【微光谱应用】使用反射探头测量涂敷印刷电路板反射率

摘要

黑色涂料被涂敷于表面以将表面光的反射降到最低程度。在光具座的情况下，机械外壳被涂成黑色以减少分光计中杂散光。使用一系列带有不同反射率特性的黑色涂料，反射测量能被用于评价一个涂敷表面的反射特性。在本应用说明中，我们测量了涂敷有不同黑色涂料的印刷电路板的漫射、镜面反射和全反射，以评价每种涂料的反射特性。

背景

理论上，一个黑色表面应吸收所有波长的光。实际上，存在很多具有吸光率和反射特性的黑色遮光物，其作为波长的一个函数而变化。在光学涂层方面，作为波长的一个函数精确地描述反射特性，对于设计光学仪器是至关重要的。任何没有被光具座涂料吸收的光变成杂散光，其具有达到探测器并影响仪器性能的可能。因为探测器不能区分通过样品传输的光和光具座中产生的杂散光，杂散光的存在限制了可达到最大吸收水平。当杂散光水平增加的时候，吸收光谱平直，直到达到最大吸收值并且没有进一步的吸收被探测到。为了提高仪器性能并能测量更高的最大吸光量，通过使用吸光的黑色涂料将杂散光减少到最低程度。另外，使用了光学设计部件如低杂散光镜片和遮挡杂散光的物理挡光板以减少杂散光并增加最大吸光量和仪器性能。

因为大多数黑色涂料不完全是黑色的，因此进行反射测量以描述一个表面的反射特性。这些测量的目的是要鉴别将波长范围内的反射降到最低程度的涂料。能使用一个反射探头如R400-7-VIS-NIR 400 微米芯径反射探头进行反射测量。

一个反射探头收集来自样品被照明的相同角度的光，这使它能被用于镜面反射或漫反射测量。它由一个在中心的单独光纤和四围的6个照明光纤组成，具有25°全角度视野。虽然人们很想将6个光纤的脚都连接到光谱仪上，但是实际上将单根光纤与光谱仪链接是更为有效的。正如图1所示，每个照明光纤从光源射出一个锥形光，所有这些光在样品的中心重叠，这正好是中心接收光纤“看”的地方。

图1：反射探头

为了测量镜面反射率，将探头定位在反射探头支架（RPH-1）中与样品成90°角度。对于漫反射率，使用45° 端口。由于来自照明光纤的光线需要一些空间进行重叠并产生反射光，所以需要将反射探头轻轻地从探头支架中的样品表面拉回一些。所见样品面积的直径将约为探头尖和样品之间距离的½（即在4.0 mm距离的操作将给出 ~2.0 mm 光点直径）。使用一个反射探头支架（RPH-1）将确保从一个样品到下一个样品（在进行反射测量的时候）有一致的工作距离。它的无光泽黑色涂饰层也有助于减少环境光。

当用反射探头进行暗测量的时候，如果可能，最好挡住灯光。将灯关闭，然后再打开将扰乱灯的热平衡，这需要额外的预热时间和进行一个新的标准测定。如果这不可能，可以接受的做法是，将发光探头伸到一个暗的地方进行暗测量，只要分散光回到探头的机会最小。最好不要将探头指向黑色的东西上（如一张纸或一块覆盖布），因为吸收所有的波长光的物体实际上能优先反射某些颜色。目的是阻止所有射出探头的光返回进入光纤。

在为测量选择正确反射探头中最重要的因素是波长范围和需要的光量。为了参比标准，应对系统灵敏度进行优化，因为样品几乎总是低反射的。根据需要的灵敏度而不是根据理想的光斑直径选择光纤尺寸。光点直径由探头与样品的工作距离支配控制，可轻易改变。请记住，所有光纤都有相同的25° 全角视野，因此一个600 微米光纤的光斑直径仅为400微米（0.4 mm），其大于在相同工作距离的一个200微米光纤。

在灯需要不断被监控的时候，可用带有基准脚的探头。另外，标准或自定义扩展波长（“混合的”）探头提供了多个灯输入脚和/或测量脚，允许不同波长的混合和为每个波长范围内的优化而输出到不同光谱仪。对于用于测试粉末或浓溶液的那些探头，一个尖端带有30度窗口的角度探头允许用户将探头直接浸入样品并仍然得到一个一致的工作距离。

测量条件

使用一个反射探头对涂有三种黑色涂料（无光泽黑色涂料、有光泽黑色涂料和黑色黑板涂料）的印刷电路板的反射光谱进行测量。印刷电路板样品被显示在图2所示的反射探头设置照片的右下角。进行这些测量的设备是USB4000-VIS-NIR光谱仪（光栅#2, 狭缝25um), R400-7-VIS-NIR反射探头和HL-2000卤钨灯。由于这些样品具有相对低的反射率，因此，使用了一个灰色标准样品（~20%漫反射系数）。积分时间范围为20-120毫秒，平均次数设置为5—20。

正如图2所示，一个环形架被用于支撑测量用的RPH-1反射探头夹具，其带有一个黑色遮光罩，用于保护测量不受周围光的直接照射。测量采样使用带有表面涂覆材料的RPH-1反射探头支架，它能够搭配45°（漫反射率）和90°（镜面反射率）的探头来进行测试。

图2：反射探头测量的硬件设置

结果

虽然用反射探头进行的测量可能似乎很简单地获得，但是数据可能出现一些意想不到，令人惊讶的情况。为了说明，我们考察一下三种黑色涂料：无光、有光和“黑板”涂料。 如图3所示，镜面反射率数据表明，黑板涂料反射最小，有光黑色涂料~10x 以上。刻度数可能有些奇怪 (有光黑色涂料为250%反射率）直到我们想起：定义为“100%”的基准值实际上是一个20%的漫反射率标准值。

图3：用反射探头测量的被涂敷的印刷电路板镜面反射率（相对于灰色漫射的20%反射标准）

通过考察图4中显示的漫反射率数据，我们看到：无光和有光黑色涂料实际上在可见光谱区看起来相当类似，这意味着：它们将看来似乎在眼睛可见颜色方面非常类似，即使一个涂料反射了较多的光，也是这样。涂料样品在近红外区开始不同，这表明：无论给予的涂料是什么，它的光泽表明可能都是一个近红外反射化合物。令人惊讶的是：黑板涂料的漫反射率似乎比其他黑色涂料更高。但是，当在45°角度照明和观察的时候，反射探头不是在完全显示整个画面，仅是漫反射率。

图4：用反射探头测量的被涂敷的印刷电路板漫反射率（相对于灰色漫射的20%反射标准）

结论

在本例反射率应用中，R400-7-VIS-NIR反射探头被用于测量印刷电路板上的黑色涂料的漫反射率和镜面反射率特性。由这些相当简单测量所产生的光谱数据能被用于选择最佳光具座涂料以减少杂散光并提高仪器性能。

具有可用的模块光谱学工具，一系列的额外测量有可能进一步描绘这些样品的特征，保证选择可能最好的涂料。一个积分球如带有内置钨卤素光源的ISP-REF积分球可以被用于测量在180度从样品表面散射的光，能得到更精确和绝对的测量。也可用ISP-R系列反射率积分球，积分球的直径范围为30-80 mm。涵盖不同波长范围的光谱仪、光源和反射探头能被与反射率标准和可选择取样附件相结合以进一步扩展测量。所有这些部件能被轻易交换以能对样品反射率的全部反射率特征进行描述。