于测量粉末或高密度溶液的用户，带有 30° 窗口的斜角探头允许用户将探头直接浸入样品中，并保持一致的工作距离。
测量条件
使用 Flame-VIS-NIR 光谱仪（350-1000 纳米）、HL-2000 卤素钨丝灯光源和 400 微米反射探头测量了涂有三种黑色油漆（平黑、亮黑和黑板漆）的印刷电路板的反射光谱。
由于这些样品的反射率相对较低，我们使用了 Labsphere 灰度标准（约 20% 的漫反射率）作为参考。积分时间为 20-120 毫秒，箱车设置为 5，平均扫描 20 次。一个环形支架支撑着测量用的反射探针支架，一个黑色罩子遮挡了环境光的直接照射。 使用反射探针支架，在探针与涂层表面成 45°（漫反射）和 90°（镜面反射）时进行测量。
成果
虽然使用反射探头进行的测量看似简单，但数据可能会带来一些意想不到的惊喜。为了证明这一点，我们观察了三种黑色油漆：黑色平光漆、黑色亮光漆和黑色黑板漆。如图 2 所示，镜面反射数据显示黑板漆的反射率最低，而亮光黑漆的反射率要高出约 10 倍。这个比例看起来可能有点奇怪（亮黑色油漆的反射率为 250%），直到我们记住定义为 “100%”的参考值实际上是 20% 的漫反射标准。
图 2.镜面反射测量结果表明，涂有黑色亮光漆的印刷电路板反射率最高，比涂有黑板漆的印刷电路板表面的光泽度高出近 10 倍。
在检查图 3 所示的漫反射数据时，我们发现平光漆和亮光黑漆在可见光范围内的光谱响应相似。这表明，即使其中一个样本的反射率明显更高，它们的颜色在肉眼看来也非常相似。
图 3.在漫反射测量中，具有不同表面涂层的印刷电路板的光谱响应差异在波长较高时更加明显。
涂料在近红外光谱下开始出现差异，这表明赋予涂料光泽的可能是一种近红外反射化合物。令人惊讶的是，黑板漆的漫反射率似乎高于其他黑色涂料。需要注意的是：反射探头只显示 45° 角照射时的漫反射率。
结论
在这个反射应用示例中，使用了一个简单的模块化光谱仪装置来测量印刷电路板上黑色涂层的漫反射和镜面反射特性。这些相对简单的测量所产生的光谱数据可用于选择最佳的光学台面涂层，以减少杂散光并提高仪器性能。
虽然我们使用了通用光谱仪和探针进行反射测量，但还可以使用其他模块化选项。例如，我们可以将反射探头换成海洋光学公司的积分球，它可以测量与样品表面成 180 度的散射光，从而实现更精确的测量。
在光谱仪方面，从 Ocean HDX 这样的低杂散光光谱仪到包括 D8 系列色彩检测系统在内的工业级仪器，都是我们的选择。
这些光谱仪和附件是满足反射率测量需求的更多选择中的一部分，可提供数十种不同的反射率和颜色测量配置。