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智慧型手機隱私螢幕角度相依性的反射分析
前言介紹
從智能技術到太陽能電池，各種固態薄膜的材料都被拿來分析。對於某些應用來說，透過紫外-可見光譜技術分析這些物質，非常有幫助。與液態樣品不同，固態樣品能夠反射出可觀的入射光。因此，收集給定樣品的反射光譜進行下一步材料表徵，是非常重要的。這些反射行為可以是鏡面反射的，或散射性的，如圖1所示。對於看起來不透明或混濁的薄膜樣品，其反射光譜主要是鏡面的，而有霧的薄膜則主要是散射光。對於肉眼能夠看清的薄膜，也可以藉由測量穿透光譜，進一步提供對給定物質行為的洞察。
圖1. (a)鏡面反射光 (b)散射光
舉例來說，智慧裝置的隱私螢幕是一種薄膜，它能夠在從寬角度觀看時阻止光線的傳輸，從而保護使用者的隱私。這些薄膜通常採用微型百葉設計，包括一系列的遮光板，允許以0度入射角方向的光線通過。在更大的入射角度下，所傳輸的光線量受到限制。類似的方法也被用於太陽能應用，例如太陽能的集熱器。
因此，任何隱私螢幕材料在可見電磁波譜的範圍內，都會固有地具有角度相依的穿透和反射光譜。出於品質考量，重要的是要確保螢幕在特定角度相對於法線入射時阻擋整個可見光譜，同時允許直接觀看時光線穿透。由於光線可以透過材料進行穿透、反射或吸收的行為，且隱私設備充當微型百葉，因此應觀察到在較小入射角時穿透更多光線，而在這些角度下反射的光線較少的現象。因此，重要的是根據入射角度測量完整的穿透和反射光譜，以確保薄膜的行為符合預期。
使用Thermo Scientific™ Evolution™ UV-Visible光譜儀，收集了一款商業可用的隱私螢幕的反射和穿透光譜。透過使用配備Thermo Scientific™ VeeMAX™可變角度鏡面反射附件，和固定角度為8˚的鏡面反射附件搭配Evolution Pro紫外光可見光光譜儀，收集了多個入射角度的反射光譜。也使用了配備Harrick Scientific可變角度穿透夾持器的Evolution One Plus儀器，以收集不同入射角度下的穿透光譜。
圖2. 各式鏡面反射與穿透量測附件
實驗部分
購買了一款與智慧手機兼容的商業可用隱私螢幕，並按原樣進行了測量。對於鏡面反射率的測量，Evolution Pro儀器配備了相應的鏡面反射附件。使用8˚、30˚、60˚、70˚和80˚入射角收集了百分比反射率（%R）光譜。光譜範圍為300 nm至800 nm之間，使用1.0 nm的間隔、1.0 nm的帶寬和0.1 s的積分時間進行測量，並使用參考鏡作為背景。使用Evolution One Plus收集了，隱私螢幕的角度相依百分比穿透率（%T）測量數據。可變角度穿透夾持器，用於保持螢幕以不同的入射角度。在此處包含的數據為0˚、8˚、30˚、60˚、70˚和80˚的入射角度。對於穿透率的測量，樣品使用了垂直和水平兩種不同的方向，來進行兩次測量。水平方向，如其名所示，是透過將樣品相對於垂直方向旋轉90˚來實現的。與此樣品收集的反射數據類似，光譜範圍為300 nm至800 nm之間，使用1.0 nm的間隔、1.0 nm的帶寬和0.1 s的積分時間進行測量。使用空的夾持器，以空氣作為背景。
結果與討論
如圖3所示，隱私螢幕的鏡面反射光譜為圖3a，隨著入射角度的增加而增加反射率，而穿透光譜為圖3b，則呈相反的行為。此外，雖然%R光譜在整個測量範圍內幾乎是平坦的，但%T光譜在約420 nm處出現了一個特徵。這個特徵可能是由於薄膜中的一些吸收材料所致。觀察到的情況表明，正如預期的那樣，當直接觀看時，法線或較小的入射角度，隱私螢幕的光穿透較大，反射較少，而在較大的入射角度下觀看時則相反。
圖3. (a)反射式量測光譜 (b)穿透式量測光譜
值得注意的是，對於樣品保持在8˚入射角度反射光譜，和0˚入射角度穿透測量下，收集的%R和%T光譜均包含一個干涉模式。干涉模式在紫外-可見光譜中看起來像是振盪，當薄膜的厚度與測量中使用的光的波長相當時會觀察到。在這些條件下，從空氣/薄膜界面和薄膜/基板界面反射的光，相互地具有建設性和破壞性干涉，形成觀察到的干涉模式。當各種界面是均勻的或具有最小的粗糙度時，這種現象會發生，並且先前已經提到過對各種薄膜樣品的情況。就隱私螢幕而言，觀察到的干涉模式意味著樣品包含在基板上沉積的數百奈米厚度的薄膜。此外，這個模式還意味著薄膜相對均勻。
圖4a和4b分別包括使用0˚和80˚入射角度收集的%T光譜。隱私螢幕的%T測量也在兩個不同方向上進行了收集：垂直（圖4c）和水平（圖4d）。如圖所示，無論入射角度如何，垂直方向上保持的樣品穿透的光較少，而水平方向上的樣品則穿透的光較多。鑑於此螢幕是為智慧型手機設計的，智慧型手機通常垂直持有，這種行為符合預期，即在此方向下觀看時穿透的光較少，尤其是在寬角度下。
圖4. (a)反射式量測光譜 (b)穿透式量測光譜
隱私膜樣品的方向依賴性類似於偏光器所表現的行為。偏光器是一種常用於光譜測量的光學元件。偏光器允許特定偏振的光通過，同時拒絕不同偏振的光。這些材料具有極高的方向依賴性，因此旋轉偏光器會改變允許穿透的偏振方向，如圖5所示。
圖5. (a)反射式量測光譜 (b)穿透式量測光譜
在樣品不同型態的情況下，偏振也可能對測得的吸收光譜產生影響。對於液相和固相樣品，分子可以以不同的偏振方式吸收光。通常，這種行為取決於分子的方向。分子在液相中翻滾的能力有效地使樣品保持各向同性。這種行為防止了方向效應對整個測得光譜的影響。然而，在各種固相樣品中，偏振依賴性可能存在，其中化合物無法像在液相中那樣自由旋轉。由於固相失去了這種自由度，因此化合物的方向會影響測得的光譜，藉由旋轉樣品可以改變觀察到的光譜。在分析固相樣品時，通常有助於以不同的樣品方向收集數據，以檢查是否感知光譜中的差異是偏振依賴性的產物。
結論
在本應用文章中，使用具有相應附件的Evolution儀器展示了在不同入射角度下測量薄膜樣品的%R和%T光譜的能力。透過增加入射角度，發現%R光譜增加，而%T光譜也增加，符合隱私螢幕的預期結果。此外，觀察到的方向依賴性突顯了，需要確保固態樣品在測量時，能夠重複放置相同位置的必要性。