CN1146011A - 光谱测定法、光学测量法和装置 - Google Patents

Abstract

在本发明的光学测量装置中，一个分光装置发出一束测量光束并将该光束分离成若干光束，分光装置发出的这束光束包含在其中一被测物吸收所述光的一部分的测量波长区的测量光部分和在其中该被测物几乎将所述光完全吸收率的参比波长区的参比光部分；一个光度测定装置测量当一参比样品被插入光束的光路中时照射在积分球上的光以便将测量值存储在存储器中并且还测量当一个被测物体被插入光束的光路中时照射在积分球上的光；而后，一个数学运算电路计算对被测物体的补偿光部分与存储在存储器中的补偿光部分的光强度比。接下去通过将存储在存储器中的测量值乘以该比值计算出测量过程中的背景强度。

Description

光谱测定法、光学测量法和装置

本发明涉及光谱测定法、光学测量方法和装置，该方法和装置用于通过用光照射物体并测量透过该物体的光或被该物体反射的光的光谱的方式测量属于该被测量物体的物质参数，例如成分比、浓度和厚度。

一般说来，光谱测定法是一种对一个被测物就厚度、成分浓度、水含量百分数等进行定性和定量分析的公知的方法。该方法通常用光照射被测量的物体并测量透过该物体的光或被该物反射的光的光谱，以便检测在特性吸收波长处被该物体吸收的光的强度。

在用于完成这种测定的已有光学测量装置中，会出现由光源的退化和由于环境温度的变化、该装置自身的加热和其他原因引起的温度化所引起的漂移。因此，参比光的量出现波动。为了解决这个问题，已有技术一直是测量由该光源发出的光量以便修正参比光量。被普遍了解的这样的已有的装置被划分为以下结构类型：

(1)操作者暂时从测量光学系统中除去被测物体以便完成参比测量。

(2)操作者暂时将测量装置移到没有被测物体的位置上以便完成参比测量。

(3)将该装置中的光学系统的光路分为二个支路，操作者通过分时转换光路完成参比测量。

(4)将该装置中的光学系统的光路分为二个支路，操作者通过使用那两个检测器之中一个完成参比测量。

例如，在美国专利4097743中公开了以上结构(3)的装置。该装置的目的在于通过监测由该光源发出的未投射到被测物体上的光束的强度，来消除该装置的飘移，从而提高该装置的稳定性。然而，由于以上结构(3)或(4)太复杂，所以具有这些结构的装置几乎不适合工业应用。

在其中通过从测量光学系统中除去被测物体的方式完成参比测量的具有以上结构(1)的装置需要一个除去该物体的机构。因此，辅助设备变大，不可能进行连续的测量，而必须进行频繁的参比测量。在其中装置本身被移动到没有被测物体的位置上来完成参比测量的具有以上结构(2)的装置需要一个移动该装置的机构。因此，辅助设置变大，不可能进行连续的测量，而必须频繁地进行装置移位。除此之外，在其中光学系统的光路被分为二个支路、操作者通过分时切换这两条光路来进行参比测量的装置需要一个切换这两条光路的机构。因此，该装置本身变得又复杂又大，同时出现故障的频率变高。此外，完全连续的测量是不可能的，由于这两条光路是分时切换的，所以参比测量和样品测量不可能同时进行。因此，该装置的飘移是不可能消除的。在其中光学系统的光路被分为二个支路并且操作者是通过利用两个检测器之一进行参比测量的具有以上结构(4)的装置允许用于连续测量，但是在这两个检测器之间存在差别。因此，这两个光学系统的调节是困难的。

所有的结构(1)至(4)共同的另一个问题是当在吸收光谱中包含没有与被测物体吸收相关的信息的光谱(以下称之为″无信息光谱″)时它们(这些结构)产生大量误差。这样的涉及被测物体的无信息光的例子包括在测定透射率过程中出现的漫射光、由于样品尺寸不够大而出现的泄漏光和在反射率测量过程中被表面反射的、随样品表面状态和粒子尺寸而变化的镜面反射光。

本发明的一个任务是提供一种消除了与被测物体相关的无信息光谱以减小光谱测定中的误差的光学测量方法。

本发明的另一个任务是提供这样的一种光学测量方法，这种光学测量方法可以获得关于透过被测物体的或被被测物体反射的光的精确的信息但不受无信息光谱的影响，各个光检测器的特性之中不存在差别或者没有飘移现象。

本发明的又一个目的是提供这样一种光学测量装置，这种光学测量装置可以获得关于透过被测物体的或被被测物体反射的光的精确的信息但不受无信息光谱的影响、各个光检测器的特性之中不存在差别或者没有飘移现象。

本发明是建立在以下研究的基础之上。一般说来，光谱测定是在一个没有介入光(intervention light)的黑暗处进行。然而，对于被测物体的某些形状说来要消除介入光几乎是不可能的。进一步讲，在测量反射率时，要使用分离和检测介入光的方法以及在不出现吸收的中性波长进行标准化的方法。前面几个方法的一个例子是45°-检测技术。后面几个方法的一些例子是单波长补偿、双波长补偿和差动补偿。然而，这些方法仍然不能消除介入光并且在补偿时有可能使数据失真。

如果被测物体的一个样品在一个特定的波长强烈地吸收光并且如果该样品的尺寸大得足以使得在介入光不存在的条件下在该波长下几乎不能检测出透过光或反射光，那么含有介入光的光谱完全是由于介入光造成的。介入光是与该样品有关的无信息光，它产生一定比例的光源光谱。因此，可以通过将该光源的光谱乘以一个系数，使得结果与在该特定波长下测得的光谱相一致来获得介入光的无信息光谱。真实的透射或反射光的光谱是通过从测得的光谱中减去介入光的光谱来得到。真实的入射光的光谱也是通过从光源的光谱中减去介入光的光谱来获得的。

另一方面，需要测量某些成分的浓度，例如血液中饱和氧的百分比、人体中脂肪的百分比和其他类似浓度。人体的主要成分是水，大约占60-70％，而由于要对人体进行扫描，所以在测量反射光以及透射光时需要长光路。因此，如从图11所示吸收光谱中所看到的那样，在特征吸收波长(例如，对于O-H来说为1.4μm以及1.9μm以上的波长)下没有光透过。图11还示出柑桔的吸收光谱。在测量水果(例如柑桔、苹果、桃)的蔗糖浓度或成熟度时，在特征吸收波长(例如，对于O-H为1.4μm以及1.9μm以上的波长)下没有光透过。同样，在对于C-H的特征吸收波和下也没有光透过。因此，如下所述，本发明为了连同边频一起补偿使用了特征吸收波长(在该波长下，光几乎完全被吸收)，以便测量吸收光谱。

根据本发明，光源的全部光束按一定比例被分为一个测量光学系统和一个参比光学系统。首先测量参比光束，并且存储在上述波长下用于补偿的信号强度和在测量波长下的信号强度(参比光记录)。在被测物体被布置在测量光学系统中的情况下，如果测量测量光学系统和参比光学系统的总光束的话，那么在用于补偿的波长下完全检测不出透过被测物体的光或被被测物体反射的光，结果，测量结果显示出参比光学系统的光量。现在，考虑这一光强度与在同样波长下仅与参比光学系统有关或与参比样品有关的被存储的信号强度之比。如果我们用这一比值乘以在每个波长下被存储的信号强度，那么我们就可以计算出在实际测量过程中在每个波长下的光量。从关系

测得光量

＝测量光学系统的光量+参比光学系统的光量，对于在时间t_o处的参比光记录我们得到以下式(1)

        I_m＝βI_o    (1)其中I_o是总光量，I_m是测得光量，而β是参比光学系统的光量与总光量之比。

此外，以下的式(2)和(3)适用于在时间t₁和t₂的吸收度测量。

I_m′＝α₁I_o′+βI_o′    (2)

I_m″＝α₂I_o″+βI_o″    (3)这里I_o′，I_o″分别是在时间t₁和t₂的光的总量，而I_m′，I_m″分别是在时间t₁和t₂被测光的强度。此外，α₁，α₂是与波长有关的透射系数或反射系数，而参比光学系统的光量与总光量之比β与波长无关。

如果波长λ等于补偿波长C，那么α₁＝α₂＝0，结果从式(1)至(3)得到以下式(4)至(6)。

I_mλ＝C＝βI_oλ＝C′      (4)

I_mλ＝C′＝βI_oλ＝C′    (5)

I_mλ＝C″＝βI_oλ＝C″    (6)

从式(4)和(5)得到下面式(7)。同样，从式(4)和(6)得到式(8)。

I_mλ＝C′/I_mλ＝C＝I_oλ＝C′/I_oλ＝C′    (7)

I_mλ＝C″/I_mλ＝C＝I_oλ＝C″/I_oλ＝C′    (8)现在，将以上式(7)和(8)分别设为

I_mλ＝C′/I_mλ＝C＝I_oλ＝C′/I_oλ＝C＝n′ (9)

I_mλ＝C″/I_mλ＝C＝I_oλ＝C″/I_oλ＝C＝n″ (10)因为在式(9)和(10)中I_o′/I_o和I_o″/I_o与波长无关，所以通过将它们扩展至整个波长定义域得到以下式(11)和(12)。

I_o′/I_o＝n′(＝I_mλ＝C′/I_mλ＝C)         (11)

I_o″/I_o＝n″(＝I_mλ＝C″/I_mλ＝C)    (12)而后，从式(11)和(12)得出以下式(13)和(14)。

I_o′＝n′×I_o＝n′I_m/β    (13)

I_o″＝n″×I_o＝n″I_m/β    (14)如在以下式(15)和(16)中那样从式(13)、(14)、(2)和(3)得出吸收度。

abs′＝-log(α₁)

     ＝-log{(I_m′-n′I_m)/n′I_m}-logβ    (15)

abs″＝-log(α₂)

     ＝-log{(I_m″-n″I_m)/n″I_m}-logβ    (16)在这里，-logβ是常数项，可以在分析曲线中得出，结果在定量分析过程中可以将它忽略。然而，如果必要的话，β可以按照以下方式得出。也就是说，在参比测量过程中，在透射情况下不设置被测物体，而在吸收情况下设置一个标准样品。然后，通过打开测量通路和参比通路之间的光路的方式测量光强度。这样，以所得到的测量量的比值的形式得出β。

因为吸收度的测量值是测量光学系统和参比光学系统的光量的和，所以测量系统的光量可以通过从该测量值中减去计算出的参比光学系统的光量的方式得出。此外，参比光学系统的光量对总光量的比是恒定的，换句话讲，与总光量成正比，因此，在定量分析中，这两种说法被认为是等同的。还可以测量这个比值，因此，可以监测总光量并可以消除飘移现象。

本发明是建立在以上研究基础上。根据权利要求1的本发明是一种光学测量方法，该方法用光源发出的光照射被测量物体并测量透过被测量物体或被被测量物体反射的光的光谱。光源发出这样一些波长的测量光，这些波长包括处在被测物体几乎可以将这种光完全吸收的补偿波长区域的那些波长。该方法首先测量由光源产生的光的光谱，其次用光源发出的光照射被测量物体，以便测量透过被测物体或被被测物体反射的光的光谱。而后，该方法计算透射光或反射光的强度与由光源在补偿波长处产生的光的强度之比值并用该比值去乘由该光源在每一波长发出的光的强度，以便求出无信息光谱。最后，该方法通过从测得的透射光或反射光的光谱中减去无信息光谱的方式求出经过补偿的测量光谱。

在根据本发明的光学测量方法的一个实施例中，由光源产生的光的光谱和无信息光谱之间的光谱差被作为入射到被测物体上的光的经过补偿的源光谱。这样，该方法从经过补偿的测量光谱和作为经过补偿的源光谱的背景光谱求出吸收光谱。最后，该方法根据该吸收光谱测量该被测物体所具有的材料参数。

进一步讲，本发明的另一个实施例从经过补偿的测量光谱和作为由光源产生的光的光谱的背景光谱得出一种暂时吸收光谱。而后，该方法利用基线补偿或微分法对暂时吸收光谱就其附加误差进行补偿以求出吸收光谱。最后该方法根据吸收光谱测量被测物体所具有的物质参数。

再进一步讲，根据本发明的又一个实施例通过将一个基准材料加到被测物体上，使得在补偿波长区吸收度变为零的方式测出吸收光谱。

进一步讲，根据本发明的另一个实施例的特征在于基准物质是水。

进一步讲，根据本发明的又一个实施例的特征在于在根据本发明的光学测量方法中补偿波长区是O-H吸收波长区。

进一步讲，根据本发明的另外一个实施例的特征在于在根据本发明的光学测量方法中补偿波长区是C-H吸收波长区。

进一步讲，根据本发明的再一个实施例是一个光学测量装置，该装置用光照射一个被测物体以便测量透过该被测物体或被该被测物体反射的光的强度并且根据这些测量值测量该被测物体的材料参数。该装置包括以下各部分：

一个光源，该光源产生用于测量被测物体所具有的材料参数的测量波长区的测量光和光几乎被测物体完全吸收掉的补偿波长区的测量光；

将测量光分开为测量波长区和补偿波长区的分光光学系统装置；

光路光学系统装置，该装置使由光源发出的测量光对准第一分支光路和第二分支光路，将被测物体置于第二分支光路，而后使由第一支路和第二支路出来的光重新汇合；

测量由光路光学系统装置发出的光以便检测出被分成测量波长区和补偿波长区的光的强度的光度测量装置；

一个存储器装置，该装置存储在挡光材料被设置在第二分支光路或从第二分支光路取出被测物体时在参比测量过程中由光度测量装置输出的在测量波长区和补偿波长区的光强度以及

一种计算装置，该装置计算在被测物体被置于第二分支光路中时在普通的测量过程中由光度测量装置测得的在补偿波长区的光强度与存储在存储器装置中的在补偿波长区的光强度之比、通过用数学方法处理该光强度比、存储在存储器装置中的光强度和在普通测量过程中光度测量装置的输出得出吸收度，以及根据该吸收度确定被测物体的材料参数。

更进一步讲，根据本发明的一个实施例的特征在于在根据本发明的权利要求8的光学测量装置中，计算装置对于存储在存储器装置中的光强度I_o和在普通测量过程中光度测量装置的输出值I_m进行运算-log{I_m-n×I_o)/(n×I_o)}，其中n是光强度比。

进一步讲，根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的特征在于光路光学系统装置包括光导纤维，该装置具有形成第一分支光路的第一支路部分和形成第二分支光路的第二支路部分，该第二支路部分在其光路部分中具有其中放置有被测物体的测量部分。

进一步讲，根据本发明的该装置的另一个实施例的特征在于该光路光学系统装置具有一个积分球(integnating sphere)，在该球上设置了光度测量装置。

再进一步讲，根据本发明的该装置的另一个实施例的特征在于该光路光学系统装置包括一个积分球和一个分布在该积分球内部的光锥并且具一个开口在该积分球内部的光学孔。

再进一步讲，根据本发明的该装置的另一个实施例的特征在于根据权利要求8至12之一的光学测量装置是一个富里叶变换型的干涉光学系统。

再进一步讲，根据本发明的该装置的又一个实施例的特征在于分光光学系统装置具有一个装有一个滤光器的旋转盘，该滤光器可以透过测量波长区的光和几乎完全被被测物体吸收的补偿波长区的补偿光。

再进一步讲，根据本发明的该装置的另一个实施例的特征在于该发光光学系统装置是一个衍射栅型单色器。

再进一步讲，根据本发明的光学测量装置的又一个实施例的特征在于分光光学系统装置是一个棱镜型单色器。

入射到被测物体上的补偿波长区的光几乎完全被被测物体吸收。因此，可以通过计算由被测物体发出的光的光强度与由光源发出的在补偿波长区的光的光强度之比和通过用该强度比乘该光源的光谱得出无信息介入光的光谱。

光源的光谱和无信息介入光的光谱之间的差光谱成为入射到该被测物体上的光源的经过补偿的光谱。因此，由作为光源的经过补偿的光谱的背景光谱得到吸收光谱。

此外，如果被测物体没有补偿波长区，那么可以按以上方法通过加入一种具有在其中光几乎被完全吸收的波长区的参比物质的方式消除无信息介入光成分。

如果被测物体含有足够多的水，那么可以将水的吸收波长区用作补偿波长区，以便利用上述方法从测得的光谱中消除无信息介入光成分。

计算装置计算由第一分支光路和第二分支光路出来的被含在一起的补偿光的测量值与被存储在存储装置中的补偿光的测量值的光强度比。当被测物体被置于第二分支光路中时，测量合在一起的补偿光。计算装置通过用数学计算方法对光强度比、存储在存储装置中的测量值和由第一分支光路和第二分支光路的合在一起的光的测量值进行处理，得出被测物体的材料参数，具体讲，该计算装置计算-log{I_m-n×I_o)/(n×I_o)}。

光度测量装置测量被积分球组合起来的第一分支和第二分支光路的光。

富里叶变换型干涉光学系统将光源发出的光分成测量光成分和补偿光成分。旋转盘也将由光源发出的光分成测量光成分和补偿光成分。

光导纤维将由光源发出的光分成第一支路部分和第二支路部分，而被测物体被置于第二支路部分的测量部分中。

衍射栅型单色器将由光源发出的光分成测量光成分和补偿光成分。棱镜型单色器也将由光源发出的光分成测量光成分和补偿光成分。

使由光锥的光学孔直接发射出的光和被被测物体反射的光照射在积分球上。

无信息光具有与光源光谱相同的信息，因此，具有在几何学上类似的光谱。根据本发明，无信息光的光谱成分可以通过用由被测物体发出的光与光源在补偿波长区的光谱的光强度比乘光源的光谱的方式得出。因此，通过从测得的光谱减去无信息光的光谱的方式可以从测得的光谱中除去无信息光成分。

此外，根据本发明，无信息光的光谱成为与光源光谱成正比的补偿光谱。因此，可以从由作为补偿光谱的背景光谱计算出的吸收光谱得出被测物体所具有的材料参数。

进一步讲，当被测物体被置于第二分支光路中时，本发明计算出第一分支和第二分支光路的合在一起的补偿光的测量值的比。被测物体的材料参数是通过用数学计算方法处理光强度比、被存储在存储器装置中的测量值和在被测物体被置于第二分支光路中时得到的第一分支和第二分支光路的合在一起的补偿光的测量值的方式确定的。因此，被存储在存储器装置中的补偿光的测量值不得不在该装置构成之后和与波长有关的部件(例如光源，单色器等)马上得到。按照这种方式就可以连续地补偿该装置的漂移，结果就可以连续地测量被测物体。

更进一步讲，根据本发明，通过数学运算-log{(I_m-n×I_o)/(n×I_o)}，可以连续地从被测物体的材数参数中扣除飘移。

更进一步讲，根据本发明，可以利用积分球将第一分支光路和第二分支光路的光组合在一起并利用光度测量仪加以测量。

进一步讲，根据本发明，可以利用一台富里叶变换型干涉光系统高精度地将光分为测量光部分和补偿光部分。

进一步讲，根据本发明，可以利用一种旋转盘用相当简单的结构和很低的成本将光分为测量光部分和补偿光部分。

进一步讲，根据本发明，第一分支光路和第二分支光路可以很容易地由光导纤维构成。此外，因为光导纤维可以很容易地弯曲，所以第一分支光路和第二分支光路可以是很柔韧的。

进一步讲，可以利用一个发散型单色器高精度地将光分为测量光和补偿光。

进一步讲，根据本发明，可以利用一个棱镜型单色器高精度地将光分为测量光和补偿光。

进一步讲，根据本发明，可以使直接由光锥的光孔发生的光和被被测物体反射的光投射到积分球上。因此，第一分支光路和第二分支光路就变得很紧凑，使得该装置的尺寸可以做得很小。

进一步讲，根据本发明，自始至终使用一个检测器，结果，补偿是同步的，不出现时间延迟，并且不出现敏感度差。此外，由于开关机构被固定住，所以几乎不会出现故障。

本发明的这些或其他一些任务和特性从以下参考附图结合本发明的这些最佳实施例所作的说明将变得更为清楚。

图1示出当测量皿中的水量变化时所得到的近红外透射光谱；

图2示出在补偿后得到的吸收光谱；

图3示出人的波肤的近红外发射能谱；

图4示出根据本发明的光学测量装置的一个实施例的结构图；

图5示出了一些曲线，这些曲线将图4的光学测量装置的飘移与已有技术的光学测量装置的飘移进行比较；

图6示出了根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的结构图；

图7示出了一个用于图6的光学测量装置的旋转盘的顶视图；

图8示出了根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的结构图；

图9示出了根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的结构图；

图10示出了根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的结构图；以及

图11示出了柑桔和人手的吸收光谱。

以下，将参考附图对本发明的一些优选的实施例加以说明。第一个实施例

图1示出通过改变测量皿中的水量测量水的近红外透射光谱的结果。在图1中，曲线A示出光源的光谱，曲线B示出当该皿用水充满时的光谱，而曲线C示出在该皿局部充水时的光谱。水的吸收度在5200cm^-1处特别大，而透射率几乎为零。然而，在曲线C中，在5200cm^-1处检测到透射光。这种透射光就是未穿过水但仅仅穿过测量皿的光，换句话讲，这种光是未携带任何有关水的吸收率的信息的无信息介入光。这种介入光的光谱带有与光源的光谱相同的信息，因此，它具有与光源光谱的曲线A相似的几何形状。因此，介入光的光谱D是通过用一个系数乘光源光谱、使得结果等于在5200cm^-1处的光谱C的能量值的方式得到的。通过从光谱C中减去光谱D所得到的差就是经过补偿的通过了水的光的测得光谱。通过A减D的方式得到的差是照射到该样品上的光的经过补偿的光谱。

图2示出在测量皿用样品物质充满时的吸收光谱F、在以光源光谱作为背景光谱时的经过补偿的测得的吸收光谱G、通过根据经过补偿的测得的吸收光谱G的基线补偿所得到的经过补偿的光谱H以及在以经过补偿的光源光谱作为背景光谱时经过补偿的测得的吸收光谱I。

图3示出人的皮肤的近红外漫反射能谱。在图3中，曲线J示出光源光谱，而曲线K示出样品光谱。水的吸收能力在5200cm^-1处特别大，透射率几乎为0。如果水中充满活的生物体，那么既使是在5200cm^-1处也能检测到光。这种光是未通过样品的成分，也就是说，是一种特殊的反射光，即未携带有关样品的信息的介入光。这种介入光带有与光源产生的光相同的信息，使得它具有与光源光谱J类似的几何形状。因此，可以通过用一个系数乘光源光谱J得到介入光的光谱L，结果，所得的光谱具有与5200cm^-1处的光谱K相同的能值。从光谱K中减去光谱L所得的差就是被样品漫反射的光的经过补偿的测得的光谱M。这样，在经过补偿的测得的光谱M中就没有介入光谱L的影响。此外，从光源光谱J中减去介入光谱L所得到的差即照射到样品上的光的经过补偿的光谱的光谱。第二个实施例

图4示出根据本发明的光学测量装置的一个实施例的结构。这种装置通过用红外线照射手指的方式检测人体体液成分。该装置包括一个产生红外光的镍铬灯1、一个将由镍铬灯1发射的红外光转化成平行光束的准直透镜2、一个富里叶型干涉光学系统4和一个分离从富里叶型干涉光系统4发出的光束5的一部分的反光镜6。令红外光束由镍铬灯1入射到富里叶型干涉光学系统4上，该光学系统分开红外光束并发射含有测量光成分和补偿成分的测量光束。测量光成分具有在其中人体体液成分具有一定吸收能力的测量波长区的波长。补偿光成分具有在其中被测物体几乎将光完全吸收的补偿波长区的波长。反光镜6将由富里叶型干涉光学系统4中发出的光束5分离成光束7和光束8。

该光学测量装置还具有一个汇聚光束7的透镜9、一个光束7在穿过被测物体(例如人的手指10)之后照射于其上的积分球11、一个PbS型红外检测器12，使光束8绕过手指10并使光束8朝向积分球11射去的反光镜13，14和透镜15、一个放大器16、一个A/D转换器17、一台微型计算机18、微机18的存储器19和一台显示器21。A/D转换器17将由PbS型红外检测器12输出并由放大器16放大的信号转化成数字信号输出给微机18。

微机18具有一个参比信号测量模式和一个常规测量模式。这些参比信号测量模式和常规测量模式是由一个模开关(图4中未示出)接通或关闭的。

按照所述的参比信号测量模式，关闭积分球11的开口，以便隔挡测量光束7，只有参比光束8用PbS型红外检测器12加以测量。而后，微机18将参比光束8的用A/D移换器17转换成为数字信号的测量值存储在存储器19中。或者，按照所述参比信号测量模式，可以使积分球11的开口保持开启，并且只是代替参比光束8的测量值，在测量光束7通过的过程中可以将PbS型的红外检测器12的输出值存储在存储器19中。

另一方面，按照所述常规测量模式，将作为被测物体的人的手指10放在积分球11的开口处。在这种情况下，用PbS型红外检测器12测量参比光束8和部分穿过手指10的测量光束7。微机18根据已经针对这些测量值和被存储在存储器19中的参比光的测量值所描述过的公式(9)至(16)进行计算。具体讲，微机18进行公式(9)和(10)的运算，计算出在补偿波长用PbS红外检测器12测得的信号强度与被存储在存储器19中的在补偿波长的信号强度的光强度比。微机18还进行公式(13)和(14)的运算并通过用所述光强度比n乘被存储在存储器19中的信号强度的方式计算出在测量过程中的背景强度。微机18进一步进行公式(15)和(16)的运算并且从按常规测量模式所得到的测量值中减去计算出的背景强度。而后，微机18将这些结果除以背景强度并计算这些结果的倒数的常用对数，以便得出吸收度。根据按这样的方式得到的吸收度，微机18进一步进行多变量分析，以便计算出人体体液的成分浓度并将结果显示在显示器21上。

将以上所述的利用图4的光学测量装置所获得的测量值同利用图5的已有技术的装置所获得的测量值加以比较。在图5中，线n0表示真实值，虚线h₁表示利用所谓单光束方法的已有技术装置的飘移，而虚线h₂克示利用所谓双光束方法的已有技术的装置的飘移，这些都公开于美国专利US4097743中。虚线h₃表示图4所示的本实施例的光学测量装置的飘移。如图5所示，对所有这些装置都加以调节，使得在它们被启动后一分钟再开始测量，此时，它们的测量值与真实值100％地相一致。图5所示的偏差是相对于真实值计算出的。

如图4所示，本实施例的光学测量装置的测量偏差是0.99，而单光束法的装置的偏差为4.60，双光束法的装置的偏差为1.42。因此，该实施例的装置的飘移得到很大的改善。第三个实施例

图6示出根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的结构。在该光学测量装置中，由卤素灯22发出的红外光束被透镜23汇聚，照射到光导纤维24上。光导纤维24将入射的红外光分成测量光学系统的光路25，28和参比光学系统的光路26。在测量光学系统的光路25、28之间的间隙中插入人的手指27作为透射光测量过程中的被测物体，同时插入一块挡光板以便阻挡补偿光测量过程中通过光路25到达光路28的红外光。光路28连接参比光学系统的光路26。使由光导纤维24发出的红外光通过透镜29、由马达M驱动的旋转盘31和透镜32照射到锗型光电二极管33上。如图7所示，旋转盘31在环绕它的旋转中心形成的若干窗口中装有透过补偿波长区的红外光的干涉滤光器31a、31c和透过测量波长区的红外光的干涉滤光器31b、31d。可以用一个检测在旋转盘31的周边部分上形成的狭缝的光电传感器检测当前由旋转盘31从干涉滤光器31a至31d中选定的滤光器。该光电传感器和狭缝在附图中未加显示。

锗型光电二极管33的输出信号被输入到由在二个实施例中所描述过的图4的装置的放大器16、A/D转换器17、微机18、存储器19和显示器21所构成的电路中。指示当前选定的是干涉滤光器31a至31d中的哪一个的选定滤光器信号从锗型光电二极管31输入微机18。微机18根据光电二极管33的输出测量值和选定滤光器信号利用和图4的装置相同的运算确定吸收度，以便确定人体体液的成分浓度。

按照第三个实施例的结构，测量光学系统和参比光学系统的结构由于使用了光导纤维而变得简单，结果可以得到结构紧凑成本低的装置。第四个实施例

图8示出根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的结构。这个光学测量装置是用于测量树脂材料的成分含量的。在这个光学测量装置中，使由钨灯34发出的光束通过一个透镜35照射到一个衍射光栅型单色器36上并因此分开成为测量波长区的测量光和补偿波长区的补偿光。将由衍射光栅型单色器36发出的部分光束引向在其中有液态树脂材料流动的光学池38，在检测参比光时用一挡光板将该通过光阻挡住。使由衍射光栅型单色器36发出的部分光束与未指向光学池38的另一部分光束在透过树脂材料后一起照射到透镜39上。合起来的光以汇集的方式被输送给TGS红外检测器37。

TGS红外检测器37的输出信号被输入给在第二个实施例中所描述过的和在图4中示出的电路中，该电路包括放大器16、A/D转换器17、微机18、存储器19和显示器21。利用衍射光栅型单色器36将指示目前所选择的是测量波长和补偿波长之中的哪一种的信号提供给微机18。微机18利用与图4装置相同的运算确定吸收度，以便确定液态树脂材料的成分含量。

按照目前第四个实施例的结构，可以对在光学池38中流动的液态树脂材料进行连续地和实时地测量。第五个实施例

图9示出了根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的结构。这个光学测量装置用于测量水果45中蔗糖的含量。在该光学测量装置中，使由卤素灯41发出的光束通过一个透镜42照射到一个棱镜型单色器43上并因此分开为测量波长区的测量光和补偿波长区的补偿光。由棱镜型单色器43发出的光束被透镜40汇聚并通过一块二氧化硅板44投射到水果45上。用积分球46收集被水果45漫反射的光并用检测器47检测这些光。在检测参比光的过程中将被测物体(水果45)取出。

将检测器47的输出信号输入给由在第二个实施例中描述过的图4的装置的放大器16、A/D转换器17、微机18、存储器19和显示器21构成的电路。由棱镜型单色器43将指示目前所选择的是测量波长和补偿波长之中的哪一种的信号提供给微机18。微机18根据该信号和检测器47的输出测量值利用与图4装置相同的运算确定漫反射度，以便确定水果45的蔗糖含量。

按照第五个实施例的结构，可以测定水果的蔗糖含量而又不损坏水量。第六个实施例

图10示出根据本发明的光学测量装置的另一个实施例的结构。这个光学测量装置是用于测量人体体液的成分浓度的。在该光学测量装置中，由发光二极管48发出的光束通过透镜49投射到富里叶变换型干涉光学系统50上，该系统将红外光束分开为测量波长区的测量光和补偿波长区的补偿光。由富里叶变换型的干涉光学系统50发出的光束被透镜50a汇聚起来并投射到一个光锥51上。在测量人体体液的成分含量的过程中将人的手指52放在光锥51的开口处。光锥51在其侧面有一个光学孔55，它被放置在积分球53的内部。照射在光锥51上的部分光束并不投射到手指52上，这部分光连同穿过手指52的光一起通过光学孔55被积分球53收集。用积分球53收集的光用检测器54检测。在参比光检测过程中光锥51的开口端用一个挡光板阻挡。

检测器52的输出信号被输入由在第二个实施例中所描述过的图4装置的放大器16、A/D转换器17、微机18、存储器19和显示器21构成的电路。指示当前所选择的是测量波长和补偿波长之中的哪一种的信号由富里叶变换型干涉光学系统50提供给微机18。微机18根据该信号和检测器54的输出测量值利用与图4装置相同的运算确定吸收度，以便确定人体体液的成分含量。

按照第六个实施例的结构，光锥51被设置在积分球53内部，使得测量光学系统和参比光学系统可以变得简单和紧凑。

尽管业已结合附图利用若干优选的实施例对本发明做了充分的说明，但是还要注意到对本领域普通技术人员来说显而易见的是还可以对本发明做出各种变化和改进。这样的变化和改进将被认为是包括在由所附的权利要求书所限定的本发明的范围之内，除非这些变化和改进与本发明不一致。

Claims (16)

1.一种光学测量方法，所述方法用由光源发出的光照射一被测物体并测量透过所述被测物体的光或被所述被测物体反射的光的光谱，所述光学测量方法包括如下步骤：

配备一个光源，所述光源产生如下这些波长的测量光，这些波长包括在其间所述被测物体几乎将所述测量光完全吸收的一个补偿波长区段上的那些波长；

测量由所述光源产生的光的光谱；

用由所述光源发出的光照射所述的被测物体，以便测量透过所述被测物体或被所述被测物体反射的光的光谱；

计算透过所述被测物体或被所述被测物体反射的光的强度与由所述光源在所述补偿波长区段产生的光的强度的强度比；

将由所述光源在每一波长处产生的光的强度乘以所述比，以便得出一种无信息光谱；以及

通过从透过所述被测物体的光或被被测物体反射的光的所述被测得的光谱中减去所述无信息光谱得出一个差光谱作为一种经过补偿的样品光谱。

2.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于通过从由所述光源产生的光的光谱中减去所述无信息光谱的方式得出一个差光谱作为经过补偿的照射到所述被测物体上的光的源光谱，吸收光谱是由所述经过补偿的样品光谱和作为所述经过补偿的源光谱的背景光谱得出的，而所述被测物体所拥有的特征参数值是根据所述吸收光谱确定的。

3.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于暂时吸收光谱是由所述经过补偿的样品光谱和作为由所述光源产生的光的光谱的背景光谱得出的，吸收光谱是通过就其由基线补偿或变异产生的附加误差对所述暂时吸收光谱进行补偿的方式得出的，而所述被测物体所拥有的特性参数值是根据所述吸收光谱确定的。

4.根据权利要求1、2和3之一所述的光学测量方法，其特征在于吸收光谱是通过将标准物质加到所述被测物体中，使得在所述补偿波长区的透射率几乎为零的方式得出的。

5.根据权利要求4所述的光学测量方法，其特征在于所述标准物质是水。

6.根据权利要求5所述的光学测量方法，其特征在于所述补偿波长区是O-H吸收波长区。

7.根据权利要求4所述的光学测量方法，其特征在于所述补偿波长区是C-H吸收波长区。

8.一种光学测量装置，所述装置使用光照射一被测物体，以便测定透过所述被测物体的光或被所述被测物体反射的光的强度并且根据所述强度测量所述被测物体所拥有的材料参数值，所述光学测量装置包括如下部分：

一个光源，该光源产生用于测量所述被测物体所拥有的特征参数值的测量波长区的测量光和在其间光几乎被被测物体完全吸收的补偿波长区的测量光；

一个将所述测量光分开为所述测量波长区和所述补偿波长区的分光光学系统装置；

一个光路光学系统装置，该装置将由所述光源发出的所述测量光引向第一分支光路和第二分支光路、将所述被测物体设置在所述第二分支光路并将由所述第一支路来的光和由所述第二支路出来的光合并起来，

一个光度测量装置，该装置测量由所述光路光学系统装置发出的光，以便测量被分成所述测量波长区和所述补偿波长区的光的强度；

一个存储装置，该装置存储当一种挡光材料被放置在所述第二分支光路中或将所述被测物体从所述第二分支光路中取出时在参比测量过程中从所述光度测定装置输出的所述测量波长区和所述补偿波长区上的所述光强度；以及

一个数学运算装置，该装置计算当所述被测物体被设置在所述第二分支光路时在常规的测量过程中由所述光度测量装置检测到的在所述补偿波长区的光强度与被存储在所述存储装置中的在所述补偿波长区的光强度的比值，通过数学计算法处理该光强度比、存储在所述存储装置中的光强度以及在所述常规的测量过程中所述光度测定装置的输出值的方式得出吸收度并且根据所述吸收度确定所述被测物体的所述材料的参数值。

9.根据权利要求8所述的光学测量装置，其持征在于所述数学运算装置进行关于存储在所述存储装置中的光强度I_o和所述常规测量过程中所述光度测量装置的输出值I_m的运算-log((I_m-n×I_o)/(n×I_o其中n是所述光强度比。

10.根据权利要求8和9之一所述的光学测量装置，其特征在于所述光路光学系统装置由光导纤维构成，该光导纤维具有形成所述第一分支光路的第一分支部分和形成所述第二分支光路的第二分支部分，并且所述第二分支部分在其光路中有一个在其中设置所述光度测量装置的测量部分。

11.根据权利要求8和9之一所述的光学测量装置，其特征在于所述光路光学系统装置具有一个积分球，在积分球上设置有所述光度测量装置。

12.根据权利要求8和9之一所述的光学测量装置，其特征在于所述光路光学系统装置包括一个积分球和一个设置在所述积分球内部并具有一个开在所述积分球内部的光学开口的光锥。

13.根据权利要求8和9之一所述的光学测量装置，其特征在于所述分光光学系统装置是一个富里叶变换型干涉光学系统。

14.根据权利要求8和9之一所述的光学测量装置，其特征在于所述分光光学系统装置具有一个装备有若干滤光器的旋转盘，这些滤光器之中有一些透过所述测量波长区的光，而另一些透过几乎完全被所述被测物体吸收的所述补偿波长区的补偿光。

15.根据权利要求8和9之一所述的光学测量装置，其特征在于所述分光光学系统装置是一个衍射光栅型单色器。

16.根据权利要求8或9之一所述的光学测量装置，其特征在于所述分光光学系统装置是一个棱镜型单色器。