CN109163806B - 一种基于胶体量子点滤光片阵列与y形光纤相结合的色度仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤相结合的色度仪，标准光源和待测对象位于切换转盘的一侧，Y形光纤探头位于切换转盘的另一侧，切换转盘与Y形光纤探头的两个入射端口之间分别设置有耦合透镜，一个耦合透镜、标准光源和Y形光纤探头的其中一个入射端口的中心在一条直线上，另一个耦合电镜、待测对象和Y形光纤探头的另一个入射端口的中心在一条直线上，胶体量子点滤光片阵列位于Y形光纤探头的出射端口与CCD之间，CCD与驱动电路连接，CCD与信号处理系统中的放大电路连接，计算机与显示屏连接；具有体积小、便于携带和制作成本低的特点，并可保证色度仪器的高测量精度。
Description
技术领域
本发明属于色度测量仪器技术领域，具体涉及一种基于胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤相结合的色度仪。
背景技术
色度的测量在日常生活和生产中占据重要地位。色度仪作为一种重要光学器件，其应用日趋广泛，并朝着小型便携化、高精度等方向发展。
目前，主要通过两种方式实现色度的检测：一是利用光谱分光的方法，具有检测精度高的特点，但由于其分光部件体积较大，存在结构复杂和成本高的问题；二是采用特定滤光片与CIE标准观察者人眼三刺激值匹配的方法，基于这种方法的色度检测仪器使用灵活、体积较小，但在测量原理上存在一定误差。
因此如何实现色度仪器的小型化并兼具高测量精度，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤相结合的色度仪，具有体积小、便于携带和制作成本低的特点，解决了现有技术中的色度仪内的光谱分光装置体积过大的技术问题，并可保证色度仪器的高测量精度。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种基于胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤相结合的色度仪，包括标准光源1、切换转盘3、耦合透镜4、Y形光纤探头5、胶体量子点滤光片阵列6、面阵电荷耦合元件7、驱动电路8、信号处理系统9和显示屏10，信号处理系统9包括依次连接的放大电路11、A/D转换电路12、计算机13和电机14，所述的标准光源1和待测对象2位于切换转盘3的一侧，Y形光纤探头5位于切换转盘3的另一侧，切换转盘3与Y形光纤探头5的两个入射端口之间分别设置有耦合透镜4，一个耦合透镜4、标准光源1和Y形光纤探头5的其中一个入射端口的中心在一条直线上，另一个耦合电镜4、待测对象2和Y形光纤探头5的另一个入射端口的中心在一条直线上，所述的胶体量子点滤光片阵列6位于Y形光纤探头5的出射端口与CCD7之间，所述的CCD7与驱动电路8连接，CCD7与信号处理系统9中的放大电路11连接，所述的计算机13与显示屏10连接；所述的胶体量子点滤光片阵列包括硫化镉、硒化镉和碲化镉三类量子点滤光片，在400～760nm范围内以10nm的波长间隔选取量子点滤光片共36个，其中：400～460nm范围内共选取7个CdS量子点滤光片，每隔10nm选取1个；470～610nm范围内共选择15个CdSe量子点滤光片，每隔10nm选择1个；620～760nm范围内共选取CdTe量子点滤光片14个，每隔10nm选取1个。
所述的基于胶体量子点滤光片阵列的制作方法如下：
S1、制备CdS量子点溶液：将CdO、油酸以及十八烯溶液混合，在充满氮气的环境下，搅拌并逐渐升温至250-270度，使CdO完全溶解，溶液澄清；然后注入S-ODE溶液，S-ODE溶液由硫粉与ODE溶液充分溶解制得，将反应温度由250-270度降至230-250度，反应时间为1-10分钟，停止加热，待溶液完全冷却后离心，产物溶解在三氯溶液中，获得400-460nm不同波长的量子点溶液，所述的CdO与S摩尔质量比例为2:1、1:1、1:2、1:4、1:6或1:8；
S2、制备CdSe量子点溶液：将CdO、油酸以及ODE溶液混合，在充满氮气的环境下，搅拌并逐渐升温至250-300度，使CdO完全溶解，溶液澄清，停止加热，待溶液冷却至室温后，加入三正辛基氧化膦和十六烷基胺，继续在充满氮气的环境下，升温至250-300度，反应5分钟后溶液澄清，注入Se-TOP溶液，Se-TOP溶液由Se粉与TOP溶液充分溶解制得，反应1-120分钟后停止加热，待溶液冷却至室温，离心溶解在三氯溶液中，获得470-610nm不同波长的量子点溶液；所述的CdO与Se摩尔质量比例为2:1、1:1、1:2、1:4、1:6或1:8；
S3、制备CdTe量子点溶液：取CdO、硫代二丙酸以及ODE混合，加热至300度，使溶液完全溶解至澄清，注入Te粉和TBP以及ODE充分溶解的Te-TBP溶液，反应时间为1-10分钟，250-300度高温反应后，溶解在三氯溶液中，获得620-760nm不同波长的量子点溶液，所述的CdO与Te摩尔质量比为2:1、1:1、1:2、1:4、1:6或1:8，可获得620-760nm不同波长的量子点溶液；
S4、分别取分别取步骤S1、S2和S3得到的不同吸收波长的量子点溶液与聚乙烯醇缩丁醛混合均匀，选择15cm×10cm的矩形铝板，与静电发生器的正极相连，铝板上覆盖厚度为2mm～3mm薄聚氯乙烯介质膜；然后将20mm×15mm的厚度为0.1mm～0.3mm玻璃基片放置于介质膜之上；静电发生器的负极连接制作的非金属针尖，针尖上吸附量子点与聚乙烯醇缩丁醛混合溶液，贴近玻璃基片表面，利用静电吸附力在显微镜下将量子点溶液在玻璃基片表面沉积成点状膜，每个点状膜尺寸在20～50μm，使其形成6×6的点阵，即得到胶体量子点滤光片阵列。
所述的Y形光纤探头5具有柔韧性，其两个入射端口均为圆形，外径均为8mm；出射端口为12mm×8mm的矩形，内部由第一光纤a和第二光线b交替排列，可根据光纤直径计算，以及每根光纤间的间距系数决定，选取的每根光纤直径范围在20-50μm。
与现有技术相比，有益效果如下：
本发明色度仪使用了胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤探头，具有结构简单、制作成本较低、体积小便于携带的优点，同时保证较高的测量精度(见图4)。
附图说明
图1为本发明所述的色度仪的结构示意图；
图2为本发明所述的色度仪的Y形光纤探头入射端和出射端结构示意图；
图3为本发明所述色度仪中胶体量子点滤光片阵列图；
图4为图3的胶体量子点滤光片阵列对应滤光片透射曲线图。
具体实施方式
下面结合实例，进一步说明本发明所述基于胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤的新型色度仪的实施过程及测试结果，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。
实施例1
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。
化学材料：氧化镉(Cadmium Oxide，简称CdO)，油酸(OA)，1-十八烯(ODE)，硒(Se)粉，硫(S)粉、三氯甲烷(CHCl3)，甲醇(CH3OH)，三丁基膦(TBP)，硫代二丙酸(TDPA)
所述的胶体量子点滤光片阵列的具体制备方法如下：
S1、制备CdS量子点溶液，将0.128g氧化镉(CdO)，3mL油酸以及10mL十八烯溶液(ODE)混合，在充满氮气的环境下，搅拌并逐渐升温至270度，使CdO完全溶解，溶液澄清；然后注入5mL S-ODE溶液，S-ODE溶液由0.016g硫(S)粉与5mL ODE溶液充分溶解制得，将反应温度由270度降至250度，反应5分钟后，停止加热，待溶液完全冷却后离心，产物溶解在三氯溶液中，得到吸收波长为420nm的CdS量子点，可通过改变反应时间或者改变反应物的比例，可获得不同波长的量子点溶液。；
S2、制备CdSe量子点溶液，将0.128g CdO，3mL油酸以及10mL的ODE溶液混合，在充满氮气的环境下，搅拌并逐渐升温至270度，使CdO完全溶解，溶液澄清，停止加热，待溶液冷却至室温后，加入3g三正辛基氧化膦(trioctylphosphine，简称TOPO)和3g十六烷基胺(1-Hexadecylamine，简称HDA)，继续在充满氮气的环境下，升温至270度，反应30分钟后溶液澄清，注入10mL Se-TOP溶液，Se-TOP溶液由0.7896g Se粉与10mLTOP溶液充分溶解制得，反应5分钟，停止加热，待溶液冷却至室温后，离心溶解在三氯溶液中，得到吸收波长为520nm的CdSe量子点，可通过改变反应时间或者改变反应物的比例，可获得不同波长的量子点溶液；
S3、制备CdTe量子点溶液，取0.0128gCdO、0.00570g硫代二丙酸(TDPA)以及4mL的ODE(混合，加热至300度，使溶液完全溶解至澄清，注入0.025g Te粉和0.475gTBP以及2mLODE充分溶解的Te-TBP溶液，270度高温反应后，溶解在三氯溶液中，得到吸收波长为630nm的CdTe量子点，可通过改变反应时间或者改变反应物的比例，可获得不同波长的量子点溶液；
S4、分别取步骤S1、S2和S3得到的不同吸收波长的量子点溶液2mL与0.005g聚乙烯醇缩丁醛混合，超声使溶液均匀。
选择15cm×10cm的矩形铝板，与静电发生器的正极相连，铝板上覆盖薄聚氯乙烯介质膜，厚度为2mm～3mm；然后将20mm×15mm的玻璃基片放置于介质膜之上，厚度为0.1mm～0.3mm；静电发生器的负极连接制作的非金属针尖，针尖上吸附量子点混合溶液，贴近玻璃基片表面，利用静电吸附力在显微镜下将量子点溶液在玻璃基片表面沉积成点状膜，每个点状膜尺寸在20～50μm，使其形成6×6的点阵，即得到胶体量子点滤光片阵列。
实施例2
如图1所示，一种基于胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤相结合的色度仪，包括标准光源1、切换转盘3、耦合透镜4、Y形光纤探头5、胶体量子点滤光片阵列6、面阵电荷耦合元件(CCD)7、驱动电路8、信号处理系统9和显示屏10，信号处理系统9包括依次连接的放大电路11、A/D转换电路12、计算机13和电机14，所述的标准光源1和待测对象2位于切换转盘3的一侧，Y形光纤探头5位于切换转盘3的另一侧，切换转盘3与Y形光纤探头5的两个入射端口之间分别设置有耦合透镜4，一个耦合透镜4、标准光源1和Y形光纤探头5的其中一个入射端口的中心在一条直线上，另一个耦合电镜4、待测对象2和Y形光纤探头5的另一个入射端口的中心在一条直线上，所述的胶体量子点滤光片阵列6位于Y形光纤探头5的出射端口与CCD7之间，所述的CCD7与驱动电路8连接，CCD7与信号处理系统9中的放大电路11连接，所述的计算机13与显示屏10连接。Y形光纤探头5的出射端口与胶体量子点滤光片阵列6相连，将胶体量子点滤光片阵列与选取的CCD7进行组装，依次连接上驱动电路8、包括放大电路11、A/D转换12、计算机13、电机14的信号处理系统9，最后固定显示屏10。
计算机13控制电机14来驱动切换转盘3选择光路，标准光源1或来自待测对象2的透射光/反射光经耦合透镜4入射到Y形光纤探头5里，经胶体量子点滤光片阵列6透射后，不同滤光片所透射的光的响应信号由面阵电荷耦合元件CCD7接收，在驱动电路8的作用下，CCD将光信号转换成电信号，获得经第i个滤光片后标准光源1在CCD7上的电信号VAi，即：
经第i个滤光片后待测对象光谱功率在CCD上的电信号为VCi，则
其中，i为胶体量子点滤光片的个数，Ti(λ)是第i个滤光片的透过率；R(λ)是面阵CCD的响应值；Δλ是波长的间隔；VA(λ)与VC(λ)分别为标准光源1光谱分布和待测对象(2)光谱分布对应在CCD中的电信号；VA(λ)与VC(λ)是未知的，VAi、VCi是能够测量得到的信号，Ti(λ)R(λ)Δλ是已知，由此我们可以获得36个方程，从而计算出VA(λ)和VC(λ)。相应标准光源功率和待测物体色光谱功率在CCD上的电信号经信号处理系统9中的放大电路11放大信号，并进行A/D转换12后，可由计算机13根据以下公式完成数据处理：
由下列公式：
式中，K为调节系数，
为国际照明委员会(CIE)制定的CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值；SA(λ)为标准光源的光谱功率分布函数，对于特定的光源，
的值可采用标准数据；其中色刺激函数
在不同待测对象(2)要求下，计算公式为：
光源色
透射物体色
反射物体色
式中，SC(λ)为照明光的光谱功率分布函数，τ(λ)为待测对象(2)的光谱透射比，ρ(λ)为待测对象(2)的光谱反射比。
根据公式：
得到相应光源色、透射或反射物体色的色坐标值x，y，z，结果将显示在显示屏上。
如图2所示，所述的Y形光纤选择的型号是入射端口a和b外径为8mm圆形，出射端口为12mm×8mm矩形，选取的每根光纤直径范为50μm，内部由112根光纤a和b交替排列。
所述的面阵CCD光谱响应范围在300～8500nm，像面尺寸为2/3英寸，像元尺寸为4.5μm，像元数量为3968H×2232V。
如图3所示，所述的胶体量子点滤光片阵列由36个滤光片排列构成，相应量子点在400～760nm范围内以10nm的波长间隔进行选取。在400～760nm范围内以10nm的波长间隔选取量子点滤光片共36个，其中：400～460nm范围内共选取7个CdS量子点滤光片，每隔10nm选取1个；470～610nm范围内共选择15个CdSe量子点滤光片，每隔10nm选择1个；620～760nm范围内共选取CdTe量子点滤光片14个，每隔10nm选取1个。
试验与测试结果：本发明的色度仪进行精度检测，如图4所示，对标准红、蓝、绿色卡进行测量：红卡(x＝0.7142，y＝0.2857)、蓝卡(x＝0.1509，y＝0.0288)、绿卡(x＝0.2630，y＝0.6927)，测试显示得到相应色坐标分别为红卡(x＝0.7090，y＝0.2909)、蓝卡(x＝0.1443，y＝0.0273)、绿卡(x＝0.2605，y＝0.7054)，即测量重复性精度不大于1％，由此证明本发明所提出的方案是有效和可实现的，所述的色度仪在小型化的同时，也保证较高的检测精度。
Claims (2)
1. 一种基于胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤相结合的色度仪，其特征在于：包括标准光源1、切换转盘3、耦合透镜4、Y形光纤探头5、胶体量子点滤光片阵列6、面阵电荷耦合元件7、驱动电路8、信号处理系统9和显示屏10，信号处理系统9包括依次连接的放大电路11、A/D转换电路12、计算机13和电机14，所述的标准光源1和待测对象2位于切换转盘3的一侧，Y形光纤探头5位于切换转盘3的另一侧，切换转盘3与Y形光纤探头5的两个入射端口之间分别设置有耦合透镜4，一个耦合透镜4、标准光源1和Y形光纤探头5的其中一个入射端口的中心在一条直线上，另一个耦合电镜4、待测对象2和Y形光纤探头5的另一个入射端口的中心在一条直线上，所述的胶体量子点滤光片阵列6位于Y形光纤探头5的出射端口与CCD7之间，所述的CCD7与驱动电路8连接，CCD7与信号处理系统9中的放大电路11连接，所述的计算机13与显示屏10连接；所述的胶体量子点滤光片阵列包括硫化镉、硒化镉和碲化镉三类量子点滤光片，在400~760nm范围内以10nm的波长间隔选取量子点滤光片共36个，其中：400~460nm范围内共选取7个CdS量子点滤光片，每隔10nm选取1个；470~610nm范围内共选择15个CdSe量子点滤光片，每隔10nm选择1个；620~760nm范围内共选取CdTe量子点滤光片14个，每隔10nm选取 1个；
所述的胶体量子点滤光片阵列制作方法，步骤如下：
S1、制备CdS量子点溶液：将CdO、油酸以及十八烯溶液混合，在充满氮气的环境下，搅拌并逐渐升温至250-270度，使CdO完全溶解，溶液澄清；然后注入S-ODE溶液，S-ODE溶液由硫粉与ODE溶液充分溶解制得，将反应温度由250-270度降至230-250度，反应时间为1-10分钟，停止加热，待溶液完全冷却后离心，产物溶解在三氯溶液中，获得400-460nm不同波长的量子点溶液，所述的CdO与S摩尔质量比例为2:1、1:1、1:2、1:4、1:6或1:8；
S2、制备CdSe量子点溶液：将CdO、油酸以及ODE溶液混合，在充满氮气的环境下，搅拌并逐渐升温至250-300度，使CdO完全溶解，溶液澄清，停止加热，待溶液冷却至室温后，加入三正辛基氧化膦和十六烷基胺，继续在充满氮气的环境下，升温至250-300度，反应5分钟后溶液澄清，注入Se-TOP溶液，Se-TOP溶液由Se粉与TOP溶液充分溶解制得，反应1-120分钟后停止加热，待溶液冷却至室温，离心溶解在三氯溶液中，获得470-610nm不同波长的量子点溶液；所述的CdO与Se摩尔质量比例为2:1、1:1、1:2、1:4、1:6或1:8；
S3、制备CdTe量子点溶液：取CdO、硫代二丙酸以及ODE混合，加热至300度，使溶液完全溶解至澄清，注入Te粉和TBP 以及ODE充分溶解的Te-TBP溶液，反应时间为1-10分钟，250-300度高温反应后，溶解在三氯溶液中，获得620-760nm不同波长的量子点溶液，所述的 CdO与Te摩尔质量比为2:1、1:1、1:2、1:4、1:6或1:8，可获得620-760nm不同波长的量子点溶液；
S4、分别取步骤S1、S2和S3得到的不同吸收波长的量子点溶液与聚乙烯醇缩丁醛混合均匀，选择15cm×10cm的矩形铝板，与静电发生器的正极相连，铝板上覆盖厚度为2mm~3mm薄聚氯乙烯介质膜；然后将20mm×15mm的厚度为0.1mm~0.3mm玻璃基片放置于介质膜之上；静电发生器的负极连接制作的非金属针尖，针尖上吸附量子点与聚乙烯醇缩丁醛混合溶液，贴近玻璃基片表面，利用静电吸附力在显微镜下将量子点溶液在玻璃基片表面沉积成点状膜，每个点状膜尺寸在20~50μm，使其形成6×6的点阵，即得到胶体量子点滤光片阵列。
2.如权利要求1所述的一种基于胶体量子点滤光片阵列与Y形光纤相结合的色度仪，其特征在于，所述的Y形光纤探头5具有柔韧性，其两个入射端口均为圆形，外径均为8mm；出射端口为12mm×8mm的矩形，内部由第一光纤a和第二光线b交替排列，可根据光纤直径计算，以及每根光纤间的间距系数决定，选取的每根光纤直径范围在20-50μm。
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