[发明专利]一种利用荧光传感器探测激发光谱特征的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光辐射测量领域，涉及一种对激发光谱特征识别的方法，该方法主要用于探测自紫外线波长200nm至可见蓝绿光波长515nm范围的光谱特征，以区分来自不同波段的光谱和光谱峰值及带宽，并且测量其强度。

背景技术

光辐射实际是物体以电磁波的形式与外界能量交换的方式，辐射的光谱特征与物体的内在特征有密切的关系，例如几乎所有材料都有自身的特征光谱，所有物体的内在结构差异都能在辐射或吸收光谱上得到体现，不管有机或无机材料，因此光谱测量技术几乎在所有领域都找到自己的应用。这里重点涉及紫外到可见光的探测技术探索，而光栅分光方法是现有技术公认的最精确的测量方法，光栅分光方法从19世纪中叶发展到20世纪中叶得到完善，日趋成熟。传统光栅分光器件组成的光路较为复杂，通常体积偏大(焦距通常在300-500mm)，重量较重(30KG左右)，价格昂贵(4-30万人民币)。近30年来，随着CCD线阵发展，开始开发焦距为50-100mm的掌上光谱仪，光路构架与传统本质上无异，以CCD线阵为接收器，去除传统机械扫描部分，重量降到了500g左右，低端以CMOS线阵为接收器的产品价格有所下降，高端的依然很贵，性能上在众多领域和场合也满足了要求(尽管无法达到传统方法的精度)。还有一种技术：光电积分技术。例如各种波段的照度计(UVC,UVB,UVA,可见光)、亮度计和色差计(通常采用RGB积分方法)，这些装置没有分光光栅，而是用滤光片+光电接收器的结构，无法测量光谱分布，但可以测量通过滤光片的光谱在接收器上响应的积分总量，分量轻体积小，便于携带，在只需要测量某波段光谱能量总和而不需要测量光谱能量分布的场合都可以胜任测量工作。精度受带通滤光片的光谱透过率和接收器光谱响应曲线的影响，两者匹配精度越好，测量精度越高，但无论如何都无法区分透过滤光片部分光谱的能量分布。色差计最典型的是模拟人眼视觉的XYZ(RGB)曲线的3组(滤光片+光电接收器)，实际采用3个不同照度计构成色差计系统，由于滤光片与光电接收器的匹配精度问题(一般>5％)，不能满足大多数光源颜色坐标的精确测量，尽管如此，却可以区分两种颜色之间的差异。因为结构简单，性能稳定，使用方便，照度计和色差计的应用非常广泛。

本发明采用一种新的光学结构，类似于照度计或色差计，只是在滤光片和光电接收器之间插入一层荧光材料层，即(滤光片+荧光材料层+光电接收器)，光电接收器为色彩传感器-RGB传感器，而实际上，每个RGB传感器都是一个色差计。而关键的中间层-荧光材料，已有近 70年的发展历史，品种多达一百多种，最常见的是荧光灯、高压汞灯的荧光材料，俗称荧光粉，也有UVC，UVB和UVA为激发源的各种荧光材料，在显示领域CRT荧光材料也有非常多不同性能的荧光粉，至今30多年来，节能灯(属UVC荧光材料)和LED(蓝光400-500nm激发荧光材料)的发展也取得长足进步。这些非常普遍的荧光材料不仅有自己非常不同的发射光谱，也有自己不同的激发光谱(很少被关注)，本发明正是研究荧光材料在激发光谱上的变化，带来发射光谱上的差异，选择合适的滤光片，配合RGB传感器，通过探测发射谱的RGB积分能量值的分布关系，结合数据库标定可计算激发光谱分布特征和强度，结果比较精确可靠。通过多个这样部件的组合，形成对广范围波长的激发光谱探测，由于几乎可以封装成非常小而且牢固的器件(体积可以控制在10x10x10mm³以内)，能够方便和智能设备、网络设备连接，可配置成分布式应用，配合不同荧光材料和滤光片组合就形成可探测不同光谱波段的传感模块。以下简称为荧光传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的探测激发光谱特征的方法和运用该方法设计的新型光色传感器装置，从而更简单、更低成本将传统的各种照度计、亮度计、色差计等(滤光片+光电传感器)积分式的仪表的测量能力向分光仪器功能延伸，通过数据库及其算法匹配，使其具备一定范围内的分光能力，具备类似光栅分光仪器的功能，使其能够分辨透过滤光片的光色的光谱成分。