透射光谱法测量滤光片参数的实验研究

李爱侠，叶　柳，张子云，王翠平，王仁燕

(安徽大学， 安徽 合肥　230601)



透射光谱法测量滤光片参数的实验研究

李爱侠，叶柳，张子云，王翠平，王仁燕

(安徽大学， 安徽 合肥230601)

摘 要：利用海洋光纤光谱仪将光信号经分光系统和CCD阵列转换为各个波长范围的电信号，用SpectraSuite软件进行分析处理，获得相应的光谱信号曲线。实验结果表明，不同滤光片的透过率曲线不同，分析了滤光片透过的波长范围及其各自的透过率，通过各个滤光片的测试结果，了解各滤光片的应用领域。

关键词：透射光谱法；光纤光谱仪；积分球；滤光片；透过率

采用透射光谱法测量滤光片的参数仍然是一个热门的课题，具有重大的实用价值。透射光谱法具有测量精度高、测量范围广、非破坏性及一次性可同时测定薄膜的多个参数(如透过波段、透过率、截止波长、截止带宽等)等诸多优点而被广泛采用[1]。

光纤光谱仪作为光谱测量中最重要的器件，使用CCD来接收各个波长的数据，测量速度快，效率能得到很大程度的提高。因此广泛应用于光谱测量。将光纤与光纤耦合技术应用于光谱仪，可以大大提高其稳定性和分辨率。而微型光纤光谱仪则更具便携性和高性价比等优势，使得检测光谱的技术能够实现从内部设定的实验室环境走向检测实际现场的跃变，拓展了光谱仪的应用范围[2]。在实验室物理化学分析、临床医学检验、工业过程监控、航空航天遥感等领域广泛应用，因而引起了人们广泛的兴趣[3]。自上世纪九十年代以来，微电子学领域中的多象元光学探测器(例如CCD，光电二极管阵列等等)制造技术迅猛发展，使得CCD器件广泛应用到各个领域[4]。

光学透过率是所有的透光器件的重要指标，掌握光学器件的透过率检验方法可以帮助我们研究各种光学器件、系统的性能。光学滤光片产品应用于医疗仪器、金融、冶金、照相器材，航空，航天，军事、生化仪器，光学仪器，科研等领域。滤光片的主要指标有：光谱透过率、中心波长(窄带干涉滤光片)、半波宽、截止波长等。

本实验选用的光纤光谱仪使用了同样的CCD光谱仪元件和光电二极管PDA阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描，不需要转动光栅。选取损耗比较低的石英光纤，则可以用于传输相应的光谱信号，石英光纤的连接以及耦合等的操作过程非常简单，很容易获得，可以很方便地搭建起由实验所需的卤钨光纤白光源、积分球、滤光片和光纤光谱仪等模块组成的透过率曲线测量系统和实验装置。我们将基于该系统探讨利用透射光谱法测量滤光片的实验方法，测出吸收滤光片的透光谱线宽度。

1实验原理

本实验使用卤钨光纤白光源准直后作为照明光源，使用积分球作为匀光器，使用光纤光谱仪检测光谱。

实验原理图见图1：

图1　滤光片透过率测试原理图

1.1光纤光谱仪原理与结构

光谱仪器一般由入射狭缝、准直镜、色散元件(光栅或棱镜)、聚焦光学系统和探测器构成。由单色仪和探测器搭建的光谱仪中通常还包括出射狭缝，仅使整个光谱中波长范围很窄的一部分光照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝位置固定、宽度可调。对整个光谱的扫描时是通过旋转光栅来完成。

本实验使用的微小型光纤光谱仪的测量速度非常快，可以用于在线实时测量分析。测量的最大优势在于测量系统的模块化和灵活性以及其快速和高效率。由于光纤光谱仪使用了光纤传导光信号，屏蔽了工作环境的杂散光，提高了光学系统的稳定性，可以用于较恶劣环境的现场测试。光纤光谱仪采用的是对称式的Czerny-Turner光学平台，焦距为50 mm，结构示意图如图2所示。

图2　光纤光谱仪结构图

使用卤钨光纤白光源作为照明光源，使用积分球作为匀光器，使用海洋光纤光谱仪USB2000+检测光谱，测定并分析所得的光谱曲线。进行透射测量需要的仪器有一个光纤光谱仪，一个直流调压光纤光源，积分球，芯径400 μm、长度为2 m的探测光纤，用于夹持光源的二维可调棱镜台，SpectraSuite软件以及各种窗口(10%透光，D3，T2；2%透光，D3，T2；D3，窄带通650 nm，厚度3；D3，窄带通530 nm，厚度4 mm；厚度1 mm，3 mm)。实验中将反射探头每端连接至合适的装置很重要，带有六根光纤的接口应连接至光源，带有单根读取光线的接口应连接至光谱仪，光谱仪连接至计算机USB接口。测量时要保证在反射探头尖端到样品的距离相同的情况下进行所有参考和样品测量。利用海洋光纤光谱仪将光信号经分光系统和CCD阵列转换为各个波长范围的电信号，然后用计算机所配置的SpectraSuite软件进行分析处理，获得相应的光谱信号曲线。

因为光谱仪中的色散元件光栅决定了不同波长在探测器上可分开的距离，所以该色散元件是决定光纤光谱仪的分辨率大小的一个极其重要的参数。另一个重要参数是光线进入到光纤光谱仪的光束宽度，它基本上取决于该光纤光谱仪上安装的固定宽度的入射狭缝或光纤芯径的规格(假如没有安装狭缝)。

在指定的波长范围处，狭缝或光纤芯径在CCD探测器阵列上所成的像通常会覆盖几个像元。如果要分开两条光谱线，就必须把它们色散到这个像尺寸再加上一个像元。当使用大芯径的光纤时，可以通过选择比光纤芯径窄的狭缝来提高光谱仪的分辨率，因为此时会大大降低入射光束的宽度。光谱仪分辨率示意图见图3。

图3　光谱仪分辨率示意图

1.2滤光片

滤光片是一种能够从白光或其他复色光分选出一定波长范围或准单色光的光学元件。单色性是滤光片的重要性能指标，常用透光谱线宽度来描述它的透射率为最大值一半处的光谱波长范围。滤光片按其结构可分为两类：吸收滤光片和干涉滤光片。吸收滤光片利用物质对光波的选择性吸收进行滤光，可由有色玻璃晶体烧结多孔材料、明胶无机和有机液体以及吸收性薄膜等材料制成，是一种最常见和广泛使用的滤光片[5]。它结构简单且对入射角不敏感，但由于使用的物质有限，不能制造出在任意波长处获得所希望带宽的滤光片。干涉滤光片利用光的干涉原理和薄膜技术且通常由多层薄膜构成，能制成在任意中心波长有任意带宽的干涉滤光片，它在现代科学技术中得到了广泛的应用[6]。

1.3积分球原理与结构

积分球的主要功能是作为光收集器，积分球内均匀涂有漫反射涂层，可以高效反射200~2500 nm范围的光线。被收集的光可以用作漫反射光源或被测光源[7]。积分球的基本原理是光通过采样口进入积分球，经过多次反射后非常均匀地散射在积分球内部。探测口与积分球侧面的接口相连，该接口内部有一个挡板，探测器只能测量到光档板上的光，这样就不受从采样口进入光的角度影响，从而避免了第一次反射光直接进入金属探测器[8-9]。

本实验采用的是内径50 mm的光纤式积分球，探测器是使用SMA905接口光纤将光导入到光纤光谱仪进行探测，照明光源是使用光纤式的白光源使用SMA905接口与积分球连接。积分球结构如下图4所示：

图4　积分球结构示意图

2实验测试

根据实验原理搭建实验平台，基于USB2000+的透射光谱采集系统，主要包括USB2000+微型光纤光谱仪、积分球、白光光源、单向光纤、样品固定架以及计算机等。连接光源、样品夹持器、积分球和光谱仪。然后，安装各夹持部件，并调整各器件同心等高，如图5所示。最后，打开光谱仪测试软件。在实际的实验过程中，其中光源的光强是调到了最大的光强，积分时间约150毫秒左右， “平均次数”和“平滑度”分别都设置为6。

图5　透过率测试实物图

3实验及结果分析

3.1衰减片的透过率测试

首先保存参考光，即我们实验中使用的白光光源，点击黄色灯泡状按钮，软件会自动保存参考光。在暗光设置的时候，只需要将实验所配置的白光光源关掉就行，点击黑色的灯泡状按钮贮存暗光参数，注意：千万不能通过旋转光强调节按钮来关掉光源。再打开实验所配置的白光光源开关，在没有加样品时所测得图像如图6所示。

从图6可以看出，波长范围400~900 nm的透过率为100%，作为标准参考图。接着，只需要移动Y向移动滑块，将相应的样品置于光路当中，先测10%衰减片的透过率，对测得的光谱图，做 “平滑度”、“去除暗噪声”处理，就可以得到平滑后的光谱曲线如图7所示。

图6　未加样品时的透过率

图7　10%衰减片测试图

在上面的基础上，同样的方法测试白光光源通过2%衰减片光谱曲线如图8所示。

图8　2%衰减片测试图

衰减片是利用物质对光的吸收特性，制成片状，放在光路上，可以将光强衰减，光通过衰减片的多少与材料种类有关，也与材料的厚度有关。一束光中含有不同的波长的光，通过这种衰减片后，不同波长均按同一比例衰减。由图7和图8比较，10%衰减片和2%衰减片它们对于白光光源(波长在470~780 nm)之间的透过率分别为10%和2%左右，可以根据实际用途对白光亮度的要求，选择合适的衰减片。同时，分别将它们与图6比较，会发现加了衰减片的光路，会使透过光强减弱，透过率有不同程度地降低。

3.2窄带滤光片650 nm测试

不同的窄带通滤光片装卡在样品测试位置。测量其在各光谱范围内得透过率曲线。通过软件自带的测量功能，测量长波通过滤光片的透过波段、透过率、截止波长、截止带宽等参数。测试结果如图9：

图9　窄带滤光片650 nm测试图

从上图9可以看出，外界环境对实验影响很小的情况下，去除暗噪声后，650 nm的滤光片的透过率曲线呈抛物线型，在波长为663 nm左右时透过率达到最大，接近48%，光在透过650 nm滤光片时的透过波段大约在580~755 nm范围之间。

3.3窄带滤光片530 nm测试

将530 nm窄带滤光片装卡在样品测试位置，测量其在各光谱范围内得透过率曲线。通过软件自带的测量功能，测量窄带通滤光片的峰值透过率、半波带宽参数。测试效果如图10：

图10　窄带滤光片530 nm测试图

由图10可以看出，外界环境对实验影响很小的情况下，去除暗噪声后，530 nm的滤光片的透过率曲线呈抛物线型，在波长为530 nm左右时透过率达到最大，接近46%，透过波长范围大约在475 nm至600 nm之间。

由图9和图10可以看出，不同波长的窄带滤光片透过率曲线都呈抛物线型，在不同的波长透过率几乎相同，而透过的波长范围不同。所以，在实际需要中选择不同滤光片。

4结论

从光纤光谱仪和积分球的原理及其应用出发，利用光谱测试软件测量了在卤钨光纤白光源照明条件下各种滤光片的透过率曲线，并进行对比讨论。加了衰减片的光路，会使透过光强减弱，透过率有不同程度地降低，不同波长的窄带滤光片透过率曲线都呈抛物线型，波长透过率几乎相同，而透过的波长范围不同。所以，在实际需要中选择不同滤光片。

利用光纤光谱仪以及计算机所配置的SpectraSuite软件就可以很方便的测量出滤光片的透射光谱曲线,无需特殊的装置和仪器。测试简单，精确度高，非接触性，非苛刻性，因而省时、省力、省钱。此外，该方法的工作波长几乎不受限制，可根据实际情况恰当选择，这就使远紫外和真空紫外区滤光片光学常数的测量成为可能。

参考文献：

[1]刘细成.透射光谱法测量薄膜参数的研究[D].四川大学,2003(4):12- 20.

[2]温志渝,陈刚,温中泉,等.混合集成微型光纤光谱仪的设计模拟及实验[J].光学学报,2003,23(6):740- 744

[3]张志伟.微小型光纤光谱仪[J].生命科学仪器,2006(4):51- 54.

[4]李明,高超,陈芳,等.一种小型光纤光谱仪的结构设计[J].光学与光电技术,2013,2(11):95- 98.

[5]叶自煜,张佰森,朱忠奎.一种长波红外宽光谱长波通滤光片的设计与镀制[J].真空科学与技术学报,2012,32(9):830- 833.

[6]居戬之,韦晓茹,朱亚一.CCD光谱仪的波长定标和滤光片的透过率测定实验[J].大学物理实验,2008,21(3):66- 68.

[7]张芳,高教波,王军,等.积分球光谱辐射度建模与实验分析[J].应用光学,2010(5):709- 713.

[8]卢利根,张保洲,张军远.积分球非中性对出射光谱的影响[J].光子学报,2011,40(8):1127- 1130.

[9]方靖岳.λ射角度对高反膜及干涉滤光片的影响[J].大学物理实验，2013，26(1)：12-13.

Experimental Study of Filters Based on Spectral Transmission Measurement

LI Ai-xia，YE Liu，ZHANG Zi-yun，WANG Cui-ping，WANG Ren-yan

(Anhui University,Hefei Anhui 230601)

Abstract：Using the ocean fiber optic spectrometer，optical signal passes through the spectral system and CCD array to be converted into electrical signals of different wavelength range,then Spectra Suite software is used to analyze and process to get the corresponding spectral signal curve.The results show that various filters have different transmittance curve.The range of wavelength and their respective transmittance are analyzed for these fibers.Through each filter test results,the field of each filter application is understood.

Key words：transmission spectra method；fiber optic spectrometer；integrating sphere；filter；transmittance

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.019

文章编号：1007-2934(2016)01-0072-06

基金项目：国家基金项目(61275119)；安徽省级质量工程(2014gxk008)(2014zy007)；安徽大学教研项目(xjjxtd1402)；安徽大学本科教育质量提升计划项目(ZLTS2015054)

收稿日期：2015-09-02