CN104154994B - 一种模块化设计的多功能光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种模块化设计的多功能光谱仪，其包括主机和光学附件，光学附件与主机是分立的且可拆除地连接至所述主机；其中所述主机包括光谱仪和电子系统；所述光学附件包括光学接收器和存储器；光学附件的光学接收器通过光路连接至所述光谱仪主机的光谱仪；光学附件的存储器连接至所述光谱仪主机的电子系统，以便主机读取光学附件的存储器的数据。本发明的模块化设计的多功能光谱仪，将光谱仪和功能性附件分离式设计，主机与不同的功能性附件相组合，即可实现不同的测量功能，实现多功能性，同时，由于光谱仪和功能性附件分别进行了校准，因此，附件和主机具有标准化性，功能具有灵活的扩展性。

Description

一种模块化设计的多功能光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪，尤其涉及功能可扩展的光谱仪。

背景技术

光谱仪是用来测量光谱成分的仪器。传统意义上的光谱仪，一般由单色仪和探测器组成。其中单色仪由分光元件(棱镜或者光栅)和光路系统组成，光路系统包括了入射和出射狭缝、成像光学元件等。当探测器为CCD探测器时，单色仪系统可以没有出射狭缝。图1为光谱仪的结构示意图。

利用光谱仪可以对光谱进行分析和测量，人们也研制出了用于不同波长范围的光谱仪。同时，为了满足不同的光谱测量需要，在光谱仪前端增加特定的光学结构。比如光谱辐射亮度计、光谱辐射照度计、紫外可见光谱分析系统、照明光源测量系统等等，这些光学结构或是与光谱仪设计为一个整体，或是与光谱仪分离式设计，中间通过光纤等光路连接器件进行连接。

利用光谱仪，人们设计发明了不同的光辐射测量仪器，以满足不同功能的测量需要。如图2为一种成像式彩色光谱亮度计的结构示意图。图3为利用光谱仪和积分球，用以测量各种光源光色参数的装置。还有其他一些利用光谱仪设计发明的用以不同光辐射测量功能的仪器，不再一一举例。

这些不同功能的测量仪器，不管是光学结构与光谱仪设计为一体，还是光学结构与光谱仪分离设计通过光路连接器连接到光谱仪，一旦其设计制造出来以后，功能就已经被限定于某一种或某一类参数的测量，功能也不再会通过改变一些附件而得到扩充或改变。

这些仪器的测量功能可以通过数学形式表示：

Φ(λ)·M(λ)＝S(λ)(1)

其中Ф(λ)为测量的光谱信号，M(λ)为测量仪器的光谱响应函数，S(λ)为光谱仪的响应信号。通过一定的校准方法可以得到，则由S(λ)可以得到被测量的光谱：

Φ(λ)＝S(λ)/M(λ)(2)

为了测量不同的参数，需要购置不同的光谱仪，费用昂贵且需要很多空间放置，造成极大的浪费。

发明内容

鉴于上述的问题，本发明旨在提出一种模块化设计的多功能光谱仪，其通过可替换模块，扩展光谱仪的功能，使得一台光谱仪可以测量多种光学参数。

本发明的模块化设计的多功能光谱仪，其包括主机和光学附件，光学附件与主机是分立的且可拆除地连接至所述主机；其中所述主机包括光谱仪和电子系统；所述光学附件包括光学接收器和存储器；光学附件的光学接收器通过光路连接至所述光谱仪主机的光谱仪；光学附件的存储器连接至所述光谱仪主机的电子系统，以便主机读取光学附件的存储器的数据。

优选地，所述电子系统根据Ф(λ)＝S(λ)/(M(λ)·N(λ))计算被测量的光谱；

其中，Ф(λ)为被测量的光谱，S(λ)为光谱仪的响应信号，M(λ)为光谱仪的光谱响应函数，N(λ)为光学附件的光谱响应函数。

优选地，光学附件的存储器的数据包括类型数据和校准数据。

优选地，所述光学附件的光谱响应函数来自于光学附件的存储器中的校准数据。

优选地，所述光谱仪的光谱响应函数为电子系统内部存储的参数。

优选地，所述电子系统根据所述光学附件的存储器中的类型数据识别光学附件的功能，相应地对Ф(λ)进行处理，得到与所述光学附件的功能相应的处理结果。

优选地，所述光学附件是积分球、带余弦修正的光学接收器、或成像式亮度计。

本发明的模块化设计的多功能光谱仪，由于光谱仪和功能性的光学附件分离式设计，光谱仪和功能性的光学附件通过标准的光学接口进行光学连接，光谱仪和功能性的光学附件可分别进行光学参数的校准，其校准数据分别存储于各自的存储芯片，功能性的光学附件的存储芯片里还保存有附件类型等数据，光谱仪作为主机和功能性的光学附件通过标准的数据接口连接，当光谱仪和功能性附件连接后，主机会自动读取功能性附件存储芯片里的类型和校准数据，重新对整机进行校准并根据类型数据对测量数据进行数据处理，这样就可以自动组合成一个特定测量功能的仪器。光谱仪主机和不同的功能性附件相组合，即可实现不同的测量功能，实现多功能性，同时，由于光谱仪和功能性附件分别进行了校准，因此，附件和光谱仪主机具有标准化性，功能具有灵活的扩充性。

附图说明

图1是现有技术的光谱仪的结构示意图；

图2是现有的成像式彩色光谱亮度计的结构示意图；

图3是现有的光源光色参数测量装置的示意图；

图4是本发明的模块化设计的多功能光谱仪的系统结构示意图；

图5是本发明的模块化设计的多功能光谱仪的主机的电子系统的功能结构示意图；

图6是本发明的模块化设计的多功能光谱仪的一个实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图4所示，本发明的模块化设计的多功能光谱仪主要包括主机10和光学附件20。主机10包括光谱仪和电子系统，光学附件20包括光学接收器和存储器。光学附件20与主机10是分立的且可拆除地连接至主机10。

如图5所示，电子系统包括输入控制部，用于从输入装置接收输入指令；光谱仪信号测量部，用于从CCD读取电信号；光学附件通信部，用于与光学附件进行通信，读取光学附件的存储器中的数据；数据处理部，用于进行数据处理和计算；显示部，用于显示处理结果以及进行人机交互；通信部，用于与外部设备进行通信。光谱仪主机的电子系统，其功能主要为输入控制、光谱仪信号的测量、与光学附件的数据通信、数据处理、结果显示以及与其它电子设备的通信(比如电脑)。

光学附件20与主机10的光谱仪通过标准的光学接口进行光学连接，比如采用标准的SMA光纤接口(但不限于光纤接口)，同时光学附件与主机还通过标准的数据接口(即光学附件通信部)进行连接，以便主机可以通过数据接口读取光学附件存储器里面的数据，数据包括类型数据、校准数据以及一些其他信息数据，主机读取这些数据后，可以自动识别光学附件的功能类型，从而确定多功能光谱仪的测量功能。

假设Ф(λ)为测量的光辐射信号，N(λ)为光学附件的光谱响应函数，M(λ)为光谱仪的光谱响应函数，S(λ)为光谱仪的响应信号。通过一定的校准方法可以预先得到N(λ)、M(λ)，则由S(λ)可以得到被测量的光谱：

Ф(λ)·M(λ)·N(λ)＝S(λ)(3)

则有Ф(λ)＝S(λ)/(M(λ)·N(λ))(4)

在这里，光谱仪的校准数据M(λ)存储于主机的存储芯片里，光学附件的光谱响应校准数据N(λ)存储于光学附件的存储芯片里。

如图6所示为本发明的模块化设计的多功能光谱仪的一个具体实例。

光谱仪为具有标准SMA光纤接口的微型光谱仪，探测器为CCD，电子系统采用以ARM芯片为主要处理芯片的嵌入式系统。光学附件为一个具有余弦修正器的光纤光学接收器。光学附件的存储器的芯片采用AT24C08，光学附件的光谱校准数据N(λ)以及类型数据和其他信息数据存储在存储芯片里。

光学接收器接收到待测量的光信号后，通过标准光纤接口由光纤将光信号传输到CCD微型光谱仪。CCD微型光谱仪中的分光元件将光信号分光为单色光信号后照射到CCD探测器表面，CCD探测器将光信号转换为电信号S(λ)，电子系统通过光谱仪信号测量部读取电信号S(λ)，以对电信号S(λ)进行相应处理。

在仪器上电时，主机的电子系统通过标准的数据接口(例如，I2C接口)与光学附件里的存储芯片进行通信，读取存储芯片里的附件类型数据，用以确定光谱仪的功能，读取光学附件的校准数据N(λ)，以便同光谱仪信号S(λ)以及光谱仪校准数据M(λ)进行运算得到Ф(λ)，然后根据类型数据对Ф(λ)进行相应处理，得到最终的结果。此处，对Ф(λ)的处理方法是本领域技术人员所熟知的技术内容(如亮度、色度的计算)，这里不再赘述。M(λ)存储于主机中电子系统的相应的存储单元中。在本实例中，由主机和光学附件组合成的仪器，可以用来测量光照度、光谱辐射照度、色度、色坐标等参数。

在进行其他功能的光谱测量时，只需要将相应的光学附件连接到主机即可。

本发明的模块化设计的多功能光谱仪，将光谱仪和功能性附件分离式设计，主机与不同的功能性附件相组合，即可实现不同的测量功能，实现多功能性，同时，由于光谱仪和功能性附件分别进行了校准，因此，附件和主机具有标准化性，功能具有灵活的扩展性。

Claims (2)

1.一种模块化设计的多功能光谱仪，其包括主机和光学附件，光学附件与主机是分立的且可拆除地连接至所述主机；其中所述主机包括光谱仪和电子系统；所述光学附件包括光学接收器和存储器；光学附件的光学接收器通过光路连接至所述主机的光谱仪；光学附件的存储器连接至所述主机的电子系统，以便主机读取光学附件的存储器的数据；

所述电子系统根据Ф(λ)＝S(λ)/(M(λ)·N(λ))计算被测量的光谱；

其中，Ф(λ)为被测量的光谱，S(λ)为光谱仪的响应信号，M(λ)为光谱仪的光谱响应函数，N(λ)为光学附件的光谱响应函数；

光学附件的存储器的数据包括类型数据和校准数据；

所述光学附件的光谱响应函数来自于光学附件的存储器中的校准数据；

所述光谱仪的光谱响应函数为电子系统内部存储的数据；

所述电子系统根据所述光学附件的存储器中的类型数据识别光学附件的功能，相应地对Ф(λ)进行处理，得到与所述光学附件的功能相应的处理结果。

2.如权利要求1所述的多功能光谱仪，其特征在于：所述光学附件是积分球、带余弦修正的光学接收器、或成像式亮度计。