專利名稱：雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)及測量方法。
背景技術(shù)：
反射光譜分光光度系統(tǒng)是一種通過對物體反射光光譜按照波長分光，得到反射或透射光譜的光譜功率分布的一種光學(xué)系統(tǒng)。在測量的過程中，由于測試光源無法做到絕對的穩(wěn)定，在每次點亮?xí)r，光源的光譜強(qiáng)度都會發(fā)生波動，光源的波動不可避免的對儀器測試的重復(fù)性和精確度產(chǎn)生影響。解決的辦法是采用雙光路結(jié)構(gòu)，在一次測試中，同時測得參考光路和測試樣品的反射光譜信號， 利用參考光路來消除由于光源波動所產(chǎn)生的誤差。目前的技術(shù)一般是米用雙光路雙光柵的測試結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部相應(yīng)于雙光路的設(shè)計應(yīng)用兩組光學(xué)元件，包含兩套光學(xué)透鏡、兩個光柵和兩組陣列傳感器。這種設(shè)計不但提高了產(chǎn)品的成本，而且增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在實際的應(yīng)用中存在著一定的弊端。因而現(xiàn)有技術(shù)還有待改進(jìn)和提高。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)及測量方法，旨在減少成本的同時兼容測試的穩(wěn)定性，達(dá)到更好的測量分析效果。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案一種雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)，用于得到測試樣品的反射光譜，其中，包括積分球、擋板、測試光源、第一透鏡、分光擋板、第二透鏡、衍射光柵、主光路直角棱鏡、參考光路直角棱鏡、主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器；測試光源發(fā)出的光經(jīng)積分球均勻化后，照射到測試樣品上，經(jīng)反射后反射光通過積分球通光孔形成主光路光；另一部分被經(jīng)積分球均勻化后，照射到積分球內(nèi)壁上，由于使用擋板將此部分光和測試樣品表面隔開，此部分光不照射到測試樣品表面，而直接通過將積分球通光孔形成參考光路光；所述主光路光和參考光路光由積分球通光孔出射，經(jīng)過第一透鏡后分別入射到分光擋板上的主光路入射狹縫和參考光路入射狹縫，然后再經(jīng)過第二透鏡后，照射到衍射光柵的不同位置，經(jīng)過衍射光柵的衍射后分光，再經(jīng)過第二透鏡，分別照射到主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡上，經(jīng)過主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡的全反射，分別改變主光路光和參考光路光的方向，形成兩列按照波長分散分布的光，使主光路光和參考光路光分別聚焦到主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器上，獲得主光路光和參考光路光的光譜信息。若不采用棱鏡進(jìn)行反射，那么主光路和參考光路的光經(jīng)過透鏡后聚焦形成的兩條線間距會非常近，在這種情況下，由于傳感器機(jī)械尺寸的限制，無法將兩個線陣陣列傳感器準(zhǔn)確對準(zhǔn)兩個光路。
所述的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)，其中，所述測試光源還包括一光闌，用于使測試光源發(fā)出的光不會直接照射到測試樣品表面。避免了由于光源直接照射到物體表面使漫射照明不均勻。所述的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)，其中，還包括一用于消除光源不穩(wěn)定引起的誤差，得到正確的測試樣品的反射光譜的主機(jī)，所述主機(jī)連接主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器。一種上述的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)的測量方法，其中，包括以下步驟ST1、測試光源發(fā)出的光經(jīng)積分球反射一部分照射到測試樣品上，經(jīng)反射形成主光路光，另一部分被擋板遮擋，形成參考光路光；ST2、所述主光路光和參考光路光由積分球通光孔出射，經(jīng)過第一透鏡后分別入射 到分光擋板上的主光路入射狹縫和參考光路入射狹縫；ST3、所述主光路光和參考光路光經(jīng)過第二透鏡后，照射到衍射光柵的不同位置，經(jīng)過衍射光柵的衍射后分光，分散為兩列按照波長分散分布的光；ST4、所述主光路光和參考光路光經(jīng)過第二透鏡，分別照射到主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡上，經(jīng)過主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡的全反射，分別改變主光路光和參考光路光的方向，使主光路光和參考光路光分別聚焦到主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器上，獲得主光路光和參考光路光的光譜信息。其中，參考光路檢測光源波動，主光路檢測樣品表面光譜反射率。通過算法可以有效地增強(qiáng)測量重復(fù)性。之后應(yīng)用定標(biāo)方法即可得到對應(yīng)波長處的該樣品光譜反射率。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)及測量方法，通過主光路和參考光路共用一組光學(xué)元件，同時獲得主光路和參考光路的光譜信息，大大簡化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低了產(chǎn)品的成本；同時還兼容測試的穩(wěn)定性，達(dá)到很好的測量分析效果；具有較佳的市場推廣前景。


圖I為本發(fā)明的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)的實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)的測量方法的流程圖。圖4為本發(fā)明的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)的定標(biāo)算法的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)及測量方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
請一并參閱圖I和圖2，其分別為本發(fā)明的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖及其實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。為了方便理解，先將各標(biāo)號所表示的具體結(jié)構(gòu)說明I :擋板；2 :積分球；3 :測試樣品；4 :測試光源；5 :第一透鏡；6 :積分球通光孔；7 參考光路狹縫；8 :主光路狹縫；9 :分光擋板；10 :第二透鏡；11 :衍射光柵；12 :主光路陣列傳感器；13 :參考光路陣列傳感器；14 :主光路直角棱鏡；15 :參考光路直角棱鏡。如圖I所示，所述反射光譜分光光度系統(tǒng)包括積分球2、擋板I、測試光源4、第一透鏡5、分光擋板9、第二透鏡10、衍射光柵11、主光路直角棱鏡14、參考光路直角棱鏡15、主光路陣列傳感器12和參考光路陣列傳感器13。其中，所述擋板I用于避免測試光源4的光線直接照射到測試樣品3上，以便將主 光路和參考光路進(jìn)行區(qū)分。第一透鏡5用于會聚從積分球2出射的主光路和參考光路的發(fā)散的光線，使兩路分散的光線經(jīng)過會聚能分別準(zhǔn)確的通過分光擋板9上的主光路狹縫(也稱主光路通光孔)8和參考光路狹縫7。分光擋板9用于使通過其上的主光路狹縫8和參考光路狹縫7將主光路和參考光路區(qū)分開來。第二透鏡10發(fā)揮兩次作用，第一次將主光路和參考光路的光線變?yōu)榻破叫泄猓坏诙螌⒔?jīng)過衍射光柵反射后的光線聚焦，使其能夠準(zhǔn)確的分別入射到兩個陣列傳感器上(即主光路陣列傳感器12和參考光路陣列傳感器13)。衍射光柵11用于將主光路和參考光路的光色散，使之展開成為兩列不同波長的光譜的集合。主光路直角棱鏡14用于利用直角棱鏡的臨界角特性，將主光路的光譜全反射，主光路的光譜照射到主光路陣列傳感器12上；同理，參考光路直角棱鏡15也利用直角棱鏡的臨界角特性，將參考光路的光譜全反射，參考光路的光譜照射到參考光路陣列傳感器13上。主光路陣列傳感器12用于接收主光路的光譜信息，將其轉(zhuǎn)化為電信號；參考光路陣列傳感器13用于接收參考光路的光譜信息，將其轉(zhuǎn)化為電信號。下面結(jié)合圖I來介紹一下雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)中光路的情況測試光源4發(fā)出的光經(jīng)積分球2反射一部分照射到測試樣品3上，經(jīng)反射形成主光路光，另一部分被擋板I遮擋，形成參考光路光；所述主光路光和參考光路光由積分球通光孔6出射，經(jīng)過第一透鏡5后分別入射到分光擋板9上的主光路入射狹縫8和參考光路入射狹縫7，然后再經(jīng)過第二透鏡10后，照射到衍射光柵11的不同位置，經(jīng)過衍射光柵11的衍射后分光，分散為兩列按照波長分散分布的光，再經(jīng)過第二透鏡10，分別照射到主光路直角棱鏡14和參考光路直角棱鏡15上，經(jīng)過主光路直角棱鏡14和參考光路直角棱鏡15的全反射，分別改變主光路光和參考光路光的方向，使主光路光和參考光路光分別聚焦到主光路陣列傳感器12和參考光路陣列傳感器13上，獲得主光路光和參考光路光的光譜信肩、O進(jìn)一步地，使測試光源發(fā)出的光不會直接照射到測試樣品表面，所述測試光源還包括一具有一定長度的光闌。更進(jìn)一步地，所述的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)還包括一連接主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器的主機(jī)(可以采用PC或嵌入式系統(tǒng)等實現(xiàn))，所述主機(jī)通過其中的電路和軟件的設(shè)計，消除光源不穩(wěn)定引起的誤差，得到正確的測試樣品的反射光譜。請繼續(xù)參閱圖3，本發(fā)明還提供了一種雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)的測量方法，其包括以下步驟SI、測試光源發(fā)出的光經(jīng)積分球反射一部分照射到測試樣品上，經(jīng)反射形成主光路光，另一部分被擋板遮擋，形成參考光路光；S2、所述主光路光和參考光路光由積分球通光孔出射，經(jīng)過第一透鏡后分別入射到分光擋板上的主光路入射狹縫和參考光路入射狹縫；S3、所述主光路光和參考光路光經(jīng)過第二透鏡后，照射到衍射光柵的不同位置，經(jīng)過衍射光柵的衍射后分光，分散為兩列按照波長分散分布的光； S4、所述主光路光和參考光路光經(jīng)過第二透鏡，分別照射到主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡上，經(jīng)過主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡的全反射，分別改變主光路光和參考光路光的方向，使主光路光和參考光路光分別聚焦到主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器上，獲得主光路光和參考光路光的光譜信息。因其具體實現(xiàn)方法已經(jīng)在上述系統(tǒng)中進(jìn)行了詳細(xì)介紹，這里就不再贅述了。請繼續(xù)參閱圖4，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明還改進(jìn)了主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器獲得主光路光和參考光路光的光譜信息的算法過程。為了便于理解，首先介紹一下現(xiàn)有技術(shù)中是如何得到光譜信息的一般來說，所述主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器采用含有256個像元的陣列傳感器，每個像元都將其表面接收到的光轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流值II、12、13、
14...... 1256，它們與每個像元所接收到的光功率？1、？2汴3、？4......P256相對應(yīng)。系統(tǒng)
的分辨率為IOnm,測量范圍為380nm到780nm。通過測量每個像元接收到的光線光功率就可以得到經(jīng)過樣品表面反射的光線在波長380nm到780nm時的光功率。傳感器的光譜分辨率較小，每兩個像元的波長間隔小于10nm，需要將其計算成波長間隔為IOnm的讀數(shù)。在ISO13655 :1996標(biāo)準(zhǔn)中，推薦的計算方法如公式(I)
W(^Xn)P(Axn)I= Zt=WCW-公式⑴其中，W( λ Χη)為所求像元對于所求波長Yn的權(quán)重，如公式(2)W(Xxn) = ΔλΗ^:λ~^·公式⑵其中，λγη為間隔IOnm的波長，λ Χη為像元處對應(yīng)的波長，P(A5ta)為該像元處的光功率，Λ λ為傳感器的半波寬。ISO的推薦方法是默認(rèn)像元的權(quán)重W ( λ J與該像元處的波長λ Χη和計算波長λ Υη的距離I λΥη_λ&|成線性關(guān)系，而實際中對于每一種波長λ的光線，傳感器各像元的權(quán)重與該像元對應(yīng)波長λ χη和計算波長λγη的距離I λγη-λχη|并不是線性關(guān)系。每一種波長λ的光線不僅聚焦到一個像元中，也有部分光線入射到傳感器中其他像元中，每個像元的值Pn不僅包括了對應(yīng)波長λ處的光功率，還包含了其他波長下的部分光功率，這樣通過ISO的推薦方法計算出IOnm間隔的光功率與實際光線的光譜分布會發(fā)生偏差。針對上述問題，本發(fā)明的提出了一種改進(jìn)的算法。每個像元的值Pn不僅包括了對應(yīng)波長λ處的光功率，還包含了其他波長下的部分光功率，如公式(3)
P1 = K1380R(38O) + K1381R(38I) + Ar1382RC382) + AT1383RC383) + …+ ^780R(780)公式(3)其中，K尸0、K 81、K 82、Kp3.........Ki80 為該像元處波長為 3S0nm、
381nm、382nm...... 780nm光線入射的光功率權(quán)重，既每個波長光線照射到該像元的光占到
該波長照射到整個傳感器感應(yīng)面光線的百分比；R (380)、R (381)、R (382)、R (383).........R (780)為波長為 380nm、381nm、
382nm...... 780nm的真實光功率。 本儀器測量的目的是獲得不同波長處的光譜反射率R( λ )。具體的系數(shù)矩陣K定標(biāo)計算方法如下a.用本儀器測量大量不同的樣品，得到主傳感器和副傳感器每個像元對應(yīng)的對應(yīng)光譜分布。以主傳感器為例，得到？1、？243... 256共256個像元數(shù)據(jù)。設(shè)測量η個樣品，則得到如下的矩陣P。
r piρ2ρ3ρ4 ρΠ ι
IIII… I
pip2p3n4 pn
r2r2r2r2…r2
pip2p3p4 pn
r3r3r3r3…r3P41 P42 P43 P44 ... P4n
nl p2 p3 p4pHLr256 *256 r256 r256 …r2S6」其中，P42代表測量第二個樣品時，主傳感器第4個像元的信號。b.用標(biāo)準(zhǔn)分光光度計測量樣品，得到這些樣品標(biāo)準(zhǔn)的在不同波長處的光譜反射率矩陣R。
■^(380) R2(380) R3(380) R4(380) ... Rn(380)_
^(381) R2(381) R3(381) R4(381) ... Rn(381)
Ri(382) R2(382) R3(382) R4(382) ... Rn(382)Ri(383) R2(383) R3(383) R4(383) ... Rn(383)
.^(780) R2(780) R3(780) R4(780) ... Rn(780).其中，R3 (383)代表測量第三個樣品時，該樣品在383nm處的光譜反射率。c.由公式(3)可知，構(gòu)造系數(shù)矩陣K，存在如下的對應(yīng)關(guān)系，P = KXR 公式(4)系數(shù)矩陣K具體形式如下。
權(quán)利要求
1.一種雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)，用于得到測試樣品的反射光譜，其特征在于，包括積分球、擋板、測試光源、第一透鏡、分光擋板、第二透鏡、衍射光柵、主光路直角棱鏡、參考光路直角棱鏡、主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器； 測試光源發(fā)出的光經(jīng)積分球均勻化后，照射到測試樣品上，經(jīng)反射后反射光通過積分球通光孔形成主光路光；另一部分被經(jīng)積分球均勻化后，照射到積分球內(nèi)壁上，由于使用擋板將此部分光和測試樣品表面隔開，此部分光不照射到測試樣品表面，而直接通過將積分球通光孔形成參考光路光；所述主光路光和參考光路光由積分球通光孔出射，經(jīng)過第一透鏡后分別入射到分光擋板上的主光路入射狹縫和參考光路入射狹縫，然后再經(jīng)過第二透鏡后，照射到衍射光柵的不同位置，經(jīng)過衍射光柵的衍射后分光，分散為兩列按照波長分散分布的光，再經(jīng)過第二透鏡，分別照射到主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡上，經(jīng)過主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡的全反射，分別改變主光路光和參考光路光的方向，使主光路光和參考光路光分別聚焦到主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器上，獲得主光路光和參考光路光的光譜信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測試光源還包括一光闌，限制了光源的出射角度，用于使測試光源發(fā)出的光不會直接照射到測試樣品表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括一用于消除光源不穩(wěn)定引起的誤差，得到正確的測試樣品的反射光譜的主機(jī)，所述主機(jī)連接主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器。
4.一種權(quán)利要求I所述的雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，包括以下步驟 ST1、測試光源發(fā)出的光經(jīng)積分球反射一部分照射到測試樣品上，經(jīng)反射形成主光路光，另一部分被擋板遮擋不會照射到測試樣品表面上，形成參考光路光； ST2、所述主光路光和參考光路光由積分球通光孔出射，經(jīng)過第一透鏡后分別入射到分光擋板上的主光路入射狹縫和參考光路入射狹縫； ST3、所述主光路光和參考光路光經(jīng)過第二透鏡后，照射到衍射光柵的不同位置，經(jīng)過衍射光柵的衍射后分光，分散為兩列按照波長分散分布的光； ST4、所述主光路光和參考光路光經(jīng)過第二透鏡，分別照射到主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡上，經(jīng)過主光路直角棱鏡和參考光路直角棱鏡的全反射，分別改變主光路光和參考光路光的方向，使主光路光和參考光路光分別聚焦到主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器上，獲得主光路光和參考光路光的光譜信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量方法，其特征在于，所述步驟ST4中主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器獲得主光路光和參考光路光的光譜信息時，主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器的每個像元Pn接收的不僅包括了對應(yīng)波長λ處的光功率，還包含了其他波長下的部分光功率，以第I個像元Pl為例，其光功率表達(dá)式為P1 = K1380R(38O) + 對81R(38I) + /C1382RC382) + AT1383RC383) + …+ Zf1780R(78O)式 I 其中，K 80、K 81、K 82、K 83.........Κ 8。為第一個像元受到波長為 380nm、381nm、382nm...... 780nm光線入射的光功率權(quán)重；R(380)、R(381)、R(382)、R(383).........R(780)為入射光中波長為 380nm、381nm、382nm...... 780nm的真實光功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，光功率權(quán)重的系數(shù)矩陣K具體形式如下。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)及測量方法，其中，所述雙光路單光柵的漫射照明反射光譜測量系統(tǒng)包括積分球、擋板、測試光源、第一透鏡、分光擋板、第二透鏡、衍射光柵、主光路直角棱鏡、參考光路直角棱鏡、主光路陣列傳感器和參考光路陣列傳感器。使主光路和測試光路共用一組光學(xué)元件，同時獲得主光路和參考光路的光譜信息，大大簡化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低了產(chǎn)品的成本；同時還兼容測試的穩(wěn)定性，達(dá)到很好的測量分析效果；具有較佳的市場推廣前景。
文檔編號G01N21/25GK102879096SQ201210337619
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者袁琨, 王聰, 高世芝 申請人:深圳漢譜光彩科技有限公司