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Hitachi

日立高新技术在中国

光学材料特性评价装置 UH4150AD+

ー实现近红外领域高灵敏度的分析测定ー

2022年9月1日
堀込 纯、和久井 隆行

序言

 近年来,近红外相机和传感器等产品被广泛应用于先进科技领域,所涉及到的波长范围(800~1700nm)也是人眼所不能观察到的。特别是应用于技术需求越来越先进、适用面越来越广泛的产品。例如:初期用于自动驾驶、智能手机的LiDAR*1遥感技术,后续开发的在黑暗条件下(如夜间)也能拍摄的夜视摄像机、为提高安全性的人脸识别、虹膜和静脉识别、以及因5G需求不断增加的光通信等。

 随着光学设备性能的提高,需要能够满足高精度测量光学元件光谱特性(如镜片的吸光度、透射比和反射比等)的仪器。由于大部分光学元件具有带通功能,即通过光学薄膜或光吸收剂仅传输特定波长并切割不需要的波长范围,为了高精度地实现此功能,需要扩大评价指标之一的测光范围*2

 本次开发的UH4150AD+(Advanced Spec Plus)是在延续了作为光学元件的光谱特性检测设备UH4150 系列的基础上,提升了其在近红外区域光谱特性测量性能,成为在先端行业很流行的测量光学元件的理想设备。

UH4150AD+分光光度计外观
图1 UH4150AD+分光光度计外观

UH4150AD+的光学系统

双单色光学系统

 分光光度计,是将白光用光谱元件(如棱镜和衍射光栅)分成单色光然后照射到样品上,通过检测透射光和反射光来测量材料的光学特性。应用领域包括材料、环境、制药和生物技术等学术和工业领域,根据其应用和要求精度的差异,已经开发了各种设备。大的分类有两种设备,单光束和双光束设备。其中双光束型分光光度计由于具有高稳定性,深受广大用户的青睐。在双光束中,有搭载单个光谱元件的单单色器型设备,也有搭载两个光谱元件的双单色器型设备。双单色器型设备杂散光较少,更适合要求高精度的光学薄膜的光谱特性测定。另外,根据可检测的波长范围分为紫外可见分光光度计(一般为190nm~900nm)、紫外可见近红外分光光度計(一般为190nm~3,300nm)。作为光学材料特性评价装置的UH4150AD+(图1) 属于双光束、双单色器型紫外可见近红外分光光度计。

平行光束

 分光光度计能够获得不同波长下的透过率和反射率光谱。反射测定分为适应入射角的正反射、扩散反射(漫反射)、及包括正反射和扩散反射的全反射,光学材料由于样品表面为镜面,具有适应入射角的光学功能,因此用到的正反射测定相对较多。

 在测定固体样品的正反射时,入射角很重要。对于聚集光束,入射角会随焦距的变化而变化,从而造成导电多层膜和棱镜等光学薄膜预测值和实际值产生差异。

 对于平行光束,所有样品的入射角都是近似于平行的,因此可以高精度测定正反射。

 另外,平行光束对于扩散性评价(雾度)、镜头透过率测定也是有效的。UH4150系列可实现无限接近平行的入射光,可实现高精度测量。

正反射的模式图
图2 正反射的模式图

UH4150AD+的优势

支持近红外区域的测光范围 7Abs

 用于相机和传感器的带通滤波器含有遮光性能低于 6Abs(透射率 0.0001%)至 7Abs(透射率 0.00001%)的光学薄膜。 该产品通过改进低透射率测光时的信号处理,支持近红外区域的透射率为之前的1/100的7Abs 的测光范围。使得即使在以前无法测量的近红外区域的微弱透射率条件下也能进行高精度测量。

配备新的高灵敏度冷却型 InGaAs 半导体检测器

 本次的新产品安装了更灵敏的冷却型InGaAs*3半导体检测器。与之前的型号*4相比,在低透射率下实现有效的低噪声测量,从而能够获得更准确的测量数据。

多功能扫描提高处理能力

 测定仅传输特定波长并切割不需要的波长范围的带通滤光片时,由于滤光片包含了高透过率和低透过率的波长范围,学者们一直都是按照低透过率的扫描速度进行全部波长范围的扫描,所以花费时间较长。现在,通过搭载新的多扫描功能,每次的测定可以根据不同的波长范围分别设定扫描速度等测试条件。图3为多扫描功能的设定画面和测试结果。按照透过率变化的5个波长范围进行了测定条件的设定。之前需要15分钟的检测通过多扫描功能只需要6分半就能完成,大大缩减了检测时间。

多扫描功能的设定及检测例
图3 多扫描功能的设定及检测例

表1 「UH4150AD+」的主要规格

项目 UH4150AD+ UH4150AD(传统机器)
可设定波长范围
可测量波长范围
175~2000 nm
185~1800 nm
175~3300 nm
185~3300 nm
测光范围 紫外可见区间
近红外区间
-2~8 Abs
-2~7 Abs
-2~8 Abs
-2~5 Abs
检测器 紫外可见区间
近红外区间
光电倍增管
冷却型InGaAs
光电倍增管
冷却型PbS*5

滤光片的测定

 图4是透过800 nm以下的可见光,截断波长较长的近红外光的短传滤光片的透过谱图。可以看出比截断部分900 nm长的波长部分OD较高。也就确认到了使用本测定装置,能够充分测评出OD 7以上的遮光性能。

短波通滤光片的测定数据
图4 短波通滤光片的测定数据

总结

 分光光度计可以测量作为对光学元件实施各种功能的光学薄膜的重要指标的光谱特性。相信UH4150AD+将成为非常适用于测量遥感技术等产业应用盛行的近红外区域光学部件的设备。该设备将通过提供非常适合先进需求的解决方案,为产业领域的持续发展做出贡献。

  • *1 LiDAR:使用近红外光的远程传感技术对近红外的激光进行脉冲照射,通过不同时间对其反射光进行检测,将反射光与远处照射对象的距离等进行3D图像展示的技术
  • *2 測光范围:用吸光度(Abs: Absorbance) 或者光密度(OD: Optical Density)进行表示。增加 1Abs透过率降低一位数。(0Abs=透过率100%, 1Abs=透过率10%, …, 7Abs=透过率0.00001%)
  • *3 InGaAs:铟/镓/砷化合物
  • *4 之前的型号:UH4150AD 紫外可见近红外分光光度计
  • *5 PbS:硫化铅化合物

作者介绍
堀込 纯、和久井 隆行
(株)日立高新技术科学

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