[發明專利]基于智能手機的便攜式光譜儀及其光譜檢測方法

在審

• 申請號: 201710272074.4
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107084790A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 丁暉;陳宸;韓春陽;祁勝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于光譜分析領域，具體涉及一種基于智能手機的便攜式光譜儀及其光譜檢測方法。

背景技術

光譜儀是進行光譜學研究和物質光譜分析的儀器。通過對光譜的測量，完成光成分分析、材料光學屬性測量以及物質成分鑒定，是一種基本的光學檢測儀器。傳統光譜儀由于體積龐大、造價昂貴，通常只用于實驗室研究。近些年來，由于生物醫學、科技農業、環境檢測、軍事分析以及健康監測等領域的發展，要求光譜分析儀器具有輕量化、小型化、便攜化等特點，自2005年，美國海洋光學、荷蘭愛萬提斯以及中國復享光學等均開始研發便攜式微型光譜儀。

目前，便攜式光譜儀普遍價格較高，市場售價幾千至幾萬不等，這是由于便攜式光譜儀普遍采用專門的CMOS或CCD傳感器探測光譜信號，如2013年孫小小研制的基于CMOS的光譜儀(孫小小,黃梅珍,汪洋.面陣CMOS光纖光譜儀研制[J].光子學報,2013,(01):74-78)，由于高性能的CCD或CMOS的價格昂貴，造成系統成本較高。便攜式光譜儀的工作方式可分為兩類：一類是基于上位機(電腦)進行控制，一類是基于下位機獨立工作。基于上位機控制的便攜式光譜儀需要與電腦連接使用，通過電腦進行光譜采集控制、數據處理以及光譜顯示，使用方法復雜，攜帶不便；基于下位機控制的光譜儀，是在光譜儀內部嵌入微處理系統，完成控制、計算、顯示等功能，如北京工業大學徐喆等人提出的便攜式光譜儀，(一種便攜式光譜儀，CN201666817U，2010.12.08)該光譜儀內部集成了微處理器、光學系統、光電探測器、ADC模數轉換器、液晶顯示、USB模塊等，獨立完成光譜采集、光譜顯示，但是該系統較為復雜，導致了光譜儀系統體積增加，成本升高，并且，該類光譜儀通常需要單獨電源供電，在野外或其他無電力供應的工作現場使用不方便。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的問題，提供一種基于智能手機的便攜式光譜儀及其光譜檢測方法，該光譜儀成本低廉、體積較小，使用攜帶方便，能夠在工作現場采用普通的智能手機實時地對物質進行光譜分析。

為了達到上述目的，本發明光譜儀采用如下技術方案：

包括智能手機以及裝配在智能手機攝像頭上的光譜儀外設模塊；光譜儀外設模塊包括用于收集待測光信號的傳導光纖、用于對待測光信號進行準直整形得到平行光的光學準直系統，以及用于對平行光進行色散分光形成波長依次排列的色散條紋的光學色散系統，光學色散系統位于智能手機攝像頭的前方；智能手機攝像頭用于對色散條紋進行拍攝得到彩色條紋圖片，智能手機攝像頭連接用于根據彩色條紋圖片繪制光譜曲線的數據處理模塊，數據處理模塊連接顯示模塊。

進一步地，光學準直系統包括用于將信號光束準直為平行光的準直透鏡，以及用于平行光透過并對平行光進行整形的入射狹縫。

進一步地，準直透鏡的焦距為10mm～100mm；入射狹縫的寬度為5um～2mm。

進一步地，光學色散系統采用平面衍射光柵；入射狹縫的狹縫方向與平面衍射光柵的刻線方向平行。

進一步地，平面衍射光柵和智能手機攝像頭之間有夾角距離l，

其中，θ為平面衍射光柵衍射角，i為平面衍射光柵入射角，d為平面衍射光柵(3)的光柵常數；λ_c為中心波長；

其中，D為智能手機攝像頭(4)的有效收光孔徑，Δθ為平面衍射光柵(3)的衍射角范圍。

進一步地，平面衍射光柵的光柵常數為600刻線/mm，平面衍射光柵入射角i為0～45度。

進一步地，顯示模塊采用手機顯示屏。

本發明檢測方法的技術方案是：包括以下步驟：

(1)收集待測光信號；

(2)對待測光信號進行準直整形和色散分光，形成按波長依次排列的色散條紋；

(3)通過智能手機對步驟(2)得到的色散條紋進行拍攝，形成按波長依次排列的彩色條紋圖片；

(4)獲取步驟(3)得到的彩色條紋圖片每個像素位置點的RGB值，并計算每個像素位置點對應的光強值I，得到數組I(x)，其中x為圖片像素位置點坐標；

(5)根據波長-像素位置標定數據λ(x)，將數組I(x)中的x以對應的λ替換，得到波長與光強的對應關系I(λ)，繪制數據I(λ)對應的光譜曲線，完成基于智能手機的便攜式光譜儀的光譜檢測。

進一步地，步驟(4)中光強值I的計算公式如下：

I＝Max(R,G,B)。

進一步地，步驟(5)中波長-像素位置標定數據λ(x)的標定步驟如下：