CN107870149B - 一种测量的光谱的方法和装置及其用途 - Google Patents

Abstract

一种测量光谱的方法：使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱。该方法可以用于平面状样本的光谱检测和颜色测量，其优势在于可以用于现场检测，不需要采集样本，可以一次性检测所有波长的散射光强，光谱分辨率可以精确到1nm。基于该方法的光谱仪便于做到小型化，并可以借助手机等智能硬件的图像传感器实现检测。该方法还可以用于吸收光谱的测量，并应用于光谱分析和即时检测。

Description

一种测量的光谱的方法和装置及其用途

技术领域

本发明属于光谱测量、光谱分析领域，涉及光谱仪器的制造及检测应用。

背景技术

光谱的测量在物质分析中发挥着非常重要的作用。传统的光谱测量设备，包括用于测量吸收光谱、反射光谱、荧光光谱或拉曼光谱的许多数仪器装置，它们的测量方法大多是：先收集样本的反射、透射或散射光信号，再进行色散，然后用探测器探测各个频率的光强（参考专利：CN201310401610.8，CN200410051216.7，CN201380019174.6，CN201410113837.7，CN201280018232.9）。为了获得较高的灵敏度，这种方法需要对对样本发出的光进行有效的收集。例如通过使用大口径的透镜对光进行聚焦可以增加光通量，然而这种方法增加了仪器的体积，往往用于大型光谱仪中。

在小型化的光谱仪中，需要使用狭缝限制光束的直径，以获得较高的光谱分辨率。狭缝宽度一般在几十到几百微米之间。然而，狭缝越窄，透过的光越少，检测信号越弱，导致灵敏度的下降。此外，现有光谱仪使用的线阵CCD的长度和像元数量有限，为了增加光谱分辨率，需要增加光栅与探测器之间的距离，并增加CCD的长度，这些方案与仪器的小型化背道而驰。

除了色散型光谱仪之外，傅立叶光谱仪通过干涉的原理来检测光谱，这种方法不需要狭缝，具有较高的光通量，然而环境振动对仪器干扰显著，不利于户外即时检测。

综上所述，现有的光谱仪很难同时做到成本低、体积小、精度高、性能稳定。

发明内容

为了使光谱仪更加廉价、小型化，本发明公开一种光谱测量方法，基于这种方法的光谱测量设备可以用于平面状样本的反射、透射或散射光谱的测量。

平面状样本是指样本为平面状，或者具有平面结构，例如：平板、平铺的薄膜、纸张、布料、微粒或液体、具有平面的立方体等。本专利中，用“样本平面”代指上述各种平面状样本的平面。

本发明公开的样本平面的光谱测量方法如下：

使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；

使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；

用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱。

该方法测量光谱的原理如下：由于不同波长的光照射在样本平面的不同区域，并且这些区域在图像传感器中被不同的像元所探测，即单个像元探测的是单一波长的光强；因而在照片中，像素点的灰度值即反映了某个波长的光强，也就是照片上不同区域的亮度即反映了该样本对不同波长光的散射强度。

以光强对频率或波长作图，即得到一种光谱图，本专利中，定义这种光谱为绝对光谱。

如果忽略样本的荧光、拉曼散射和非线性光学效应，同一样本区域上，散射光强度近似正比于入射光的强度。在实际的测量中，用的激发光较弱，因而非线性光学效应可以忽略，此外拉曼散射相对于弹性散射非常弱，因而也可以忽略。因而这个方法适用于非荧光的样本的光谱测量。

当照射在样本平面上各波长的光强大致相等，且探测器检测不同波长光子的灵敏度一致时，上述测得的绝对光谱即可以代表样本的光谱性质。

然而许多光源中，各个波长的光强权重并不相等，甚至存在较大的差异；又或者光源的光经过色散元件色散之后，使各个波长的光强权重并不相等，而且探测器检测不同波长光子的量子产率并不相同。这些因素都导致上述测得的绝对光谱不能准确反映样本自身的光谱性质。

为此，需要对绝对光谱进行校正，校正方法为：

在前面方法的基础上，在相同的条件下对标准样本进行拍照，测量其散射信号，

以得到的标准样本的光谱代表各个波长光强的相对权重，再将样本的光谱中各个波长下的灰度值除以上述权重，所得的值对波长作图，即得到校正后的光谱；该光谱与光源无关，反映样本本身的光谱性质。

其中，作为标准样本的要求是，在探测的波长范围内，标准样本对光几乎没有吸收，因而标准样本对各种波长光的散射率可看成一恒定值。实际测量中，可根据测量光谱的波长范围选择合适的标准样本。例如金刚石粉、二氧化硅粉、硫酸钡、聚四氟乙烯等，可以作为标准样本，测量可见光到近红外范围内的光谱，

根据上述方法和原理，本专利公开一种光谱仪，其特征在于：

包括光源、色散元件、透镜、图像传感器；

其中，色散元件选自棱镜、光栅、滤光片阵列、光纤光栅，图像传感器选自CCD、CMOS传感器；

光路结构为：从光源发出的光经过色散元件色散为不同频率的光，并照射在样本平面上，

从样本平面发出的光直接经过透镜聚焦于图像传感器上；

根据实际测试的需要，可选择性从合适的方向对样本平面进行拍照，以获得绝对光谱。

此外，可以根据具体的需要，按前面所述的方法对绝对光谱进行校正，以获得样本的散射光谱。

优选的，该光谱仪的色散元件为光栅，此外光源和色散元件之间还有狭缝。

上述方法和光谱仪的优势在于：

分离了色散元件和探测器，取而代之的是，图像处理技术计算光谱，节省了色散元件到探测器的空间；

在色散性能有限的情况下，可以延长光照距离（色散元件到样本平面的距离）或者延长拍照的距离来增加光谱分辨率；

在图像传感器的灵敏度有限的情况下，可以增加光照强度来提高检测灵敏度。

由于样本是外置的，本方法非常适合户外检测、即时检测。

实际应用中，有许多样本是平面状，如纸、板，或者很容易处理成平面状，如颗粒、胶体等，因而本方法可以用于构建相关的光谱分析方法，并用于许多物质的检测分析。

本方法可以用于液体样本的光谱测量，根据这个方法构建的光谱仪，除了包含前面所述的光源、色散元件、透镜、图像传感器外，还包括一个容器，容器的底面为平面，由于液体的流动性，向容器中填充液体，会在容器底面形成液体样本的平面，进而可以用于光谱测试。

容器底面具有一定的粗糙度，以增强光散射。

本方法最直接的应用之一是颜色的测量：根据具体需要，测得样本平面某个角度的散射光谱，可以将光谱换算成三刺激值，还可以得到色坐标。实际的颜色测量中，有很多样本难以移动，或着不能取样，如建筑物、墙面、天花板等，也有一些样本巨大，不能放入一般的光谱仪中。而本专利的方法适合于这些样本的光谱和颜色测量，使用色散后的光照射样本，再用图像传感器拍照即可。

本方法还可以用于物质吸收光谱的测量，并用于相关的物质检测分析。测量吸收光谱的理论基础为：在忽略样本的荧光、拉曼散射和非线性光学效应的条件下，照射样本的光强减去透射光强，等于弹性散射和吸收光强的总和；对于形貌一致的样本，透射光强相同，因而在相同的光照下，弹性散射和吸收光强的和为定值。

根据这个原理，吸收光谱的测量方法如下：在前面光谱测量方法的基础上，选取貌一致的参照样本和待测样本，并在同样条件下拍照，得到参照样本和待测样本的散射光图像，将两个图像的灰度值矩阵相减，得到新的矩阵，以该矩阵中的每个元素代表该点处的吸收光强，用该吸收光强除以对应的波长的权重，即得到待测样本的吸收光谱；

其中波长的权重是指按前面所述的方法测得的参照样本的绝对光谱中，各波长光的相对光强；

其中，同样条件是指：样本和参照物具有相同的粗糙度，与入射光和传感器的相对位置、角度相同，使用同样的设备，传感器的感光度相同，曝光时间相同。

这种用散射的方式测量吸收光谱的方法适合于纸张、硅胶等样本的测量。例如以滤纸作为参照，可以测量滤纸吸取溶液后的吸收光谱，该吸收光谱反映溶质在溶液中的吸收光谱，可以用于相关物质的定性、定量分析。

上述吸收光谱的测量还可以用于紫外可见吸收光谱的分析应用中。例如，一些物质具有特征的吸收光谱，可以通过测量吸收光谱来检测物质的存在。或者，一些物质与特征的显色剂反应或结合，使吸收光谱和颜色发生变化，设置对照样本，可以通过测量吸收光谱的变化来检测物质的存在。

根据上述原理，本专利公开一种光谱分析方法，通过测量散射光谱实现液体样本中靶标物质的检测。

其特征在于：

使用平面状固定相作为载体，使其吸附液体样本后作为待测样本，

按前面所述的吸收光谱的测量方法，以吸附液体样本前的平面状固定相作为参照样本，测量上述待测样本的吸收光谱，该吸收光谱即代表液体样本的吸收光谱。

以该吸收光谱的吸收峰特征和吸收强度作为分析检测的依据，可以对样本进行定性分析。

优选的，根据工作曲线对样本进行定量分析，根据测得样本的吸收强度计算出靶标物质的浓度。

其中制作工作曲线的方法如下：以分别使用多个材质和形貌一致的载体吸附不同浓度的标准样本，并使用同样的方法和装置测量其散射光谱；其中标准样本的浓度已知，以标准样本的浓度对光谱的吸收强度作图，即得到工作曲线。

优选的，所用的载体不透明，可以选自薄膜、纸、硅胶板等。

该方法可直接用于检测具有吸收的物质。

实际的检测中，依靠样本自身的吸收来实现检测具有很大的局限性，一方面，许多样本的没有吸收，或者吸收不在测量范围内，另外一方面，许多样本的摩尔消光系数不够大，限制了检测的灵敏度。因而，往往需要显色剂实现检测，这种依赖显色剂的光谱分析方法同样可以借助本专利的仪器和方法实现。

一种方法为：向样本中加入可以与靶标物质发生显色反应的显色剂，使样本在可测量的范围内具有吸收，再按前面所述的液体样本的分析步骤实现检测。

另外一种方法为：使用含有显色剂的载体，其余与前面所述的液体分析步骤一致。检测原理为：待测样本中的靶标物质与显色剂在载体上发生显色反应，使吸收光谱发生变化，从而通过检测光谱的变化来实现靶标物质的检测。其中含有显色剂的载体的制备方法为：使用载体吸附含有显色剂的溶液，再挥发溶剂得到；或者通过化学反应使显色剂共价连接到载体上。

实际的一些以肉眼分辨的检测试纸都是基于吸收光谱的变化，例如pH试纸、淀粉碘化钾试纸、胶体金试纸等，都可以作为上述方法的载体，用于相关物质的检测。在结合本专利的方法和装置、测量工作曲线的基础上，许多试纸可以用于定量分析。

上述光谱的测量和分析方法还可以与智能手机结合，用于即时检测（POCT）。现有的智能手机都配有CMOS图像传感器及附属的摄像头透镜，可以用于本专利的光谱仪中，即这样的光谱仪包括前面所述的部件：光源、色散元件、透镜、图像传感器，其中透镜和图像传感器都是智能手机自带的图像传感器及附属的摄像头透镜，其余光路的结构与前面所述一致。

这种利用了手机的光谱仪同样可以用于前面所述的光谱分析方法，并且，手机还可以搭载应用软件，现场对图像进行处理分析，或者将图像上传到云端，使用服务器上的软件处理分析图像。借助这样的光谱仪，很多传统的分光光度分析方法都可以在户外开展。

附图说明

图1为一种光谱仪测量光谱的示意图；其中，101为光源，102为狭缝，103为反射光栅，104为镜头，105为相机，106为样本平面。

图2为手机测量光谱的示意图；其中，201为光源，202为准直透镜，203为狭缝，204为反射光栅，205为手机，206为样本平面。

图3为彩色光照射下的聚四氟乙烯板的黑白照片。

图4为图3的局部灰度值分布图。

图5为聚四氟乙烯板的散射光谱和LED光谱的对比图。

图6为彩色光照射下的两条酚红试纸的黑白照片。

图7为彩色光照射下的滤纸的黑白照片。

图8为两条酚红样本的吸收光谱。

图9为暗室中彩色光照射下的墙面的照片。

图10为黑暗和光照条件下测得墙面的散射光谱。

图11为日光灯照射下的彩色光照射下的墙面的照片。

图12为扣除环境光后的墙面的图像。

具体实施方式

为了说明本发明的原理以及其优势，下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，其目的在于帮助更好的理解本发明的内容，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。 在实际应用中，可以根据具体情况实施最合适的方案。

实施实例1 一种光谱仪的构造

如图1所示，光源101发出的光通过狭缝102后，经过光栅103反射后色散为不同颜色的光，照射在样本平面106上，相机105通过镜头104对样本平面106进行成像拍照，所得的照片经过软件处理可以得到光谱。其中优选的，相机自带处理软件，可以即时获得光谱。

根据光栅色散的原理，图1中，不同颜色的光沿着水平方向按频率或波长的大小次序排列，因而在对应的照片中，像素点的水平位置即代表了该点受照射的光的频率或波长，像素点的灰度值（亮度）代表光的相对强度，通过软件处理图像的亮度沿水平方向的分布即可以得到绝对光谱。

以上述方案为基础，根据本领域已知的技术，可以对上述光谱仪进行优化，以提高检测性能。例如在狭缝102和光栅103之间可以增加准直元件，用于将狭缝射出的光转为平行光，以提高光谱分辨率。进一步优选的，可以在光源101和狭缝102之间增加聚光元件，如扩束镜、柱面镜等，用于增加光通量，可以提高检测灵敏度。

另外，根据本领域已知的技术，对其中的元件替换，也可以达到类似的技术效果。

例如，光栅103可以替换为透射光栅、棱镜等色散元件，也可以用于光谱测量。

实施实例2 手机用于光谱的测量

如图2所示，光源201发出的光经过透镜202后转变为准直光束，再进过狭缝203后，被光栅204反射到样本平面206上，使用手机205对样本平面206进行拍照，所得照片可以显示于手机屏幕上，并且，手机可以安装相应的处理软件对图像处理，以获得绝对光谱。

该方法测量光谱的原理与实例1相同。

实施实例3 绝对光谱的测量

使用实施实例1中的装置，其中，光栅选自平面反射光栅，600线，闪耀波长500nm，狭缝宽0.1mm，相机为500万像素的黑白CMOS传感器，镜头为2.8-12mm的变焦镜头。

样本平面为聚四氟乙烯板。以3V的白光LED灯作为光源，调节曝光时间约100ms，拍照结果如附图3所示。

灰度值的分布图如附图4所示，其中，波长沿着y轴逐渐增大，且近似于线性分布；有两个灰度值的极大峰，分别对应白光LED在450和560nm处的两个主要发射峰，使用这两个峰作为波长的定标点，将y轴的像素坐标换算成波长；对同一x轴上的像素点的灰度值求和，作为该波长的光强，对波长作图即可以得到绝对散射光谱，其归一化的绝对散射光谱如附图5中实线所示。

使用使用上海复享的光纤光谱仪测得的LED的光谱如附图5中虚线所示，与上述散射光谱的峰型相似，说明这种方法可以用于光谱测量。

但是也有区别：560nm的峰的强度相对较弱，主要是因为，所使用的CMOS传感器对500nm之后的波长的光的灵敏度逐渐下降，其次，闪耀光栅对不同波长光的色散能力不同。

实施实例4 酚红吸收光谱的测量

使用实施实例3中的装置，使用白光LED光源，以滤纸作为载体，测量吸附于滤纸上的酚红的吸收光谱。

具体步骤如下：

将一滤纸浸泡于约0.5mM酚红的水溶液中，取出晾干，作为酚红试纸，将上述酚红试纸剪成条状，取一条记为样本1，取另外一条浸泡于碳酸钠溶液中1-2秒，取出晾干，记为样本2；

将样本1和样本2并排，同时拍照，得到的照片如附图6所示，图像上半部分为样本1的像，图像下半部分为样本2的像；

再以空白滤纸为参照样本平面，拍照，得到的照片如附图7所示。

样本1的吸收光谱的计算方法：选取附图6中样本1的像所在的位置，按实施实例3中的方法计算其绝对光谱；再在附图7中选取与样本1的像相同的位置，按同样的方法计算参照样本的绝对光谱；上述两个绝对光谱的差值除以参照样本的绝对光谱，即得到酚红的吸收光谱，如附图8所示。

选取附图6中样本2的像所在的位置，按照上述同样的方法可以计算出酚红在遇到碳酸钠时的吸收光谱，即样本2的吸收光谱，如附图8所示。

酚红是一种常用的酸碱指示剂，其在酸碱溶液中的主要存在形式不同，吸收光谱也不同，其中，中性条件下，酚红的主要吸收峰在430nm左右，碱性条件下，会在560nm左右出现一个新的吸收峰。

附图8所测得的结果代表了酚红在不同条件下的吸收光谱，与文献（J. Chem.Eng. Data, 2008, 53 (1), 116–127；Sensors and Actuators B 235 (2016) 280–286）中酚红溶液吸收光谱的变化相符，说明了该方法可以有效测量物质的吸收光谱，并利用吸收光谱的变化来进行酸碱变化的检测。

此外，该实施实例说明该方法可以同时测量1个以上的样本，采用更细的滤纸条或者更宽的色散光束，可以实现更多样本的同时测量。

按照同样的原理，该方法也可以用于其它物质的吸收光谱的测量，并用于吸收光谱的分析检测。

实施实例5 使用手机测量墙面的颜色

使用附图2中的装置，其中，光源为3V的白光LED光源，光栅选自平面反射光栅，1200线，闪耀波长500nm，狭缝宽约0.2mm，手机为红米3s手机。

在暗室中，手持光源，使色散出的彩色光照射在碳酸钙墙面上，距离墙面约1米，用手机对墙面拍照，得到的照片，照片转化的灰度图如附图9所示，其中灰度图的转化方法为：各个像素点的灰度值等于RGB值之和的1/3。

按照实施实例3中的计算方法，对上述灰度图进行处理，得到的归一化的光谱如附图10中的实心方点曲线所示，根据该光谱，计算色坐标CIE值为0.3009，0.27，为白色。

在实际的测量中，可能存在环境光干扰，可以通过扣除环境光的方法实现测量。例如，在室内日光灯开启的条件下，使光源色散出的彩色光照射在碳酸钙墙面上，距离墙面约1米，用手机对墙面拍照，得到的照片，记作照片1；关掉光源，对墙面同样的位置再次拍照，记作照片2；

对比照片1和照片2，以照片2为背景，扣除该背景的方法为：用照片1的灰度值矩阵减去照片2的灰度值矩阵，得到新的矩阵即为扣除了背景的灰度值矩阵，再使用实施实例3的计算方法处理该灰度值矩阵即可以得到散射光谱。

照片2的灰度图如附图11所示，可见该图非常亮，扣除背景后的灰度图如附图12所示，可以看到彩色光斑的像，与附图9类似，处理得到的散射光谱如附图10中的空心圆点曲线所示，该光谱与在黑暗环境中测得的光谱非常类似，计算色坐标CIE值为0.2978，0.274，与在黑暗环境中测得的色坐标非常接近，为白色。

由此可见，使用本实施实例的方法测量颜色，其优势在于：

可以在现场中对实物的颜色进行检测，不需要采集样本，

可以在环境光干扰的条件下进行检测，

与传统的颜色检测仪器相比，不需要逐个波长检测光强，可以一次性检测所有波长的散射光强，

与其它手机测颜色的方法相比，该方法的光谱分辨率可以精确到1nm。

在专利保护范围内，本方法还有许多改进。例如：光照的角度、拍照的角度均可以调整，以实现多方位的检测；还可以根据实际要求，更换其它光源进行颜色检测。

Claims (10)

1.一种测量光谱的方法，其特征在于：使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱；其中，样本平面指各种平面状样本的平面。

2.如权利要求1所述的测量光谱的方法，其特征在于，还包括以下光谱校正过程：使用权利要求1中的方法在相同的条件下对标准样本进行拍照，测量其散射信号，以得到的标准样本的光谱代表各个波长光强的相对权重，再将样本的光谱中各个波长下的灰度值除以上述权重，所得的值对波长作图，即得到校正后的光谱；

其中，作为标准样本的要求是，在探测的波长范围内，标准样本对光几乎没有吸收，因而标准样本对各种波长光的散射率可看成一恒定值。

3.一种光谱仪，其特征在于：包括光源、色散元件、透镜、图像传感器；

其中，色散元件选自棱镜、光栅、滤光片阵列、光纤光栅，图像传感器选自CCD、CMOS传感器；

光路结构为：从光源发出的光经过色散元件色散为不同频率的光，并照射在样本平面上，

从样本平面发出的光直接经过透镜聚焦于图像传感器上。

4.如权利要求3所述的光谱仪，其特征在于：该光谱仪的色散元件为光栅，光源和色散元件之间还有狭缝。

5.如权利要求1所述的方法，作为颜色测量的用途。

6.一种吸收光谱的测量方法，其特征在于：使用如权利要求1所述的方法，选取貌一致的参照样本和待测样本，并在同样条件下拍照，得到参照样本和待测样本的散射光图像，将两个图像的灰度值矩阵相减，得到新的矩阵，以该矩阵中的每个元素代表该点处的吸收光强，用该吸收光强除以对应的波长的权重，即得到待测样本的吸收光谱；

其中波长的权重是指按权利要求1所述的方法测得的参照样本的光谱中，各波长光的相对光强；

其中，同样条件是指：样本和参照物具有相同的粗糙度，与入射光和传感器的相对位置、角度相同，使用同样的设备，传感器的感光度相同，曝光时间相同。

7.一种光谱分析方法，其特征在于：

使用平面状固定相作为载体，使其吸附液体样本后作为待测样本，

按权利要求6所述的吸收光谱的测量方法，以吸附液体样本前的平面状固定相作为参照样本，测量上述待测样本的吸收光谱，该吸收光谱即代表液体样本的吸收光谱，以该吸收光谱的吸收峰特征和吸收强度作为分析检测的依据。

8.如权利要求7所述的光谱分析方法，其特征在于：所用的载体不透明，选自薄膜、纸、硅胶板。

9.如权利要求7所述的光谱分析方法，其特征在于：平面状固定相上含有显色剂。

10.如权利要求3所述的光谱仪，其特征在于：该光谱仪的图像传感器为手机的图像传感器，透镜为手机的摄像头透镜。

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