CN101140222B - 测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***及方法。***：计算机分别与光源、单色仪、样品装置、及信号测量相连接；光源所发出的光通过单色仪、光路到样品装置；从样品装置出射的光信号通过光路至与计算机相连的信号测量。方法：获取输入计算设定波段内所有波长上实测光信号和测量误差值，获取并输入样品***参数；进入折射率计算子程序；输入样品光学参数初始值与实测光信号相比计算并输出光折射率光谱；进入光传输理论计算子程序，调整样品光学参数比较实测光信号与计算光信号差别；差别小于测量误差值时计算并输出样品其他光学参数光谱，否则返回光传输理论计算子程序。本发明测量***使用方便，能够准确地测定光信号和包括混浊材料在内的材料全部光学参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱仪***及方法。特别是涉及一种能够用于准确地测定光信号和光学参数的准确地测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***及方法。
背景技术
光谱为光学参数与光波长的函数关系，不同材料具有不同的光谱，反映其材料特征。对材料特征光谱的测定，分析与研究称为光谱学。光谱仪是基于光谱学原理广泛应用于各行各业的材料分析仪器之一。无论何种光谱仪，都需要根据准确描述光与材料相互作用的数学物理模型处理所测的光学信号而得到光学参数。在各种光谱仪中，测量材料自紫外至红外谱域内光学衰减系数光谱的吸收光谱仪(spectrophotometer)为最常用的光谱仪之一。
一般情况下，光与材料的相互作用主要可分为吸收与散射两类。如材料对光的散射较强，则称为光学混浊介质。许多材料为光学混浊介质，如陶瓷，非透明塑料，牛奶，油漆，细胞悬浮液体，被污染或具有悬浮颗粒的水或油或其他溶液，人，动物及植物的软组织等。混浊介质中光吸收与光散射并存于光与材料的相互作用，且相互作用的空间和时间分布具有随机的性质。这种情况下光在材料中的能量传播和分布为一复杂的边界条件问题，需要用准确的数学物理模型描述并求解。目前广泛应用的混浊介质光学模型为辐射传输理论，该理论将材料的光学参数定义为吸收系数，散射系数和散射相函数。吸收系数代表光子在材料内单位传播距离中被吸收的平均次数，通常与材料内的不同成分或粒子种类，浓度，大小与形状等有关。而散射系数和散射相函数则代表光子在材料内单位传播距离中被散射的平均次数和散射角度的几率分布。在已知散射相函数形式的情况下，如汉尼-格林斯坦(Henyey-Greenstein)相函数等，散射相函数可由一个或多个标量参数决定。汉尼-格林斯坦相函数由一个标量参数决定，称为各向异性参数，其定义为散射角度余弦的平均值，详细讨论可见参考文献(例如Z.Song，K.Dong，X.H.Hu，and J.Q.Lu，″Monte Carlo Simulation of Converging Laser Beams Propagating in Biological Tissues″，Applied Optics，vol.38，pp.2944-2949(1999))。
除上述光学参数之外，材料的光学折射率也是一个光学参数，通常可由电磁波在不同性质的材料之间的边界耦合条件的菲涅尔公式决定，详细讨论可见参考文献(例如H.Ding，J.Q.Lu，K.M.Jacobs，X.H.Hu，″Determination of Refractive Indices of Porcine Skin Tissues and Intralipid at 8 Wavelengths between 325 and 1557nm″，Journal of the Optical Society of America A，vol.22，pp.1151-1157(2005))。如果我们假设材料的散射相函数可由汉尼-格林斯坦相函数描述，则散射相函数可由各向异性参数唯一决定。对于宏观均匀的混浊介质材料，根据辐射传输理论和菲涅尔公式所定义的4个参数，也即吸收系数，散射系数，各向异性参数和折射率，可完全描述材料对光的吸收与散射相互作用，在此称为全部光学参数或全光学参数。这4个光学参数通常随光波长变化，因此是波长的函数，这里称为全部光学参数光谱。
上面提到的衰减系数可定义为吸收系数与散射系数之和。目前常用的吸收光谱仪所依据的光学模型为比尔-兰伯特定律(Beer-Lambert law)，是辐射传输理论的一种近似。因而该光谱仪无法分别测定吸收系数和散射系数及其他光学参数，对材料的分析能力有限，如无法区分衰减系数相同的吸收介质(如黑墨水)与散射介质(如乳白色的牛奶)。而测定材料的全部光学参数光谱可以极大地提高光谱仪作为包括浑浊介质在内的材料分析与研究的能力。
测定材料的全部光学参数光谱需要提供照射材料样品的广谱入射光，然后在样品外不同方向与位置测量与入射光波长相同的散射光信号。光在材料的传播过程中会由于吸收造成光或光子的消失以及由于散射造成光子转播方向的改变。在材料中的吸收与散射相互作用的空间与时间分布通常为随机的，其统计特征由材料的光学参数决定。光散射的随机性质造成自样品的出射光在三维空间内方向与位置分布上的随机性，这使得测量材料验品的散射光信号比较困难。目前报导过的测量方法包括利用积分球测量漫反射光和漫透射光信号的方法，和利用分立探测器或阵列探测器测量反射光信号分布的方法。这些方法的缺点或为测量***复杂，或为无法准确地测定光信号和光学参数。详细讨论可见参考文献(例如C.Chen，J.Q.Lu，H.Ding，K.M.Jacobs，Y.Du，and X.H.Hu，″A primary method for determination of optical parameters of turbid samples and application to intralipid between 550 and 1630nm″，Optics Express，vol.14，pp.7420-7435(2006))。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种测量***简单，能够用于准确地测定光信号和光学参数的准确地测定包括混浊介质的材料全部光学参数的光谱仪***及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***，所述的全部光学参数是：吸收系数，散射系数，各向异性参数和折射率，***包括有：光源部分，单色仪部分，光路部分，样品装置部分，信号测量部分，和计算机部分；其中，用于控制与数据处理及计算的计算机部分分别与光源部分、单色仪部分、样品装置部分、及信号测量部分相连接；光源部分所发出的光通过单色仪部分、光路部分射入到样品装置部分；从样品装置部分出射的光信号通过光路部分至与计算机部分相连的信号测量部分；其中，所述的样品装置部分包括有用于调节入射光进入样品的入射角度的样品转台及设置于其上的内部装有样品的样品盒；所述的光路部分包括有：用于准直光束的位于单色仪部分输出端的第一曲面反射镜、位于第一曲面反射镜反射光一侧的分光片、以及接收样品装置部分中的样品的准直透射光束的反射镜；用于聚焦的位于反射镜的反射光一侧的第二曲面反射镜，以及接收第二曲面反射镜的反射光的狭缝；所述的信号测量部分包括有：接收样品的漫反射光束的线阵光电探测器；位于分光片的一侧接收镜向反射光束用来间接测量入射光强度信号的第一分立光电探测器；接收样品的漫透射光束用来测量漫透射光强度信号的第二分立光电探测器；位于狭缝出射光一侧用来测量准直透射光强度信号的第三分立光电探测器；接收各光电探测器的光信号，并进行处理后送到计算机部分(16)的信号处理电路。
所述的光源部分包括有光源和光调制器，其中，光源的控制端通过电缆与计算机部分相连，光源的输出光束通过单色仪部分、光调制器及分光片后作为单色入射光束进入样品装置部分中。
所述的光源由连续谱的非相干广谱光源获得，其照射光波长在设定的谱域内连续分布。
所述的光源部分中的光源是由多个激光器作为相干光源组成，其输出光束波长为分立形式，可直接获得单色输出光到光路部分。
所述的入射光束的直径在1毫米～100毫米之间。
所述的单色仪部分是由光束聚焦准直光路及光谱分光器件组成。
用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，包括有如下阶段：
第一阶段：获取并输入所设定波段内的所有波长上的实测光信号和测量误差值，同时获取并输入样品***参数；
第二阶段：进入计算程序中的折射率计算子程序，计算决定所设波段内的所有波长上的样品折射率即获得样品折射率光谱；
第三阶段：输入样品光学参数初始值和在所设波段内调整样品光学参数值进入计算程序中的光传输理论计算子程序，获得计算光信号；
第四阶段：在设定波长上，比较实测光信号与计算光信号的差别；
第五阶段：在第四阶段的比较中，当差别小于测量误差值时，输出样品全部光学参数光谱，否则，返回第三阶段；
所述的获取输入并计算在设定波段内的所有波长上的实测光信号是：镜向反射光与入射光强度之比即镜向反射率，漫反射光强度与入射光强度之比即漫反射率，准直透射光与入射光强度之比即准直透射率，漫透射光强度与入射光强度之比即漫透射率。
所述的样品***参数包括有：入射光参数，样品及样品盒形状参数，光电探测器相对于样品盒的方位参数。
所述的计算程序中的折射率计算子程序，包括有如下步骤：
第一步：根据样品***参数，在设定的入射光波长上的样品盒材料折射率，以及实测的镜向反射率与入射角的函数曲线，设定在入射光波长上的样品折射率的初始值；
第二步：根据菲涅尔方程获得计算的镜向反射率与入射角函数曲线；
第三步：比较计算的与实测的镜向反射率与入射角曲线的差别，并通过反复调整样品折射率循回第二步直至差别小于测量误差值；
第四步：判断折射率光谱是否在所设波段内的所有波长上计算完毕，未计算完，返回第一步，计算完则输出样品折射率光谱，并返回主程序。
所述的样品***参数包括有：入射光束截面的面积，方向和功率分布，样品与样品盒的形状参数，以及光电探测器相对于样品盒的方位参数。
所述的计算程序中的光传输理论计算子程序，有如下步骤：
S1：输入代表入射光束强度的光子总数N0；
S2：输入样品***参数；
S3：由光子的入射方向决定其初始行进方向；
S4：设定被追踪光子数N的起始值：N＝1；
S5：根据吸收系数随机决定光子总路程；
S7：判断被追踪光子数N是否大于1？，N大于1进入S8，否则进入S9；
S8：根据散射相函数随机决定光子散射角度也即行进方向后，进入S9；
S9：根据散射系数随机决定光子自由行进路程；
S10：追踪光子至下一散射点；
S11：判断光子累计行进路程是否大于总路程？是进入S12，否则进入S13；
S12：判断光子被吸收后进入S6；
S6：将被追踪光子数N增加1后进入S5；
S13：判断光子是否接触样品边界？是进入S14，否则进入S8；
S14：根据基于菲涅尔方程计算的边界反射系数随机决定光子是否溢出样品？是进入S15，否则根据反射方向回到样品介质继续追踪后进入S8；
S15：判断是否被光电探测器接受？是进入S17，否则进入S16；
S16：判断光子逃逸后进入S6；
S17：将被该光电探测器接受的光子数增加1并计算存储相应的光信号，即为该光电探测器接受的光子数与N0的比；
S18：判断被追踪光子数N是否大于代表入射光束的光子总数N0；是进入S19，否则进入S6；
S19：子程序结束并输出计算光信号，返回主程序。
所述的样品***参数包括有：入射光参数，样品及样品盒形状参数，光电探测器相对于样品盒的方位参数。
本发明的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***及方法，测量***简单，使用方便，能够准确地测定光信号和包括混浊材料在内的材料全部光学参数。可以极大地提高光谱仪作为包括浑浊介质在内的材料分析与研究的能力。
附图说明
图1是本发明的光谱仪***的结构示意图；
图2是本发明的实施例中样品装置的示意图；
图3是本发明测定方法的流程图；
图4是本发明测定方法中的折射率计算子程序流程图；
图5是本发明测定方法中的光传输理论计算子程序流程图。
其中：
1：光源 2：单色仪部分
3：第一曲面反射镜 4：光调制器
5：分光片 6：光电探测器
7：光电探测器 8：样品
9：样品转台 10：光电探测器
11：反射镜 12：第二曲面反射镜
13：狭缝或小孔 14：光电探测器
15：信号处理电路 16：计算机部分
17：输出光束 18：输出光束分束
19：入射光束 20：镜向反射光束
21：漫反射光束 22：准直透射光束
23：漫透射光束 24-32：信号与控制电缆
33：样品盒
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***及方法做出详细说明。
准确测定包括混浊介质在内的材料全部光学参数需要测量自样品出射的不同方向上的反射及透射光信号。镜向反射光定义为沿满足光反射定律的方向传播的反射光，而准直透射光为沿未受散射影响的透射方向上的光。漫反射光和漫透射光分别定义为在光波长不变的条件下其传播方向偏离镜向反射方向和准直透射方向上的光，也即自样品入射面出射的漫反射光和自样品透射面漫透射光。
如图1所示，本发明的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***，包括有：光源部分，单色仪部分2，光路部分，样品装置部分，信号测量部分，和计算机部分16；其中，用于控制与数据处理及计算的计算机部分16分别与光源部分、单色仪部分2、样品装置部分、及信号测量部分相连接；光源部分所发出的光通过单色仪部分2、光路部分射入到样品装置部分；从样品装置部分出射的光信号通过光路部分至与计算机部分16相连的信号测量部分。
所述的样品装置部分包括有用于调节入射光19进入样品8的入射角度的样品转台9及设置于其上的样品8。如图2所示，计算机16内的控制程序通过电缆27来控制样品转台9调节入射光19进入样品8的入射角，入射角的范围为0度至80度。
所述的光源部分包括有光源1和外置的光调制器4，所述的光源1包括所需的电源，冷却装置和电光源装置，调制器4可通过机械，电光或声光方式对光源输出的光束强度进行调制。其中，光源1的控制端通过电缆25与计算机部分16相连，光源1的输出光束17通过单色仪部分2、光调制器4及分光片5后作为单色入射光束19进入样品装置部分中的样品8中。
所述的光源1由连续谱的非相干广谱光源获得，其照射光波长在设定的谱域内连续分布，广谱光源1的输出光可通过单色仪2获得单色输出光束。
输出光束17可通过调制器4在0.1赫兹至100兆赫兹频率范围内调制其强度，以达到信噪比之目的。光源1输出光的强度与调制器4的调制频率可由计算机16内的控制程序通过电缆25和26控制选择。光源1输出光的强度调制的另一种实现方式为通过对电光源的输入电流进行调制。
所述的光源部分还可由多个半导体激光器作为相干光源组成，其照射光波长在设定的谱域内为分离光谱，可无需单色仪2即可直接获得单色输出光17到光路部分的第一曲面反射镜3。
所述的单色仪部分2是由内部的光束聚焦准直光路及光谱分光器件组成。所述的光谱分光器件可由光栅或棱镜或光滤波片实现。
按光路顺序而言，如图1中所示的单色仪2位于光源1与样品8之间，形成单色入射光束19，其波长可由计算机16内的控制程序通过电缆24控制单色仪2选择入射光波长。本发明的另一种光路实现方式为将单色仪2放在样品8与光电探测器7、22、23之间，对信号光进行光谱分光后按波长探测光信号。在使用多个光电探测器的情况下，后一种实现方法需要多个单色仪或机械转动装置用以切换不同的光信号，光谱仪***可能会变得更为复杂。
所述的光路部分是由一组反射镜和分光片组成，包括有：用于准直光束的位于单色仪部分2输出端的第一曲面反射镜3、位于第一曲面反射镜3反射光一侧的分光片5、以及接收样品装置部分中的样品8的准直透射光束22的反射镜11；用于聚焦的位于反射镜11的反射光一侧的第二曲面反射镜12，以及接收第二曲面反射镜12的反射光的狭缝13。
光路部分将光源输出光束耦合到样品8中并通过第二曲面反射镜12与狭缝13所形成的空间滤波装置将准直透射信号光偶合到光电探测器14中。此外分光片5与光电探测器6用来监测光源输出光束17的强度变化，还可通过光束18与样品8的入射光束19之间的固定光强度关系间接测量入射光强度。所述的入射光束19的直径可在1毫米～100毫米之间。
所述的信号测量部分包括有：接收样品8的漫反射光束21的线阵光电探测器7；位于分光片5的一侧接收镜向反射光束20用来间接测量入射光强度信号的分立光电探测器6；接收样品8的漫透射光束23用来测量漫透射光强度信号的分立光电探测器10；位于狭缝13出射光一侧用来测量准直透射光强度信号的分立光电探测器14；接收各光电探测器6、7、10、14的光信号，并进行处理后送到计算机部分16的信号处理电路15。其中，线阵光电探测器7用来测量当样品8位于如图1和图2所示的不同取向位置时的镜向反射光和漫散射光强度信号与入射光19的入射角的函数关系；分立光电探测器6用来间接测量入射光强度信号，分立光电探测器10用来测量漫透射光强度信号，分立光电探测器14用来测量准直透射光强度信号。光信号由各光电探测器变成电信号放大后通过信号电缆29、30、31和32送至构成信号处理电路15的放大器和模拟数字转换器，变为实时光学信号后通过信号电缆28送至用于控制与数据处理及计算的计算机16内的计算程序。
信号处理电路15内的放大器通常为用低噪音高精度的仪器运算放大器(如Analog Devices公司出品的AD8663)组成的电流电压转换放大电路；模拟数字转换器为用16位或更高位数的模拟数字转换集成块(如Analog Devices公司出品的AD7693)组成的模拟数字转换集成电路；线阵光电探测器7通常由2至4096(或更多)个光电探测器像素排列实现(如Hamamatsu公司出品的S8865-128)，可测量光强度的空间分布。
本发明的控制与数据处理及计算部分的功能由计算机16内的控制程序与计算程序实现。
计算机16存有光谱仪的控制程序。控制程序通过电缆25控制光源1输出光束17的强度，通过电缆24控制单色仪2和输出光束17与入射光19的波长，通过电缆26控制光调制器4和输出光束17与入射光束19的调制频率，通过电缆27控制转台9和样品盒33的方位也即入射光束19相对于样品8入射面内的入射角。
计算机16内的计算程序首先将实时光学信号作为时间的函数存入计算机内存储***，然后通过信号处理程序进行解调以提高信噪比。信号处理程序的解调过程可以通过对时间的傅立叶变换完成。解调后的镜向反射光或漫反射光强度与入射光强度之比为镜向反射率或漫反射率，准直透射光或漫透射光强度与入射光强度之比为准直透射率或漫透射率。上述信号处理程序所输出的镜向反射率，漫反射率，准直透射率和漫透射率与入射光波长的函数关系作为实测光信号光谱也即实测光信号存入计算机内存储***。计算机16内的计算程序然后根据所存储的实测光信号以及输入的样品***参数及其它参数确定样品8的全部光学参数光谱。
如图3所示，本发明的用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，包括有如下阶段：
第一阶段：获取输入并计算所设定波段内的所有波长上的实测光信号和测量误差值，同时获取并输入样品***参数；在设定波长上的实测光信号是：反射光与入射光强度之比即镜向反射率，或漫反射光强度与入射光强度之比即漫反射率，准直透射光与入射光强度之比即准直透射率，漫透射光强度与入射光强度之比即漫透射率。
第二阶段：进入计算程序中的折射率计算子程序，根据线阵光电探测器所测的镜向反射率与入射角之间的函数关系和样品盒材料的折射率，计算决定所设波段内的所有波长上的样品折射率即获得样品折射率光谱；
第三阶段：输入样品光学参数初始值和在所设波段内调整样品光学参数值进入计算程序中的光传输理论计算子程序，获得计算光信号；根据输入的样品***参数和样品光学参数中的吸收系数，散射系数和各项异性参数的初始值或设定值获得在所设定的入射光波长上的计算光信号。
第四阶段：在设定波长上，比较实测光信号与计算光信号的差别；
第五阶段：在第四阶段的比较中，当差别小于测量误差值时，输出样品全部光学参数光谱，否则，返回第三阶段。即通过反复调整样品光学参数并循回第三阶段直至计算光信号与实测光信号的差别小于测量误差值为止，并输出在所设定入射光波长上的样品光学参数值。
在上面所述的样品***参数包括有：入射光参数，样品及样品盒形状参数，光电探测器相对于样品盒的方位参数。
如图1和图2所示，计算机16内的控制软件通过电缆27控制转台9调节入射光19进入对样品盒8的的入射角，入射角的范围为0度至80度。在入射范围内的两个或更多的入射角度，通过线阵光电探测器7测量镜向反射光强度并获得镜向反射率。根据实测的镜向反射率与入射角的函数关系，调整样品折射率值与基于菲涅尔方程所获得的计算镜向反射率与入射角函数关系拟和，即可确定样品的折射率及相应的折射率光谱。
在本发明的方法中，所述的计算程序中的折射率计算子程序，包括有如下步骤：
第一步：根据样品***参数，在设定的入射光波长上的样品盒材料(通常为光学玻璃)折射率，以及实测的镜向反射率与入射角的函数曲线，设定在入射光波长上的样品折射率的初始值；
第二步：根据菲涅尔方程获得计算的镜向反射率与入射角函数曲线；
第三步：比较计算的与实测的镜向反射率与入射角曲线的差别，并通过反复调整样品折射率循回第二步直至差别小于测量误差值；即直至计算的与实测的镜向反射率与入射角曲线的差别小于事先设定值为止。
第四步：判断折射率光谱是否在所设波段内的所有波长上计算完毕，未计算完，返回第一步，计算完则输出样品折射光谱，并返回主程序。
如图4所示，上述的折射率计算子程序具体如下：
S1：输入样品***参数和样品盒材料折射率；
S2：输入实测镜向反射率与入射角的函数曲线；
S3：选择入射光波长；
S4：设定样品在所选择的入射光波长上的折射率初始值；
S5：根据菲涅尔方程计算镜向反射率与入射角函数曲线；
S7：比较计算与实测反射率与入射角函数曲线的差别，如大于设定值进入S6，否则进入S8；
S6：调整样品折射率，并进入S5；
S8：存储所选择的波长与最后确定的样品折射率；
S9：判断所存储的波长数是否等于需要测定的波长范围内的波长数，如是进入S10，否则进入S3；
S10：子程序结束并输出样品折射率光谱；
在上述的折射率计算子程序中所述的样品***参数包括有：入射光束截面的面积，方向和功率分布，样品与样品盒的形状参数，以及光电探测器相对于样品盒的方位参数等。
在本发明的方法中，所述的计算程序中的光传输理论计算子程序，包括有如下步骤：
第一步：输入样品***参数，实测光信号和样品光学参数中的吸收系数，散射系数和各项异性参数的初始设定值；输入被追踪的入射光束光子总数N0；并根据所设的样品吸收系数随机决定光子行进总路程；
第二步：判断被追踪累计光子数N是否大于1？决定光子散射角度也即行进方向，及随机决定光子行进自由路程；并追踪光子至下一散射点；
第三步：判断光子累计行进路程是否大于总路程？光子是否接触样品边界或样品盒边界？光子是否溢出样品盒？以及光子是否被探测器接受；
第四步：计算光信号；并判断累计光子数N是否大于光子总数N0；
第五步：输出计算光信号，并返回主程序。
如图5所示，上述的光传输理论计算子程序具体如下：
S1：输入代表入射光束强度的光子总数N0
S2：输入样品***参数；
S3：由光子的入射方向决定其初始行进方向；
S4：设定被追踪光子数N的起始值：N＝1；
S5：根据吸收系数随机决定光子总路程；
S7：判断被追踪光子数N是否大于1？，N大于1进入S8，否则进入S9
S8：根据散射相函数随机决定光子散射角度也即行进方向后，进入S9；
S9：根据散射系数随机决定光子自由行进路程；
S10：追踪光子至下一散射点；
S11：判断光子累计行进路程是否大于总路程？是进入S12，否则进入S13；
S12：判断光子被吸收后进入S6；
S6：将被追踪光子数N增加1后进入S5；
S13：判断光子是否接触样品边界？是进入S14，否则进入S8；
S14：根据基于菲涅尔方程计算的边界反射系数随机决定光子是否溢出样品？是进入S15，否则根据反射方向回到样品介质继续追踪后进入S8；
S15：判断是否被光电探测器接受？是进入S17，否则进入S16；
S16：判断光子逃逸后进入S6；
S17：将被该光电探测器接受的光子数增加1并计算存储相应的光信号(即为该光电探测器接受的光子数与N0的比)；
S18：判断被追踪光子数N是否大于代表入射光束的光子总数N0；是进入S19，否则进入S6；
S19：子程序结束并输出计算光信号。
在上述的光传输理论计算子程序中所述的样品***参数包括有：入射光参数，样品及样品盒形状参数，光电探测器相对于样品盒的方位参数。
下面对本发明的用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法给出进一步的说明
本发明的光谱仪***的测定方法的计算程序部分的核心为基于浑浊介质内辐射传输理论的光学信号计算方法。辐射传输理论可以表达为一辐射传输方程的微积分方程，边界条件则基于电磁波传播之边界条件的菲涅尔方程。辐射传输方程与时间无关的形式可表达如下
s·▽L(r，s)＝-(μa+μs)L(r，s)+μs∫4πp(s，s′)L(r，s′)dΩ′。
上式中s为光传播方向的单位矢量，·代表矢量点乘算符，▽代表矢量梯度算符，r为三维空间内的坐标矢量，L(r，s)为光流量(单位面积单位立体角内的光功率)，a为吸收系数，s为散射系数，p(s，s’)为散射相函数(正比于光自s’方向散射到s方向的几率)，
代表对三位空间总立体角为4的s’方向的立体角度积分。基于辐射传输方程的边界值问题通常有两种解法：数值解方法和以蒙特卡罗方法为代表的统计方法。数值解方法为将前述的辐射传输方程转化为差分方程组后根据基于菲涅尔方程的边界条件求解。蒙特卡罗方法则为根据前述的辐射传输方程所描述的光学传输过程，用许多光子代表入射光束，计算每个光子在三维空间内传输过程的行进轨道。光子的行进轨道由多个随机变量决定，而这些随机变量的分布函数分别由吸收系数，散射系数和散射相函数决定。光子在所考虑的区域边界附近的行进轨道通常根据基于菲涅尔方程计算的边界反射系数公式处理。在对所有光子(几十万或更多)的行进轨道计算完成后再进行统计分析，那些被探测光纤收集到的光子与入射光子总数之比即代表计算光信号。
当代表光的电磁波入射于两种不同介质之间的界面时会发生反射与透射光，菲涅尔方程即为基于电磁波边界条件而得到的方程，可用来根据入射角和两种介质的折射率计算光在边界的镜向反射率。对于非偏振的入射光，用来计算在光透明介质(如空气，玻璃等)与混浊介质界面上的镜向反射率Rcal(θ)的菲涅尔方程为
上式中为入射角，n0为光透明介质的折射率，nr为混浊介质折射率的实部，ni为混浊介质折射率的虚部，
图5是实现所述蒙特卡罗方法的一种逻辑流程。该方法将混浊介质等价于一包含随机分布的光吸收中心和光散射中心的介质，光吸收中心和光散射中心的浓度与混浊介质的吸收系数，散射系数分别相关，而光吸收中心和光散射中心的随机分布则通过对光子总路程与自由路程的随机分布体现。在蒙特卡罗方法计算开始之前，需要输入入射光参数如光束能量分布和入射方向及代表入射光束的光子数N0，以及代表样品的光学参数和边界几何形状参数。因为蒙特卡罗方法为统计方法，其结果会包含统计误差，所以需要进行跟踪计算的光子数N0必须足够大，才能将计算结果中的统计误差降到足够小。但N0过大会造成计算时间过长。一般情况下N0在10的4次方至10的9次方之间。
如图5所示，蒙特卡罗计算方法需要对N0个入射光子逐个进行其在样品内行进路程跟踪计算直至该光子行进结束，也即光子或被样品吸收或溢出样品(也即光子逃逸)。在对每个光子的行进路程跟踪计算开始之前，蒙特卡罗计算程序将根据由样品吸收系数决定的随机分布确定光子的总路程和根据由样品散射系数决定的随机分布确定光子的自由行进路程长度。光子跟踪计算的第一步为跟踪光子沿初始行进方向至其自由行进路程所决定的位置，假设光子在此位置被散射。在光子开始下一自由路程行进之前将对该光子是否被吸收或溢出进行测试。如上述条件之一被满足，则开始下一个光子的行进路程跟踪计算。如上述条件均未被满足，蒙特卡罗计算程序将根据样品的散射相函数(或在确定相函数形式如汉尼—格林斯坦散射相函数下根据测样的各向异性参数)决定散射角度也即下一行进自由路程的方向后，再根据由样品散射系数决定的随机分布确定光子的自由路程长度，从而开始对该光子的行进路程跟踪的反复计算直至光子行进结束。如被跟踪的光子被光电探测器(图1中的光电探测器7，10，14)接受，则将被该光电探测器接受的光子数增加1，作为与计算光信号有关的计算数据记录。当对某个光子行进路程跟踪计算结束后，蒙特卡罗计算程序比较被跟踪计算光子的累计数N，如N大于N0，蒙特卡罗计算结束，否则将N增加1后对下一个入射光子开始跟踪计算。当对N0个入射光子的跟踪计算全部完成后，所有被各个光电探测器接受的累加光子数与N0之比即作为与实测光信号相对应的计算光信号自蒙特卡罗计算程序输出。
实现图3所描述的计算确定程序，是由图4所示的折射率计算子程序，图5所示的光传输理论计算子程序以及迭代循环过程完成。折射率计算子程序所需要的输入数据为：样品***参数，样品盒材料的折射率以及实测镜向反射率与入射角的函数关系；样品***参数包括入射光束截面的面积，方向和功率分布，样品与样品盒的形状参数，以及光电探测器相对于样品盒的方位参数等。光传输理论计算子程序所需要的输入数据为：样品***参数，实测光信号，样品折射率光谱，以及样品光学参数的初始值；实测光信号包括在所有波长上的漫反射率，准直透射率和漫透射率。上述输入数据中的样品***参数以及样品光学参数的初始值由使用者通过用户界面输入，实测光信号以及样品折射率光谱则由控制与数据处理及计算部分的数据处理及计算程序提供。
根据这些输入数据，计算程序中的光输送理论计算子程序部分用蒙特卡罗方法计算代表入射光能量的光子在计算机模型中自样品出射后由光电探测器收集后获得计算光子数，其与入射光子数之比定义为与相应的实测光信号等价的计算光信号输出。而计算与实测光信号的差决定了光输送理论计算子程序是否结束或重新迭代计算。如计算与实测光信号的差小于根据实测光信号的实验误差决定的设定值，则样品光学参数初始值即为正确的测样光学参数，光输送理论计算子程序结束并与折射率合并存储，为样品全部光学参数。如计算与实测光学信号的差大于设定值，则光输送理论计算子程序进入迭代循环过程，也即反复调整测样光学参数并重新进入光输送理论计算子程序部分计算光信号直至计算与实测光学信号的差小于设定值。上述光输送理论计算子程序部分将在所设的波段内的所有波长运行，直至获得样品全部光学参数在所设的波段内的光谱时为止。
上述迭代循环过程中的样品光学参数调节过程可基于下述原理设计。首先根据实测和计算光信号中的准直透射率的差别确定衰减系数(为吸收系数与散射系数之和)的调制方向：如实测准直透射率大于计算准直透射率，则减少衰减系数，反之则增加衰减系数。其后根据实测和计算光信号中的漫透射率与漫反射率之和的差别确定吸收系数的调制方向：如实测漫透射率与漫反射率之和大于计算漫透射率与漫反射率之和，则减少吸收系数，反之则增加吸收系数。然后根据实测和计算光信号中的漫透射率与漫反射率之比的差别确定各向异性系数的调制方向：如实测漫透射率与漫反射率之比大于计算漫透射率与漫反射率之比，则增加各向异性系数，反之则减少各向异性系数。
Claims (13)
1.一种测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***，所述的全部光学参数是：吸收系数，散射系数，各向异性参数和折射率，其特征在于，***包括有：光源部分，单色仪部分(2)，光路部分，样品装置部分，信号测量部分，和计算机部分(16)；其中，用于控制与数据处理及计算的计算机部分(16)分别与光源部分、单色仪部分(2)、样品装置部分、及信号测量部分相连接；光源部分所发出的光通过单色仪部分(2)、光路部分射入到样品装置部分；从样品装置部分出射的光信号通过光路部分至与计算机部分(16)相连的信号测量部分；其中，所述的样品装置部分包括有用于调节入射光进入样品的入射角度的样品转台(9)及设置于其上的内部装有样品(8)的样品盒(33)；所述的光路部分包括有：用于准直光束的位于单色仪部分(2)输出端的第一曲面反射镜(3)、位于第一曲面反射镜(3)反射光一侧的分光片(5)、以及接收样品装置部分中的样品(8)的准直透射光束(22)的反射镜(11)；用于聚焦的位于反射镜(11)的反射光一侧的第二曲面反射镜(12)，以及接收第二曲面反射镜(12)的反射光的狭缝(13)；所述的信号测量部分包括有：接收样品(8)的漫反射光束(21)的线阵光电探测器(7)；位于分光片(5)的一侧接收镜向反射光束(20)用来间接测量入射光强度信号的第一分立光电探测器(6)；接收样品(8)的漫透射光束(23)用来测量漫透射光强度信号的第二分立光电探测器(10)；位于狭缝(13)出射光一侧用来测量准直透射光强度信号的第三分立光电探测器(14)；接收各光电探测器(6、7、10、14)的光信号，并进行处理后送到计算机部分(16)的信号处理电路(15)。
2.根据权利要求1所述的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***，其特征在于，所述的光源部分包括有光源(1)和光调制器(4)，其中，光源(1)的控制端通过电缆(25)与计算机部分(16)相连，光源(1)的输出光束(17)通过单色仪部分(2)、光调制器(4)及分光片(5)后作为单色入射光束(19)进入样品装置部分中。
3.根据权利要求2所述的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***，其特征在于，所述的光源(1)由连续谱的非相干广谱光源获得，其照射光波长在设定的谱域内连续分布。
4.根据权利要求2所述的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***，其特征在于，所述的光源部分中的光源(1)是由多个激光器作为相干光源组成，其输出光束波长为分立形式，可直接获得单色输出光(17)到光路部分。
5.根据权利要求2所述的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***，其特征在于，所述的入射光束(19)的直径在1毫米～100毫米之间。
6.根据权利要求1所述的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***，其特征在于，所述的单色仪部分(2)是由光束聚焦准直光路及光谱分光器件组成。
7.一种用于权利要求1所述的测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，其特征在于，包括有如下阶段：
第一阶段：获取并输入所设定波段内的所有波长上的实测光信号和测量误差值，同时获取并输入样品***参数；
第二阶段：进入计算程序中的折射率计算子程序，计算决定所设波段内的所有波长上的样品折射率即获得样品折射率光谱；
第三阶段：输入样品光学参数初始值和在所设波段内调整样品光学参数值进入计算程序中的光传输理论计算子程序，获得计算光信号；
第四阶段：在设定波长上，比较实测光信号与计算光信号的差别；
第五阶段：在第四阶段的比较中，当差别小于测量误差值时，输出样品全部光学参数光谱，否则，返回第三阶段。
8.根据权利要求7所述的用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，其特征在于，所述的获取并输入在设定波段内的所有波长上的实测光信号是：镜向反射光与入射光强度之比即镜向反射率，漫反射光强度与入射光强度之比即漫反射率，准直透射光与入射光强度之比即准直透射率，漫透射光强度与入射光强度之比即漫透射率。
9.根据权利要求7所述的用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，其特征在于，所述的样品***参数包括有：入射光参数，样品及样品盒形状参数，光电探测器相对于样品盒的方位参数。
10.根据权利要求7所述的用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，其特征在于，所述的计算程序中的折射率计算子程序，包括有如下步骤：
第一步：根据样品***参数，在设定的入射光波长上的样品盒材料折射率，以及实测的镜向反射率与入射角的函数曲线，设定在入射光波长上的样品折射率的初始值；
第二步：根据菲涅尔方程获得计算的镜向反射率与入射角函数曲线；
第三步：比较计算的与实测的镜向反射率与入射角曲线的差别，并通过反复调整样品折射率循回第二步直至差别小于测量误差值；
第四步：判断折射率光谱是否在所设波段内的所有波长上计算完毕，未计算完，返回第一步，计算完则输出样品折射率光谱，并返回主程序。
11.根据权利要求10所述的用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，其特征在于，所述的样品***参数包括有：入射光束截面的面积，方向和功率分布，样品与样品盒的形状参数，以及光电探测器相对于样品盒的方位参数。
12.根据权利要求7所述的用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，其特征在于，所述的计算程序中的光传输理论计算子程序，有如下步骤：
S1：输入代表入射光束强度的光子总数N0；
S2：输入样品***参数；
S3：由光子的入射方向决定其初始行进方向；
S4：设定被追踪光子数N的起始值：N＝1；
S5：根据吸收系数随机决定光子总路程；
S7：判断被追踪光子数N是否大于1？，N大于1进入S8，否则进入S9；
S8：根据散射相函数随机决定光子散射角度也即行进方向后，进入S9；
S9：根据散射系数随机决定光子自由行进路程；
S10：追踪光子至下一散射点；
S11：判断光子累计行进路程是否大于总路程？是进入S12，否则进入S13；
S12：判断光子被吸收后进入S6；
S6：将被追踪光子数N增加1后进入S5；
S13：判断光子是否接触样品边界？是进入S14，否则进入S8；
S14：根据基于菲涅尔方程计算的边界反射系数随机决定光子是否溢出样品？是进入S15，否则根据反射方向回到样品介质继续追踪后进入S8；
S15：判断是否被光电探测器接受？是进入S17，否则进入S16；
S16：判断光子逃逸后进入S6；
S17：将被该光电探测器接受的光子数增加1并计算存储相应的光信号，即为该光电探测器接受的光子数与N0的比；
S18：判断被追踪光子数N是否大于代表入射光束的光子总数N0；是进入S19，否则进入S6；
S19：子程序结束并输出计算光信号，返回主程序。
13.根据权利要求12所述的用于测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪***的方法，其特征在于，所述的样品***参数包括有：入射光参数，样品及样品盒形状参数，光电探测器相对于样品盒的方位参数。
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