CN102680104A - 基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪 - Google Patents

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翟微微
张佳全
林晓珑
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本发明涉及一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，属于色度仪器研制领域。主要包括标准光源、传输光纤、阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块、信号处理模块和显示屏。标准光源的光耦合至Y形光纤入射端，并由Y形光纤探头出射，照射至待测物体表面；光线经待测物体表面反射后由Y形光纤探头传输至Y形光纤出射端，出射端与阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块相连；阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块采集到Y形光纤出射端输入光线的干涉光强后，将其干涉信号输入至信号处理模块；信号处理模块对采集的信号进行傅里叶变换处理后，获得待测物体的表面色度并显示于显示屏上。这种色度仪器具有测量精度高，体积小和测量方便等优点。

Description

基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪
技术领域
本发明属于色度仪器研制领域，涉及一种基于光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot，)微型腔的新型结构的色度仪器。这种色度仪器具有测量精度高，体积小和测量方便等优点。
背景技术
色度仪在生活和生产中有着极其重要的意义，为了适应不同测量对象的色度测量特殊要求，目前研究出了各式各样的色度仪器。但是总体来说，目前的色度仪器主要分为两类：
一类是基于光谱的分光光度法色度测量仪器。在标准照明下，这种仪器利用分光装置获取被测物的反射或透射光谱，测量光谱数据，计算出物体的颜色。分光测色仪是颜色测量最基本的仪器，这种测色仪器按照分光的原理不同，分为光栅分光和棱镜色散分光两类。这种仪器测量精度高，但是由于存在着分光装置，体积较大，使用不方便。
另一类是利用三刺激值滤光片匹配测量。这种仪器的原理是：利用三种滤光片和光探测器匹配，使光电接受器光谱灵敏度与标准观察者三刺激值一致，并利用积分效应，通过一次测量就可获得反射光颜色的三刺激值。目前，市场上绝大多是手持式色度计都是基于这种原理制作的。
比较而言，光谱分光光度法具有更高的测色精度，容易与计算机联机实现高度自动化，但是其结构比较复杂。三刺激值测色法相对来说结构比较简单，可以使得色度仪小型便携化，但是其检测精度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，其能够综合上述两种测色方法的优点，一方面采用光谱的分光光度法，具有高测量精度，另一方面又具有和三刺激值色度仪类似的小型便捷化的特点。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
本发明主要组成结构参阅图1所示，主要包括标准光源(5)、由Y形光纤探头(2)、Y形光纤入射端(3)和Y形光纤出射端(4)组成的传输光纤、阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)、信号处理模块(7)和显示屏(8)五个部分组成。
法布里-珀罗傅里叶光谱仪基本原理参阅图2所示，光源(9)发出的光经透镜I(10)后，成近似平行光入射至由反射镜I(11)和反射镜II(12)组成的法布里-罗布腔，经多光束干涉后其光强经透镜II(13)会聚后被光电接收器(14)接收。如果以一定的间隔改变由反射镜I(11)和反射镜II(12)组成的法布里-罗布腔的间距，则光电接收器(14)将接收到一系列变化的光强，将接收的一系列光强经傅里叶变换后将可以获得光源(9)的傅里叶光谱。
根据图1所示，本发明借鉴法布里-珀罗傅里叶光谱仪的原理，不同的是舍弃了活动部件，利用阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)，将动态采集的过程变为静态采集过程，提高稳定性和采集速度。标准光源(5)的光耦合至Y形光纤入射端(3)，并由Y形光纤探头(2)出射，照射至待测物体(1)表面；光线经待测物体(1)表面反射后由Y形光纤探头(2)传输至Y形光纤出射端(4)，Y形光纤出射端(4)和阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)相连；阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)采集到Y形光纤出射端(4)输入光线的干涉光强后，将其干涉信号输入至信号处理模块(7)；信号处理模块(7)对采集的信号进行傅里叶变换处理后，获得待测物体(1)的表面色度并显示于显示屏(8)上。
阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块6是本发明的核心结构，其具体结构参阅图3所示。Y形光纤出射端(4)中包含多束入射光纤(15)，入射光纤(15)和出射光纤(16)都固定在固定基底(19)上的V型槽(18)上，并且这样的相对应入射光纤(15)和出射光纤(16)有多组，其具体的组数决定于测量的精度，一般来说，其组数等于最大光程差除以采样间隔，组数越多测量精度越高。每一组入射光纤(15)端面和出射光纤(16)端面组成了一个腔长固定的微型光纤法布里-珀罗腔。本发明所述的每一组入射光纤(15)和出射光纤(16)间的间距是不同的，也就是每一个微型光纤法布里-珀罗腔的腔长以一定间隔长度逐步递增变化，由采用定律可知，其间隔长度应该小于等于最大测量范围的一半。由于色度仪器是在可见光范围内的测试，所以最大测量范围一般取400nm。线阵CCD(17)的每个像元正好和一个出射光纤(16)对应，这样保证线阵CCD(17)能够采集到每一组经过由入射光纤(15)和出射光纤(16)形成的法布里-罗布腔干涉后的光强。
考虑到光在光纤中的传输特性，本发明所述的入射光纤(15)和出射光纤(16)都选用单模光纤。为了提高入射光纤(15)端面和出射光纤(16)端面组成的法布里-珀罗腔的性能，入射光纤(15)端面镀铝膜，出射光纤(16)端面镀银膜。所选用线阵CCD(17)的光谱响应范围应该覆盖可见光范围，并且在这一范围内有较高的响应特性。
本发明所述的固定基底(19)采用硅材料，其结构参阅图4所示，采用刻蚀的方法在固定基底表面刻蚀出V型槽(18)，V型槽(18)的尺寸结构正好和入射光纤(15)、出射光纤(16)的外径匹配。由于入射光纤(15)、出射光纤(16)的外径尺寸很小，固定基底(19)的尺寸也将很小，使得阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)也具有较小的尺寸，方便了仪器的小型化。
本发明所述的信号处理模块(7)主要作用是完成干涉光强获取、干涉光强的傅里叶变换和色度信息的计算。信号处理模块(7)主要分为两个部分，其一是光强信号采集部分，主要是线阵CCD(17)的驱动电路；其二是信号处理电路，其核心采用DSP微处理芯片来完成复杂的数学计算，将计算的色度信息显示于显示屏(8)。
本发明的有益效果：提出了一种新的基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，这种色度仪具有精度高，检测速度快，小型便携化和测量方便等优点。
附图说明
图1基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪整体构成示意图。
图2法布里-珀罗傅里叶光谱仪原理图。
图3基于光纤法布里-珀罗微型腔干涉采集模块的结构图。
图4固定基底结构示意图。
图5基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪整体封装图。
图6基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪内部结构示意图。
1-待测物体2-Y形光纤探头3-Y形光纤入射端4-Y形光纤出射端5-标准光源6-阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块7-信号处理模块8-显示屏9-光源10-透镜I11-反射镜I 12-反射镜II 13-透镜II 14-光电接收器15-入射光纤16-出射光纤17-线阵CCD  18-V型槽19-固定基底20-上壳体21-下壳体22-固定胶
具体实施方式
为了完成以上的发明内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步的描述。
图5所述为基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪整体封装图，显示屏(8)固定在上壳体(20)上，Y形光纤探头(2)伸出下壳体(21)之外，下壳体(21)和上壳体(20)固定在一起，其他结构都包含在下壳体(21)内部。
下壳体(21)内部结构参阅图6所示，Y形光纤探头(2)穿过下壳体(21)后，用固定胶(22)固定，防止在测量中外力拉扯Y形光纤探头(2)造成内部结构受损。Y形光纤入射端(3)和标准光源(5)相耦合，Y形光纤出射端(4)和阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)相连，阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)结构如图2所示，其主要包括入射光纤(15)，出射光纤(16)、固定基底(19)和线阵CCD(17)。Y形光纤出射端(4)中的多根入射光纤(15)和阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)连接。阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)固定在下壳体(21)上，并且与固定在下壳体(21)上的信号处理模块(7)相连。在工作时，阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)中采集的光强信号输出至信号处理模块(7)。信号处理模块(7)对采集的光强信号进行傅里叶变换，得到采集的傅里叶光谱，接着获取色度信息。最后，信号处理模块(7)将计算获得的色度信息输出至显示屏(8)。

Claims (7)

1.一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，主要包括标准光源(5)、传输光纤、阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)、信号处理模块(7)和显示屏(8)，其特征在于：
所述传输光纤由Y形光纤探头(2)、Y形光纤入射端(3)和Y形光纤出射端(4)组成，所述标准光源(5)的光耦合至Y形光纤入射端(3)，并由Y形光纤探头(2)出射，照射至待测物体(1)表面；光线经待测物体(1)表面反射后由Y形光纤探头(2)传输至Y形光纤出射端(4)，Y形光纤出射端(4)与阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)相连；阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)采集到Y形光纤出射端(4)输入光线的干涉光强后，将其干涉信号输入至信号处理模块(7)；信号处理模块(7)对采集的信号进行傅里叶变换处理后，获得待测物体(1)的表面色度并显示于显示屏(8)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，其特征在于：
所述阵列式法布里-珀罗微型腔干涉采集模块(6)由多组入射光纤(15)、出射光纤(16)和线阵CCD(17)组成，所述入射光纤(15)与出射光纤(16)相对应固定在固定基底(19)上的V型槽(18)上，每一组入射光纤(15)端面和出射光纤(16)端面组成了一个腔长固定的微型光纤法布里-珀罗腔，所述线阵CCD(17)的每个像元与一个出射光纤(16)对应。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，其特征在于：
所述每一组入射光纤(15)和出射光纤(16)之间的间隔长度不同，构成腔长逐步递增变化的微型光纤法布里-珀罗腔，所述线阵CCD(17)能够采集到每一组经过由入射光纤(15)和出射光纤(16)形成的法布里-罗布腔干涉后的光强。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，其特征在于：所述每一组入射光纤(15)和出射光纤(16)之间的间隔长度小于等于最大测量范围的一半，其中最大测量范围通常取400nm。
5.根据权利要求2所述的一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，其特征在于：
所述的入射光纤(15)和出射光纤(16)选用单模光纤，入射光纤(15)端面镀铝膜，出射光纤(16)端面镀银膜，以提高入射光纤(15)端面和出射光纤(16)端面组成的法布里-珀罗腔的性能，所选用线阵CCD(17)的光谱响应范围覆盖可见光范围，并且在这一范围内有较高的响应特性。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，其特征在于：
所述的固定基底(19)采用硅材料，其结构采用刻蚀方法在固定基底表面刻蚀出V型槽(18)，V型槽(18)的尺寸结构与入射光纤(15)、出射光纤(16)的外径匹配。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤法布里-珀罗微型腔的色度仪，其特征在于：
所述的信号处理模块(7)用于完成干涉光强获取、干涉光强的傅里叶变换和色度信息的计算，主要由光强信号采集部分和信号处理电路组成，所述光强信号采集部分主要为线阵CCD(9)的驱动电路，所述信号处理电路采用DSP微处理芯片来完成复杂的数学计算，将计算的色度信息显示于显示屏(8)。
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