CN101131349B - 非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其方法采用计算机或微处理器控制的光谱功率分布可变的照明体作为测试光源，当光电传感器工作在线性范围时，通过求解一线性方程组，计算物体的光谱反射因数，光谱透射比或吸收光谱。本方法无需棱镜、光栅、干涉仪、滤光片、光纤等光学元部件进行分光，测定装置的体积很小，可以获得很高的测试精度和速度。本发明的方法没有可移动的机械部件，全静态，缩小了系统的重量与功耗，因而结构简单，成本低廉，具有很高的可靠性和工程应用可行性。

Description

非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法

技术领域

本发明涉及一种物体光谱测量方法，尤其是涉及一种非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法。

背景技术

在现代工业、农业、贸易、医学、科学研究和日常生活等许多领域中，存在大量物体光谱测量问题。例如在可见光波段，测定物体的反射、透射光谱可精确计算物体色；在红外波长范围，利用吸收光谱法可定性或定量分析物体的有机物或无机物成分。

光谱测量需要采用波长分离技术进行分光。现有的分光技术都需要利用某种光学元部件，如棱镜、光栅、干涉仪、滤光片、光纤等。

采用光学元部件进行分光存在以下问题：

1、光学元部件制造工艺及光路结构复杂，设备加工、装配精度要求高，造成测量设备体积庞大，价格昂贵。

2、对使用环境要求较高，有的仪器甚至要求严格的恒温恒湿，不适于在环境条件较差的场合使用。

发明内容

本发明的目的就在于解决现有光谱测量方法存在的光路结构复杂、体积庞大，对环境要求高等问题，从而提供一种结构简单、体积小、对环境要求不高的非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法。

本发明的目的可通过以下措施来实现：

本发明测量方法如下：

对于反射光谱的测量：

若需要测定某一波段N个波长λ_n的光谱反射因数，其中n＝1，2，3，...，N，具体方法为：

第一步骤：选择反射样品的照明和观测条件，测定照明体在控制变量i_m控制下在这一波段的光谱功率分布P(λ，i_m)，P(λ，i_m)为照明体在控制变量为i_m时的光谱功率分布矩阵，

$P(\mathrm{\λ},i_m)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccccc}P({\mathrm{\λ}}_1,i_m),& 0,& 0,& ...,& 0\\ 0,& P({\mathrm{\λ}}_2,i_m),& 0,& ...,& 0\\ 0,& 0,& P({\mathrm{\λ}}_3,i_m),& ...,& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0,& 0,& 0,& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_m)\end{array}\right]\end{array}---\left(v\right)$

其中m＝1，2，3，...，M，并且M≥N；

第二步骤：选择光电传感器的工作点，使其在选择的照明和观测条件下，在这一波段工作在线性范围，即光电传感器的光谱响应向量r为常向量，与入射光通量大小无关，测定r，

r＝[r(λ₁)，r(λ₂)，r(λ₃)，...，r(λ_N)]^T    (iv)

式中T为向量或矩阵的转置；

第三步骤：计算

A(i_m)＝r^TP(λ，i_m)    (xi)

第四步骤：从M个A(i_m)向量中选择N个，重新记为A(i_j)，j＝1，2，3，...，N，构造矩阵

$A=\left[\begin{array}{c}A\left(i_1\right)\\ A\left(i_2\right)\\ A\left(i_3\right)\\ ...\\ A\left(i_N\right)\end{array}\right]---\left(\mathrm{xii}\right)$

选择A(i_j)的原则为：

I、在各种光谱功率分布P(λ，i_j)情况下，即使反射样品全反射或全吸收，光电传感器仍工作在线性范围；

II、矩阵A可逆。

计算矩阵A的逆A^-1；

第五步骤：放置反射样品，在计算机或微处理器控制下，控制变量i_j依次变化，j＝1，2，3，...，N，得到光电传感器在这一波段相应的响应向量R

R＝[R(i₁)，R(i₂)，R(i₃)，...，R(i_N)]^T    (xiii)

第六步骤：根据

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}{A}^{-1}R---\left(x\right)$

计算反射样品的光谱反射因数向量ρ，其中Δλ为波长间隔，

ρ＝[ρ(λ₁)，ρ(λ₂)，ρ(λ₃)，...，ρ(λ_N)]^T    (vi)

以后反射样品的光谱反射因数向量ρ的测量重复第五步骤与第六步骤即可；

对于透射光谱的测量：

测量光谱透射比的方法与上述反射光谱的测量方法相同，其中只是采用了透射样品的照明和观测条件，且将以上式(x)与(vi)中的光谱反射因数变为光谱透射比；

对于吸收光谱的测量：

首先采用上述透射光谱的测量方法测量光谱透射比，根据物体的光谱透射比即可计算出其吸光度或吸收光谱。

本发明中反射光谱的测量方法中照明和观测条件，是采用45/0、0/45、d/0、0/d、d/8、t/0、0/t中任一种照明和观测条件。本发明中透射光谱的测量方法中照明和观测条件，是采用0/0、d/d、0/d、d/0中任一种照明和观测条件。测量方法中，在光路中设置有可调谐滤光片。可调谐滤光片为液晶可调谐滤光片或声光可调谐滤光片或其他合适的可调谐滤光片。测量方法中可应用于可见光谱范围物体反射、透射、吸收光谱特性的测量，还可应用于非可见光谱范围物体反射、透射、吸收光谱特性的测量。非可见光谱范围包括红外或紫外波段或其他非可见光谱。

本发明由于采用上述方法，无需棱镜、光栅、干涉仪、滤光片、光纤等光学元部件进行分光，并且可以根据需要将照明体、光电传感器以及控制(计算)电路集成在硅片上，所以测定装置的体积可以很小。同时又由于采用计算机或微处理器进行控制与计算，故可以获得很高的测试精度和速度。本发明的方法没有可移动的机械部件，全静态，可承受振动冲击，降低了加工和装配精度，缩小了系统的体积、重量与功耗，因而结构简单，成本低廉，具有很高的可靠性和工程应用可行性。当本发明的方法中在光路中采用可调谐滤光片时，本发明的方法可降低对滤光片通频带的要求。调谐滤光片，改变其中心频率，即使滤光片通频带很宽，只要经过滤光片的光线的光谱功率分布使光电传感器工作在线性范围内且矩阵A可逆，即可采用本发明的方法求解物体的光谱特性。

附图说明

图1是本发明光谱反射因数测量原理示意图；

图2是本发明光谱透射比测量原理示意图。

具体实施方式

本发明以下结合附图和实施例作以详细的描述：

实施例1

如图所示，本发明的测量方法如下：

对于反射光谱的测量：

若需要测定某一波段N个波长范围(λ_n，n＝1，2，3，...，N)的光谱反射因数，具体方法为：

第一步骤：选择反射样品的照明和观测条件，测定照明体(3)在控制变量i_m控制下在这一波段的光谱功率分布P(λ，i_m)，P(λ，i_m)为照明体在控制变量为i_m时的光谱功率分布矩阵，

$P(\mathrm{\λ},i_m)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccccc}P({\mathrm{\λ}}_1,i_m),& 0,& 0,& ...,& 0\\ 0,& P({\mathrm{\λ}}_2,i_m),& 0,& ...,& 0\\ 0,& 0,& P({\mathrm{\λ}}_3,i_m),& ...,& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0,& 0,& 0,& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_m)\end{array}\right]\end{array}---\left(v\right)$

其中m＝1，2，3，...，M，并且M≥N；

第二步骤：选择光电传感器(7)的工作点，使其在选择的照明和观测条件下，在这一波段工作在线性范围，即光电传感器的光谱响应向量r为常向量，与入射光通量大小无关，测定r，

r＝[r(λ₁)，r(λ₂)，r(λ₃)，...，r(λ_N)]^T    (iv)

式中T为向量或矩阵的转置；

第三步骤：计算

A(i_m)＝r^Tp(λ，i_m)    (xi)

第四步骤：从M个A(i_m)向量中选择N个，重新记为A(i_j)，j＝1，2，3，...，N，构造矩阵

$A=\left[\begin{array}{c}A\left(i_1\right)\\ A\left(i_2\right)\\ A\left(i_3\right)\\ ...\\ A\left(i_N\right)\end{array}\right]---\left(\mathrm{xii}\right)$

选择A(i_j)的原则为：

I、在各种光谱功率分布P(λ，i_j)情况下，即使反射样品全反射或全吸收，光电传感器仍工作在线性范围；

II、矩阵A可逆。

计算矩阵A的逆A^-1；

第五步骤：放置反射样品，在计算机或微处理器(1)控制下，控制变量i_j依次变化，j＝1，2，3，...，N，得到光电传感器在这一波段相应的响应向量R

R＝[R(i₁)，R(i₂)，R(i₃)，...，R(i_N)]^T    (xiii)

第六步骤：根据

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}{A}^{-1}R---\left(x\right)$

计算反射样品的光谱反射因数向量ρ，其中Δλ为波长间隔，

ρ＝[ρ(λ₁)，ρ(λ₂)，ρ(λ₃)，...，ρ(λ_N)]^T    (vi)

以后反射样品的光谱反射因数向量ρ的测量重复第五步骤与第六步骤即可。

对于透射光谱的测量：

测量光谱透射比的方法与上述反射光谱的测量方法相同，其中只是采用了透射样品的照明和观测条件，且将以上各式中的光谱反射因数变为光谱透射比；

对于吸收光谱的测量：

首先采用上述透射光谱的测量方法测量光谱透射比，根据物体的光谱透射比即可计算出其吸光度或吸收光谱。

附图1、2中各标号说明如下(以下同)：

(1)：计算机或微处理器，(2)：控制线，(3)：照明体(光源)，(4)：入射光线，(5)：反射或透射样品，(6)：反射或透射光线，(7)：光电传感器，(8)：数据线。

实施例2、

本发明的测量方法如下：

对于反射光谱的测量：

若需要测定某一波段N个波长范围(λ_n，n＝1，2，3，...，N)的光谱反射因数，具体方法为：

第一步骤：选择反射样品的照明和观测条件，测定照明体(3)在控制变量i_m控制下在这一波段的光谱功率分布P(λ，i_m)，P(λ，i_m)为照明体在控制变量为i_m时的光谱功率分布矩阵，

$P(\mathrm{\λ},i_m)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccccc}P({\mathrm{\λ}}_1,i_m),& 0,& 0,& ...,& 0\\ 0,& P({\mathrm{\λ}}_2,i_m),& 0,& ...,& 0\\ 0,& 0,& P({\mathrm{\λ}}_3,i_m),& ...,& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0,& 0,& 0,& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_m)\end{array}\right]\end{array}---\left(v\right)$

其中m＝1，2，3，...，M，并且M≥N；

第二步骤：选择光电传感器(7)的工作点，使其在选择的照明和观测条件下，在这一波段工作在线性范围，即光电传感器的光谱响应向量r为常向量，与入射光通量大小无关，测定r，

r＝[r(λ₁)，r(λ₂)，r(λ₃)，...，r(λ_N)]^T    (iv)

式中T为向量或矩阵的转置；

第三步骤：计算

A(i_m)＝r^TP(λ，i_m)    (xi)

第四步骤：从M个A(i_m)向量中选择N个，重新记为A(i_j)，j＝1，2，3，...，N，构造矩阵

$A=\left[\begin{array}{c}A\left(i_1\right)\\ A\left(i_2\right)\\ A\left(i_3\right)\\ ...\\ A\left(i_N\right)\end{array}\right]---\left(\mathrm{xii}\right)$

选择A(i_j)的原则为：

I、在各种光谱功率分布P(λ，i_j)情况下，即使反射样品全反射或全吸收，光电传感器仍工作在线性范围；

II、矩阵A可逆。

计算矩阵A的逆A^-1；

第五步骤：放置反射样品，在计算机或微处理器(1)控制下，控制变量i_j依次变化，j＝1，2，3，...，N，得到光电传感器在这一波段相应的响应向量R

R＝[R(i₁)，R(i₂)，R(i₃)，...，R(i_N)]^T    (xiii)

第六步骤：根据

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}{A}^{-1}R---\left(x\right)$

计算反射样品的光谱反射因数向量ρ，其中Δλ为波长间隔，

ρ＝[ρ(λ₁)，ρ(λ₂)，ρ(λ₃)，...，ρ(λ_N)]^T    (vi)

以后反射样品的光谱反射因数向量ρ的测量重复第五步骤与第六步骤即可。

对于透射光谱的测量：

测量光谱透射比的方法与上述反射光谱的测量方法相同，其中只是采用了透射样品的照明和观测条件，且将以上各式中的光谱反射因数变为光谱透射比；

对于吸收光谱的测量：

首先采用上述透射光谱的测量方法测量光谱透射比，根据物体的光谱透射比即可计算出其吸光度或吸收光谱。

其中，反射光谱的测量方法中照明和观测条件，是采用45/0、0/45、d/0、0/d、d/8、t/0、0/t中任一种照明和观测条件。

实施例3

本发明的测量方法如下：

对于反射光谱的测量：

若需要测定某一波段N个波长范围(λ_n，n＝1，2，3，...，N)的光谱反射因数，具体方法为：

第一步骤：选择反射样品的照明和观测条件，测定照明体(3)在控制变量i_m控制下在这一波段的光谱功率分布P(λ，i_m)，P(λ，i_m)为照明体在控制变量为i_m时的光谱功率分布矩阵，

$P(\mathrm{\λ},i_m)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccccc}P({\mathrm{\λ}}_1,i_m),& 0,& 0,& ...,& 0\\ 0,& P({\mathrm{\λ}}_2,i_m),& 0,& ...,& 0\\ 0,& 0,& P({\mathrm{\λ}}_3,i_m),& ...,& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0,& 0,& 0,& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_m)\end{array}\right]\end{array}---\left(v\right)$

其中m＝1，2，3，...，M，并且M≥N；

第二步骤：选择光电传感器(7)的工作点，使其在选择的照明和观测条件下，在这一波段工作在线性范围，即光电传感器的光谱响应向量r为常向量，与入射光通量大小无关，测定r，

r＝[r(λ₁)，r(λ₂)，r(λ₃)，...，r(λ_N)]^T    (iv)

式中T为向量或矩阵的转置；

第三步骤：计算

A(i_m)＝r^TP(λ，i_m)    (xi)

第四步骤：从M个A(i_m)向量中选择N个，重新记为A(i_j)，j＝1，2，3，...，N，构造矩阵

$A=\left[\begin{array}{c}A\left(i_1\right)\\ A\left(i_2\right)\\ A\left(i_3\right)\\ ...\\ A\left(i_N\right)\end{array}\right]---\left(\mathrm{xii}\right)$

选择A(i_j)的原则为：

I、在各种光谱功率分布P(λ，i_j)情况下，即使反射样品全反射或全吸收，光电传感器仍工作在线性范围；

II、矩阵A可逆。

计算矩阵A的逆A^-1；

第五步骤：放置反射样品，在计算机或微处理器(1)控制下，控制变量i_j依次变化，j＝1，2，3，...，N，得到光电传感器在这一波段相应的响应向量R

R＝[R(i₁)，R(i₂)，R(i₃)，...，R(i_N)]^T    (xiii)

第六步骤：根据

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}{A}^{-1}R---\left(x\right)$

计算反射样品的光谱反射因数向量ρ，其中Δλ为波长间隔，

ρ＝[ρ(λ₁)，ρ(λ₂)，ρ(λ₃)，...，ρ(λ_N)]^T    (vi)

以后反射样品的光谱反射因数向量ρ的测量重复第五步骤与第六步骤即可。

对于透射光谱的测量：

测量光谱透射比的方法与上述反射光谱的测量方法相同，其中只是采用了透射样品的照明和观测条件，且将以上各式中的光谱反射因数变为光谱透射比；

对于吸收光谱的测量：

首先采用上述透射光谱的测量方法测量光谱透射比，根据物体的光谱透射比即可计算出其吸光度或吸收光谱。

其中透射光谱的测量方法中照明和观测条件，是采用0/0、d/d、0/d、d/0中任一种照明和观测条件。

实施例4

本发明的测量方法如下：

对于反射光谱的测量：

若需要测定某一波段N个波长范围(λ_n，n＝1，2，3，...，N)的光谱反射因数，具体方法为：

第一步骤：选择反射样品的照明和观测条件，测定照明体(3)在控制变量i_m控制下在这一波段的光谱功率分布P(λ，i_m)，P(λ，i_m)为照明体在控制变量为i_m时的光谱功率分布矩阵，

$P(\mathrm{\λ},i_m)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccccc}P({\mathrm{\λ}}_1,i_m),& 0,& 0,& ...,& 0\\ 0,& P({\mathrm{\λ}}_2,i_m),& 0,& ...,& 0\\ 0,& 0,& P({\mathrm{\λ}}_3,i_m),& ...,& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0,& 0,& 0,& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_m)\end{array}\right]\end{array}---\left(v\right)$

其中m＝1，2，3，...，M，并且M≥N；

第二步骤：选择光电传感器(7)的工作点，使其在选择的照明和观测条件下，在这一波段工作在线性范围，即光电传感器的光谱响应向量r为常向量，与入射光通量大小无关，测定r，

r＝[r(λ₁)，r(λ₂)，r(λ₃)，...，r(λ_N)]^T    (iv)

式中T为向量或矩阵的转置；

第三步骤：计算

A(i_m)＝r^TP(λ，i_m)    (xi)

第四步骤：从M个A(i_m)向量中选择N个，重新记为A(i_j)，j＝1，2，3，...，N，构造矩阵

$A=\left[\begin{array}{c}A\left(i_1\right)\\ A\left(i_2\right)\\ A\left(i_3\right)\\ ...\\ A\left(i_N\right)\end{array}\right]---\left(\mathrm{xii}\right)$

选择A(i_j)的原则为：

I、在各种光谱功率分布P(λ，i_j)情况下，即使反射样品全反射或全吸收，光电传感器仍工作在线性范围；

II、矩阵A可逆。

计算矩阵A的逆A^-1；

第五步骤：放置反射样品，在计算机或微处理器(1)控制下，控制变量i_j依次变化，j＝1，2，3，...，N，得到光电传感器在这一波段相应的响应向量R

R＝[R(i₁)，R(i₂)，R(i₃)，...，R(i_N)]^T    (xiii)

第六步骤：根据

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}{A}^{-1}R---\left(x\right)$

计算反射样品的光谱反射因数向量ρ，其中Δλ为波长间隔，

ρ＝[ρ(λ₁)，ρ(λ₂)，ρ(λ₃)，...，ρ(λ_N)]^T    (vi)

以后反射样品的光谱反射因数向量ρ的测量重复第五步骤与第六步骤即可。

对于透射光谱的测量：

测量光谱透射比的方法与上述反射光谱的测量方法相同，其中只是采用了透射样品的照明和观测条件，且将以上各式中的光谱反射因数变为光谱透射比；

对于吸收光谱的测量：

首先采用上述透射光谱的测量方法测量光谱透射比，根据物体的光谱透射比即可计算出其吸光度或吸收光谱。

在上述测量方法中，在光路中还可设置可调谐滤光片。如液晶可调谐滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)或声光可调谐滤光片(AcousticOptical Tunable Filter，AOTF)等。此时本方法可降低对滤光片通频带的要求。调谐滤光片，改变其中心频率，即使滤光片通频带很宽，只要经过滤光片的光线的光谱功率分布使光电传感器工作在线性范围内且矩阵A可逆，即可采用本发明的方法求解物体的光谱特性。

实施例5

若照明体可控光谱功率分布，不失一般性，设控制变量为通过照明体的电流i，λ为波长，照明体的光谱功率分布为P(λ，i)(单位：W/nm)。光电传感器在某一光谱范围的响应R(i)可表示为

$R\left(i\right)=\underset{\mathrm{\λ}\∈\mathrm{\Λ}}{\∫}P(\mathrm{\λ},i)\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)r\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\left(A\right)---\left(i\right)$

其中Λ为研究的光谱范围，ρ(λ)为反射样品的光谱反射因数，r(λ)为光电传感器的光谱响应(单位：A/W)。

式(i)的离散形式为

$R\left(i_m\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}P({\mathrm{\λ}}_n,i_m)\mathrm{\ρ}\left({\mathrm{\λ}}_n\right)r\left({\mathrm{\λ}}_n\right)\mathrm{\Δ\λ}---\left(\mathrm{ii}\right)$

式(ii)中i_m为照明体的控制变量，m＝1，2，3，...，M；λ_n为离散波长值，n＝1，2，3，...，N；Δλ为波长间隔。

式(ii)的矩阵形式为

$r^{T}P(\mathrm{\λ},i_m)\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}R\left(i_m\right)---\left(\mathrm{iii}\right)$

式(iii)中T为向量或矩阵的转置，r为光电传感器的光谱响应向量。在光电传感器的线性范围内，r为常向量，与入射光通量大小无关。

r＝[r(λ₁)，r(λ₂)，r(λ₃)，...，r(λ_N)]^T    (iv)

P(λ，i_m)为照明体在控制变量为i_m时的光谱功率分布矩阵。

$P(\mathrm{\λ},i_m)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccccc}P({\mathrm{\λ}}_1,i_m),& 0,& 0,& ...,& 0\\ 0,& P({\mathrm{\λ}}_2,i_m),& 0,& ...,& 0\\ 0,& 0,& P({\mathrm{\λ}}_3,i_m),& ...,& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0,& 0,& 0,& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_m)\end{array}\right]\end{array}---\left(v\right)$

ρ为反射样品的光谱反射因数向量。

ρ＝[ρ(λ₁)，ρ(λ₂)，ρ(λ₃)，...，ρ(λ_N)]^T    (vi)

在计算机或微处理器控制下，当照明体的控制变量i_m由i₁依次变化至i_M时，可得方程组

$\mathrm{A\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}R---\left(\mathrm{vii}\right)$

其中

$A=\left[\begin{array}{ccccc}P({\mathrm{\λ}}_1,i_1)r\left({\mathrm{\λ}}_1\right),& P({\mathrm{\λ}}_2,i_1)r\left({\mathrm{\λ}}_2\right),& P({\mathrm{\λ}}_3,i_1)r\left({\mathrm{\λ}}_3\right),& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_1)r\left({\mathrm{\λ}}_N\right)\\ P({\mathrm{\λ}}_1,i_2)r\left({\mathrm{\λ}}_1\right),& P({\mathrm{\λ}}_2,i_2)r\left({\mathrm{\λ}}_2\right),& P({\mathrm{\λ}}_3,i_2)r\left({\mathrm{\λ}}_3\right),& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_2)r\left({\mathrm{\λ}}_N\right)\\ P({\mathrm{\λ}}_1,i_3)r\left({\mathrm{\λ}}_1\right),& P({\mathrm{\λ}}_2,i_3)r\left({\mathrm{\λ}}_2\right),& P({\mathrm{\λ}}_3,i_3)r\left({\mathrm{\λ}}_3\right),& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_3)r\left({\mathrm{\λ}}_N\right)\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ P({\mathrm{\λ}}_1,i_M)r\left({\mathrm{\λ}}_1\right),& P({\mathrm{\λ}}_2,i_M)r\left({\mathrm{\λ}}_2\right),& P({\mathrm{\λ}}_3,i_M)r,\left({\mathrm{\λ}}_3\right)& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_M)r\left({\mathrm{\λ}}_N\right)\end{array}\right]---\left(\mathrm{viii}\right)$

R为相应的光电传感器的响应向量。

R＝[R(i₁)，R(i₂)，R(i₃)，...，R(i_M)]^T    (ix)

当选择i_m使矩阵A的行向量线性无关且M＝N时，矩阵A的逆A^-1存在，则有

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}{A}^{-1}R---\left(x\right)$

照明体的光谱功率分布除应使矩阵A可逆外，还需满足在各种反射样品光谱反射因数情况下，光电传感器均工作在线性范围内。这可通过选择线性范围好的光电传感器，选择光电传感器的工作点，控制照明体的光谱功率分布等措施来实现。

通过以上分析可见，通过计算机或微处理器控制照明体的光谱功率分布，使光电传感器工作在线性范围内且矩阵A可逆，即可由式(x)求得反射样品的光谱反射因数。

若需要测定某一波段N个波长范围(λ_n，n＝1，2，3，...，N)的光谱反射因数，具体方法为：

第一步骤：如附图1所示，选择反射样品的照明和观测条件。测定照明体在控制变量i_m控制下在这一波段的光谱功率分布P(λ，i_m)，其中m＝1，2，3，...，M，并且M≥N。

第二步骤：选择光电传感器的工作点，使其在选择的照明和观测条件下，在这一波段工作在线性范围，即r为常向量，测定r。

第三步骤：计算

A(i_m)＝r^TP(λ，i_m)    (xi)

第四步骤：从M个A(i_m)向量中选择N个，重新记为A(i_j)，j＝1，2，3，...，N，构造矩阵

$A=\left[\begin{array}{c}A\left(i_1\right)\\ A\left(i_2\right)\\ A\left(i_3\right)\\ ...\\ A\left(i_N\right)\end{array}\right]---\left(\mathrm{xii}\right)$

选择A(i_j)的原则为

I、在各种光谱功率分布P(λ，i_j)情况下，即使反射样品全反射或全吸收，光电传感器仍工作在线性范围；

II、矩阵A可逆。

计算矩阵A的逆A^-1。

第五步骤：放置反射样品，在计算机或微处理器控制下，控制变量i_j依次变化，j＝1，2，3，...，N，得到光电传感器在这一波段相应的响应向量R

R＝[R(i₁)，R(i₂)，R(i₃)，...，R(i_N)]^T    (xiii)

第六步骤：根据式(x)计算反射样品的光谱反射因数向量ρ。

以后反射样品的光谱反射因数向量ρ的测量重复第五步骤与第六步骤即可。

以上为测量非荧光物体光谱反射因数的方法。本发明的方法还可应用于光谱透射比的测定。当测量光谱透射比时，除照明和观测条件不同外，只需将以上各式的光谱反射因数变为光谱透射比即可。已知物体的光谱透射比即可计算出其吸光度或吸收光谱，因此，本发明的方法还可应用于物体吸光度或吸收光谱的测定。

本发明的方法不仅可应用于可见光谱范围物体反射、透射、吸收光谱特性的测量，还可应用于非可见光谱范围(如红外、紫外波段)物体反射、透射、吸收光谱特性的测量。

本发明的方法可采用各种照明和观测条件，如反射样品可采用45/0、0/45、d/0、0/d、d/8、t/0、0/t等照明和观测条件；透射样品可采用0/0、d/d、0/d、d/0等照明和观测条件。

本发明的方法亦可应用于各种采用可调谐滤光片(如液晶可调谐滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)，声光可调谐滤光片(AcousticOptical Tunable Filter，AOTF)等)测定非荧光物体光谱特性的系统。本发明的方法可降低对滤光片通频带的要求。调谐滤光片，改变其中心频率，即使滤光片通频带很宽，只要经过滤光片的光线的光谱功率分布使光电传感器工作在线性范围内且矩阵A可逆，即可采用本发明的方法求解物体的光谱特性。

Claims (8)

1.一种非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其特征在于：测量方法如下：

对于反射光谱的测量：

若需要测定某一波段N个波长λ_n的光谱反射因数，其中n＝1，2，3，...，N，具体方法为：

第一步骤：选择反射样品的照明和观测条件，测定照明体(3)在控制变量im控制下在这一波段的光谱功率分布P(λ，i_m)，P(λ，i_m)为照明体在控制变量为i_m时的光谱功率分布矩阵，

$R(\mathrm{\λ},i_m)=\left[\begin{array}{ccccc}P({\mathrm{\λ}}_1,i_m),& 0,& 0,& ...,& 0\\ 0,& P({\mathrm{\λ}}_2,i_m)& 0,& ...,& 0\\ 0,& 0,& P({\mathrm{\λ}}_3,i_m)& ...,& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0,& 0,& 0,& ...,& P({\mathrm{\λ}}_N,i_m)\end{array}\right]---\left(v\right)$

其中m＝1，2，3，...，M，并且M≥N；

第二步骤：选择光电传感器(7)的工作点，使其在选择的照明和观测条件下，在这一波段工作在线性范围，即光电传感器的光谱响应向量r为常向量，与入射光通量大小无关，测定r，

r＝[r(λ₁)，r(λ₂)，r(λ₃)，...，r(λ_N)]^T        (iv)

式中T为向量或矩阵的转置；

第三步骤：计算

A(i_m)＝r^TP(λ，i_m)                               (xi)

第四步骤：从M个A(i_m)向量中选择N个，重新记为A(i_j)，j＝1，2，3，...，N，构造矩阵

$A=\left[\begin{array}{c}A\left(i_1\right)\\ A\left(i_2\right)\\ A\left(i_3\right)\\ ...\\ A\left(i_N\right)\end{array}\right]---\left(\mathrm{xii}\right)$

选择A(i_j)的原则为：

I、在各种光谱功率分布P(λ，i_j)情况下，即使反射样品全反射或全吸收，光电传感器仍工作在线性范围；

II、矩阵A可逆；

计算矩阵A的逆A^-1；

第五步骤：放置反射样品，在计算机或微处理器(1)控制下，控制变量i_j依次变化，j＝1，2，3，...，N，得到光电传感器在这一波段相应的响应向量R

R＝[R(i₁)，R(i₂)，R(i₃)，...，R(i_N)]^T            (xiii)

第六步骤：根据

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{\Δ\λ}}{A}^{-1}R---\left(x\right)$

计算反射样品的光谱反射因数向量ρ，其中Δλ为波长间隔，

ρ＝[ρ(λ₁)，ρ(λ₂)，ρ(λ₃)，...，ρ(λ_N)]^T                (vi)

以后反射样品的光谱反射因数向量ρ的测量重复第五步骤与第六步骤即可；

对于透射光谱的测量：

测量光谱透射比的方法与上述反射光谱的测量方法相同，其中只是采用了透射样品的照明和观测条件，且将以上式(x)与(vi)中的光谱反射因数变为光谱透射比；

对于吸收光谱的测量：

首先采用上述透射光谱的测量方法测量光谱透射比，根据物体的光谱透射比即可计算出其吸光度或吸收光谱。

2.根据权利要求1所述的非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其特征在于：所述反射光谱的测量方法中照明和观测条件，是采用45/0、0/45、d/0、0/d、d/8、t/0、0/t中任一种照明和观测条件。

3.根据权利要求1所述的非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其特征在于：所述透射光谱的测量方法中照明和观测条件，是采用0/0、d/d、0/d、d/0中任一种照明和观测条件。

4.根据权利要求1或2或3所述的非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其特征在于：所述测量方法中，在光路中设置有可调谐滤光片。

5.根据权利要求4所述的非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其特征在于：所述可调谐滤光片为液晶可调谐滤光片。

6.根据权利要求4所述的非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其特征在于：所述可调谐滤光片为声光可调谐滤光片。

7.根据权利要求1或2或3所述的非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其特征在于：所述测量方法中可应用于可见光谱范围物体反射、透射、吸收光谱特性的测量，还可应用于非可见光谱范围物体反射、透射、吸收光谱特性的测量。

8.根据权利要求7所述的非荧光物体光谱测量的非分光全静态方法，其特征在于：所述非可见光谱范围包括红外或紫外波段。

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