CN110702227B - 一种微型光谱仪及光谱检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光谱仪技术领域，提供一种微型光谱仪及光谱检测方法。本发明实施例通过提供一种由滤光片阵列、光探测器和处理器组成的微型光谱仪，通过设置于待测光束的传播光路的滤光片阵列对待测光束进行滤光，得到N束待测子光束；通过设置于滤光片阵列的出射光路的光探测器，探测N束待测子光束的光强度；通过与光探测器电连接的处理器根据N束待测子光束的光强度得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组，并根据N个不相关的线性方程组得到N束待测子光束的光谱值，完成对待测光束的光谱检测，结构简单、体积小且方便携带。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪技术领域，尤其涉及一种微型光谱仪及光谱检测方法。
背景技术
光谱仪是用于测量光线不同波长位置处的光强度的装置，通常由一个入射狭缝、一个色散系统、一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。广泛应用于环境检测、薄膜工业、半导体工业、成分检测、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、薄膜厚度测量、颜色测量等领域。
目前，构成色散系统的光栅元件、棱镜元件、可调谐滤光片等色散元件，通常都具有较大的尺寸，色散元件的尺寸很大程度上决定了光谱仪的尺寸，使得光谱仪体积大、不方便携带，不利于与成像系统集成，严重限制了光谱仪的应用领域。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种微型光谱仪及光谱检测方法，以解决现有技术中构成色散系统的光栅元件、棱镜元件、可调谐滤光片等色散元件，通常都具有较大的尺寸，色散元件的尺寸很大程度上决定了光谱仪的尺寸，使得光谱仪体积大、不方便携带，不利于与成像系统集成，严重限制了光谱仪的应用领域的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种微型光谱仪，包括：
滤光片阵列，设置于待测光束的传播光路，用于对所述待测光束进行滤光，得到N束待测子光束，所述滤光片阵列包括至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片；
光探测器，设置于所述滤光片阵列的出射光路，用于探测所述N束待测子光束的光强度；
处理器，与所述光探测器电连接，用于根据所述N束待测子光束的光强度得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组，并根据所述N个不相关的线性方程组得到所述N束待测子光束的光谱值，完成对所述待测光束的光谱检测；
其中，N≥1且N为整数。
在一个实施例中，所述滤光片阵列包括：
n个电致变色滤光片，沿所述待测光束的传播光路依次排列，所述n个电致变色滤光片包括可互相切换的第一工作模式和第二工作模式，处于第一工作模式时的透过率互不相同，所述n个电致变色滤光片用于实现2n种不同的工作模式组合，对所述待测光束进行滤光，得到与所述2n种不同的工作模式组合对应的N束待测子光束；
n个第一电子开关，每个所述第一电子开关对应电连接一个所述电致变色滤光片，所述第一电子开关用于在闭合时，接通对应的电致变色滤光片与预设电压信号之间的电连接，使对应的电致变色滤光片处于第一工作模式；所述第一电子开关还用于在断开时，断开对应的电致变色滤光片与预设电压信号之间的电连接，使对应的电致变色滤光片处于第二工作模式；
其中，2n＝N，n≥1且n为整数。
在一个实施例中，所述n个电致变色滤光片并联且接入同一第一预设电压信号和/或同一第二预设电压信号；
或者，所述n个电致变色滤光片分别接入不同的第一预设电压信号，和/或不同的第二预设电压信号。
在一个实施例中，所述滤光片阵列包括：
n个光致变色滤光片，沿所述待测光束的传播光路依次排列，每个所述光致变色滤光片包括可互相切换的第一工作模式和第二工作模式，所述n个光致变色滤光片处于第一工作模式时的透过率互不相同，所述n个光致变色滤光片用于实现2n种不同的工作模式组合，对所述待测光束进行滤光，得到与所述2n种不同的工作模式组合对应的N束待测子光束；
n个光源模块，每个所述光源模块对应一个所述光致变色滤光片，所述光源模块用于在接入预设电源信号时以预设功率发光，使对应的光致变色滤光片处于第一工作模式；所述光源模块还用于在停止发光时，使对应的光致变色滤光片处于第二工作模式；
n个第一电子开关，每个所述第一电子开关对应电连接一个所述光源模块，所述第一电子开关用于闭合时，使对应的光源模块接入预设电源信号并以预设功率发光；所述第一电子开关还用于在断开时，使对应的光源模块停止发光；
其中，2n＝N，n≥1且n为整数。
在一个实施例中，所述n个第一电子开关闭合用于接入同一预设电源信号；
或者，所述n个第一电子开关闭合用于分别接入不同的预设电源信号。
在一个实施例中，所述N个不相关的线性方程组的表达式如下：
Tki(λ)＝Tk1(i＝1),Tki(λ)＝1(i＝0)；
其中，Isequence表示待测子光束的光强度，sequence表示工作模式组合，S(λ)表示波长为λ的待测子光束的光谱值，Tki(λ)表示第一滤光片的透过率函数，i表示第一滤光片的工作模式，1表示第一工作模式，0表示第二工作模式，1＞Tk1＞0。
在一个实施例中，所述滤光片阵列还包括至少一个宽带滤光片，不同的所述宽带滤光片用于在位于所述至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片的入射光路时，滤除所述待测光束中不同带宽范围的杂散光。
在一个实施例中，所述滤光片阵列还包括：
第二电子开关，与所述处理器电连接，用于在所述处理器的控制下闭合或断开；
电机，与所述至少一个宽带滤光片机械连接并与所述第二电子开关电连接，用于在所述第二电子开关闭合时与所述处理器电连接，在所述处理器的控制下运动，将所述至少一个宽带滤光片中的一个切换至所述至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片的入射光路；所述第二电机还用于在所述第二电子开关断开时，断开与所述处理器之间的电连接并停止运动；
或者，所述滤光片阵列还包括机械开关，所述机械开关与所述至少一个宽带滤光片机械连接，用于用户手动控制所述机械开关将所述至少一个宽带滤光片中的一个切换至所述至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片的入射光路。
在一个实施例中，所述微型光谱仪还包括扩束准直器件，设置于所述待测光束的传播光路且位于所述滤光片阵列的入射光路，用于对所述待测光束进行扩束和准直后出射至所述滤光片阵列。
本发明实施例的第二方面提供了一种光谱检测方法，基于本发明实施例第一方面提供的微型光谱仪实现，所述光谱检测方法包括：
对待测光束进行滤光，得到N束待测子光束；
探测所述N束待测子光束的光强度；
根据所述N束待测子光束的光强度，得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组；
根据所述N个不相关的线性方程组，得到所述N束待测子光束的光谱值，完成对所述待测光束的光谱检测；
其中，N≥1且N为整数。
本发明实施例通过提供一种由滤光片阵列、光探测器和处理器组成的微型光谱仪，通过设置于待测光束的传播光路的滤光片阵列对待测光束进行滤光，得到N束待测子光束；通过设置于滤光片阵列的出射光路的光探测器，探测N束待测子光束的光强度；通过与光探测器电连接的处理器根据N束待测子光束的光强度得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组，并根据N个不相关的线性方程组得到N束待测子光束的光谱值，完成对待测光束的光谱检测，结构简单、体积小且方便携带。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的微型光谱仪的第一种结构示意图；
图2是本发明实施例提供的微型光谱仪的第二种结构示意图；
图3是本发明实施例提供的微型光谱仪的第三种结构示意图；
图4是本发明实施例提供的微型光谱仪的第四种结构示意图；
图5是本发明实施例提供的微型光谱仪的第五种结构示意图；
图6是本发明实施例提供的微型光谱仪的第六种结构示意图；
图7是本发明实施例提供的光谱检测方法的流程示意图；
图8是本发明实施例提供的微型光谱仪的第七种结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
如图1所示，本发明实施例提供一种微型光谱仪100，包括滤光片阵列1、光探测器2和处理器3。
在本实施例中，滤光片阵列1，设置于待测光束200的传播光路，用于对待测光束200进行滤光，得到N束待测子光束201；其中，N≥1且N为整数。
在应用中，滤光片阵列包括至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片，用于对待测光束进行滤光，得到至少一束待测子光束。滤光片阵列包括至少两个滤光片时，各滤光片的透过率互不相同。在对待测光束进行滤光时，通过改变用于对待测光束进行滤光的滤光片的位置和数量，可以得到不同波长的待测子光束。例如，当滤光片阵列包括两个透过率互不相同的滤光片时，可以使两个滤光片均不位于待测光束的传播光路，其中一个滤光片位于待测光束的传播光路、一个滤光片不位于待测光束的传播光路，其中一个滤光片不位于待测光束的传播光路、另一个滤光片位于待测光束的传播光路，两个滤光片均位于待测光束的传播光路共四种位置组合。通过不同的位置组合对待测光束进行滤光，可以得到不同波长的待测子光束，四种位置组合可以对应得到四种不同波长的待测子光束。滤光片的数量与待测子光束的数量之间的关系为N＝2n，其中，n表示透过率互不相同的滤光片的数量，N表示待测子光束的数量。
在本实施例中，光探测器2，设置于滤光片阵列1的出射光路，用于探测N束待测子光束201的光强度。
在应用中，光探测器可以为光电探测器、光伏探测器、热探测器或CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)探测器等，用于对经滤光片阵列滤光后得到的N束待测子光束进行光强检测，得到每束待测子光束的光强度。
在一个实施例中，所述光探测器为CCD探测器，所述CCD探测器包括至少一个感光像素单元，感光像素单元用于将光信号转换为电信号，当所述CCD探测器包括多个感光像素单元时，所述多个感光像素单元可以以阵列形式排列为任意规则形状的感光像素阵列，例如，矩形阵列、圆形阵列或其他正多边形阵列。
在本实施例中，处理器3，与光探测器2电连接，用于根据N束待测子光束201的光强度得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组，并根据N个不相关的线性方程组得到N束待测子光束201的光谱值，完成对待测光束200的光谱检测。
在应用中，通过分别对N个不相关的线性方程组进行求解计算，可以得到N束待测子光束的共N个光谱值。
在应用中，处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
在一个实施例中，所述微型光谱仪还包括：
扩束准直器件，设置于所述待测光束的传播光路且位于所述滤光片阵列的入射光路，用于对所述待测光束进行扩束和准直后出射至所述滤光片阵列。
在应用中，扩束准直器件可以包括至少一个扩束透镜和至少一个准直透镜，具体数量可以根据实际需要进行设置。
如图2所示，示例性的示出在图1的基础上微型光谱仪100还包括一个扩束透镜4和一个准直透镜5的情况。
如图3或图4所示，在一个实施例中，滤光片阵列1包括：
n个电致变色滤光片11～1n(图3和图4中分别表示为11、12、13、……、1n)，沿待测光束200的传播光路依次排列，每个电致变色滤光片包括可互相切换的第一工作模式和第二工作模式，n个电致变色滤光片11～1n处于第一工作模式时的透过率互不相同，n个电致变色滤光片11～1n用于实现2n种不同的工作模式组合，对待测光束200进行滤光，得到与2n种不同的工作模式组合对应的2n束待测子光束201；
n个第一电子开关21～2n(图3和图4中分别表示为21、22、23、……、2n)，每个第一电子开关对应电连接一个电致变色滤光片，第一电子开关用于在闭合时，对应的电致变色滤光片接入预设电压信号，使对应的电致变色滤光片处于第一工作模式；第一电子开关还用于在断开时，断开对应的电致变色滤光片与预设电压信号之间的电连接，使对应的电致变色滤光片处于第二工作模式；
其中，2n＝N，n≥1且n为整数。
在应用中，电致变色滤光片可以通过在透明基板表面镀设由电致变色材料构成的滤光膜制备。电致变色材料可以包括无机电致变色材料，例如，三氧化钨(WO3)。电致变色材料还可以包括有机电致变色材料，例如，聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等中的至少一种。电致变色材料的选材和每一滤光层的厚度根据待测光束的波段范围和中心波长决定。透明基板可以由任意不具备滤光功能的材料制备，例如光学玻璃、光学晶体、光学塑料、透明陶瓷等。滤光膜的镀设方法包括气相沉积、电子束热蒸发、磁控溅射沉积等。
在应用中，电致变色滤光片具有两种工作模式，处于第一工作模式时具备滤光功能；处于第二工作模式时不具备滤光功能。在第一滤光片处于第一工作模式时，可通过改变电致变色滤光片接入的预设电压信号的大小，来改变电致变色滤光片的透过率。
具体的，当用于制备每个电致变色滤光片的电致变色材料相同时，每个电致变色滤光片的透过率函数与预设电压信号之间的关系因子相同，通过使每个电致变色滤光片接入的预设电压信号的大小相同，可以使每个电致变色滤光片具有相同的透过率；通过使每个电致变色滤光片接入的预设电压信号的大小不同，可以使每个电致变色滤光片具有不同的透过率。
具体的，当用于制备每个电致变色滤光片的电致变色材料不同时，每个电致变色滤光片的透过率函数与预设电压信号之间的关系因子不同，使得每个电致变色滤光片接入的预设电压信号相同时，每个电致变色滤光片具有不同的透过率；将每个电致变色滤光片接入的预设电压信号设置为不同时，可以将每个电致变色滤光片的透过率调整为相同。
在一个实施例中，所述n个电致变色滤光片设置在待测光路上可以一端并联接入同一第一预设电压信号，所述n个电致变色滤光片在第一电子开关闭合后在另一端并联接入同一第二预设电压信号；
或者，所述n个电致变色滤光片一端分别接入不同的第一预设电压信号，所述n个电致变色滤光片在第一电子开关闭合后在另一端分别接入不同的第二预设电压信号。
图3中示例性的示出了具有n个电致变色滤光片11～1n的微型光谱仪100的结构示意图。其中，n个电致变色滤光片11～1n一端并联且接入同一第一预设电压信号-V，第一电子开关21～2n闭合后在另一端并联接入同一第二预设电压信号+V。
图4中示例性的示出了具有n个电致变色滤光片11～1n的微型光谱仪100的结构示意图。其中，n个电致变色滤光片11～1n的一端分别接入不同的第一预设电压信号；在第一电子开关21～2n闭合后另一端分别接入不同的第二预设电压信号。其中，n个不同的第一预设电压信号分别表示为-V1、-V2、-V3、……、-Vn，第二预设电压信号分别表示为+V1、+V2、+V3、……、+Vn。
在应用中，n个电致变色滤光片并排设置在待测光路上，可以接入相同的第一预设电压信号，也可以分别接入不同的第一预设电压信号；同理，n个电致变色滤光片并排设置之后，可以接入相同的第二预设电压信号，也可以分别接入不同的第二预设电压信号。每个电致变色滤光片接入的第一预设电压信号的大小和每个电致变色滤光片接入的第二预设电压信号的大小，可以根据实际需要进行设置。第一预设电压信号和第二预设电压信号由微型光谱仪的处理器或电源模块提供。
在应用中，微型光谱仪必然还包括用于供电的电源模块，还可以包括用于显示光谱图以及滤光片阵列、光探测器和处理器工作状态和各种相关参数的显示屏，以及用于控制微型光谱仪的工作状态的按钮等。电源模块具体可以包括可充电电池和相应的充电电路，也可以包括可直接接入市电交流电源的电源适配器和相应的插头。
在一个实施例中，所述滤光片阵列包括：
n个光致变色滤光片，沿所述待测光束的传播光路依次排列，每个所述光致变色滤光片包括可互相切换的第一工作模式和第二工作模式，所述n个光致变色滤光片处于第一工作模式时的透过率互不相同，所述n个光致变色滤光片用于实现2n种不同的工作模式组合，对所述待测光束进行滤光，得到与所述2n种不同的工作模式组合对应的N束待测子光束；
n个光源模块，每个所述光源模块对应一个所述光致变色滤光片，所述光源模块用于在接入预设电源信号时以预设功率发光，使对应的光致变色滤光片处于第一工作模式；所述光源模块还用于在停止发光时，使对应的光致变色滤光片处于第二工作模式；
n个第一电子开关，每个所述第一电子开关对应电连接一个所述光源模块，所述第一电子开关用于闭合时，使对应的光源模块接入预设电源信号并以预设功率发光；所述第一电子开关还用于在断开时，使对应的光源模块停止发光；
其中，2n＝N，n≥1且n为整数。
在应用中，光致变色滤光片可以通过在透明基板表面镀设由光致变色材料构成的滤光膜制备。光致变色材料可以包括无机光致变色材料，例如，氧化钨(WO3)、三氧化二锰(MoO3)、二氧化钛(TiO2)等过渡金属氧化物，碘化钙和碘化汞混合晶体、氯化铜、氯化锅、氯化银等金属卤化物，稀土配合物等。光致变色材料还可以包括有机光致变色材料，例如，螺吡喃类、俘精酸醉类、二芳基乙烯类、偶氮苯类等光致变色材料。光致变色材料的选材和每一滤光层的厚度根据待测光束的波段范围和中心波长决定。透明基板可以由任意不具备滤光功能的材料制备，例如光学玻璃、光学晶体、光学塑料、透明陶瓷等。滤光膜的镀设方法包括气相沉积、电子束热蒸发、磁控溅射沉积等。
在应用中，在光致变色滤光片处于第一工作模式时，可通过改变光致变色滤光片对应的光源模块发出的光信号的预设功率的大小，来改变光致变色滤光片的透过率。光源模块为能够发射紫外光的紫外灯，例如，氢灯、氙灯、氦灯、氪灯等。
具体的，当用于制备每个光致变色滤光片的光致变色材料相同时，每个光致变色滤光片的透过率函数与其接收的光信号的强度之间的关系因子相同，通过使每个光源模块发光时的预设功率的大小相同，可以使每个光致变色滤光片具有相同的透过率；通过使每个光源模块发光时的预设功率的大小不同，可以使每个光致变色滤光片具有不同的透过率。
具体的，当用于制备每个光致变色滤光片的光致变色材料不同时，每个光致变色滤光片的透过率函数与其接收的光信号的强度之间的关系因子不同，使得每个光源模块发光时的预设功率的大小相同时，每个光致变色滤光片具有不同的透过率；将每个光源模块发光时的预设功率的大小的设置为不同时，可以将每个光致变色滤光片的透过率设置为相同。
在应用中，可以根据待测光束的波长范围和滤光片阵列的分辨率，来确定第一滤光片的数量；其中，2n≥(波长范围的上限值-波长范围的下限值)/分辨率，n为第一滤光片的数量。例如，待测光束的波长范围为800nm～1056nm，要求实现1nm的分辨率，代入上述公式2n≥(1056nm-800nm)/1nm计算得到n≥8，即至少需要8个第一滤光片对待测光束进行滤光，得到256束待测子光束，可以选择第一滤光片的数量大于或等于8个的微型光谱仪来对待测光束进行光谱检测。再例如，待测光束的波长范围为200nm～1000nm，要求实现2nm的分辨率，代入上述公式2n≥(1000nm-200nm)/2nm计算得到n≥9，即至少需要9个第一滤光片对待测光束进行滤光，得到512束待测子光束，512束待测子光束共包括400种波长互不相同且波长间隔为2nm的待测子光束，可以选择第一滤光片的数量大于或等于9个的微型光谱仪来对待测光束进行光谱检测。微型光谱仪的分辨率与第一滤光片的数量正相关，微型光谱仪的分辨率越高，需要的第一滤光片的数量越多。
在一个实施例中，所述N个不相关的线性方程组的表达式如下：
Tki(λ)＝Tk1(i＝1),Tki(λ)＝1(i＝0)；
其中，Isequence表示待测子光束的光强度，sequence表示工作模式组合，S(λ)表示波长为λ的待测子光束的光谱值，Tki(λ)表示第一滤光片的透过率函数，i表示第一滤光片的工作模式，1表示第一工作模式，0表示第二工作模式，1＞Tk1＞0。
在应用中，通过包括n个电致变色滤光片或光致变色滤光片的微型光谱仪对待测光束进行光谱检测，最多可以得到N个互不相同的光谱值。当N≥(波长范围的上限值-波长范围的下限值)/分辨率时，最多可以得到N个光谱值，N个光谱值中有部分光谱值是相同的，仅包括(波长范围的上限值-波长范围的下限值)/分辨率个互不相同的光谱值。透过率函数为关于波长的函数，n个窄带滤光片的中心波长和透过率互不相同。
如图3或4所示，在一个实施例中，滤光片阵列1还包括至少一个宽带滤光片(图3中仅示例性的示出一个宽带滤光片101)，设置于n个电致变色滤光片11～1n所在的待测光路，不同的宽带滤光片用于在位于n个电致变色滤光片11～1n的入射光路时，滤除待测光束200中不同带宽范围的杂散光。
在应用中，不同的宽带滤光片可过滤的杂散光的带宽范围不同，可以根据实际需要将具有相应滤光功能的宽带滤光片设置在至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片所在的待测光路上，以滤除待测光束中相应带宽范围的杂散光。
在应用中，宽带滤光片可以通过在透明基板表面镀设由高折射率的反射材料构成的滤光膜制备，高折射率的反射材料可以包括二氧化锑(TiO2)、氮化硅(SiN)、硫化锌(ZnS)等中的至少一种，滤光膜的选材和每一滤光层的厚度根据杂散光的波段范围和中心波长决定。透明基板可以由任意不具备滤光功能的材料制备，例如光学玻璃、光学晶体、光学塑料、透明陶瓷等。滤光膜的镀设方法包括气相沉积、电子束热蒸发、磁控溅射沉积等。
如图5或图6所示，在一个实施例中，滤光片阵列1还包括：
第二电子开关31，与处理器3电连接，用于在处理器3的控制下闭合或断开；
电机32，与至少一个宽带滤光片101～10m机械连接并与第二电子开关31电连接，用于在第二电子开关31闭合时与处理器3电连接，在处理器3的控制下运动，改变至少一个宽带滤光片101～10m的位置，将至少一个宽带滤光片101～10m中的一个切换至n个电致变色滤光片11～1n的入射光路；电机32还用于在第二电子开关31断开时，断开与处理器3之间的电连接并停止运动。
在应用中，至少一个宽带滤光片中的一个切换到待测光束的传播路径时，其他宽带滤光片偏离待测光束的传播光路设置，待测光束被位于其传播路径的宽带滤光片滤光，用户可以根据实际需要将任一宽带滤光片切换至待测光束的传播光路，以滤除待测光束中不同带宽范围的杂散光。
在应用中，第二电子开关可以为单刀单掷模拟开关或晶体管，例如，场效应管或三极管等。处理器可以自动控制每个第二电子开关闭合或断开，与对应的第二电机电连接或断开电连接，在与第二电机电连接时输出脉宽调制信号(PWM)至第二电机，控制第二电机运动。
在一个实施例中，所述滤光片阵列还包括机械开关，所述机械开关与所述至少一个宽带滤光片机械连接，用于用户手动控制所述机械开关将所述至少一个宽带滤光片中的一个切换至所述电致变色滤光片或光致变色滤光片的入射光路。
在应用中，机械开关可以为拨动式、按压式、滑动式或旋转式机械开关，用户可手动拨动、按压、滑动或旋转每个机械开关，通过机械开关带动宽带滤光片运动，以改变宽带滤光片在待测光束的传播光路中的位置，将需要用于对待测光束进行滤光的宽带滤光片切换至待测光束的传播光路，以滤除待测光束中的杂散光。
本实施例通过提供一种由滤光片阵列、光探测器和处理器组成的微型光谱仪，通过设置于待测光束的传播光路的滤光片阵列对待测光束进行滤光，得到N束待测子光束；通过设置于滤光片阵列的出射光路的光探测器，探测N束待测子光束的光强度；通过与光探测器电连接的处理器根据N束待测子光束的光强度得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组，并根据N个不相关的线性方程组得到N束待测子光束的光谱值，完成对待测光束的光谱检测，结构简单、体积小且方便携带。
如图7所示，本发明实施例还提供一种光谱检测方法，基于上述微型光谱仪100实现的，具体可以由处理器3来执行，所述光谱检测方法包括：
步骤S701、对待测光束进行滤光，得到N束待测子光束；
步骤S702、探测所述N束待测子光束的光强度；
步骤S703、根据所述N束待测子光束的光强度，得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组；
步骤S704、根据所述N个不相关的线性方程组，得到所述N束待测子光束的光谱值，完成对所述待测光束的光谱检测；其中，N≥1且N为整数。
在应用中，步骤S701可由处理器控制滤光片阵列执行，步骤S702可由处理器控制光探测器执行。
在一个实施例中，所述滤光片阵列包括：
n个电致变色滤光片，沿所述待测光束的传播光路依次排列，每个所述电致变色滤光片包括可互相切换的第一工作模式和第二工作模式，所述n个电致变色滤光片处于第一工作模式时的透过率互不相同，所述n个电致变色滤光片用于实现2n种不同的工作模式组合，对所述待测光束进行滤光，得到与所述2n种不同的工作模式组合对应的N束待测子光束；
n个第一电子开关，每个所述第一电子开关对应电连接一个所述电致变色滤光片，所述第一电子开关用于在闭合时，接通对应的电致变色滤光片与预设电压信号之间的电连接，使对应的电致变色滤光片处于第一工作模式；所述第一电子开关还用于在断开时，断开对应的电致变色滤光片与预设电压信号之间的电连接，使对应的电致变色滤光片处于第二工作模式；其中，2n＝N，n≥1且n为整数；
对应的，步骤S701还包括：
控制每个所述第一电子开关随机闭合或断开，使每个所述电致变色滤光片在第一工作模式和第二工作模式之间随机切换，使所述n个电致变色滤光片实现2n种不同的工作模式组合，在每种工作模式组合下对所述待测光束进行滤光，得到与所述2n种不同的工作模式组合对应的N束待测子光束。
在一个实施例中，所述滤光片阵列还包括至少一个宽带滤光片，不同的所述宽带滤光片用于在位于所述电致变色滤光片的入射光路时，滤除所述待测光束中不同带宽范围的杂散光；
对应的，步骤S701还包括：
控制所述至少一个宽带滤光片中的任一个切换至所述电致变色滤光片的入射光路。
在一个实施例中，所述滤光片阵列还包括：
第二电子开关，与所述处理器电连接，用于在所述处理器的控制下闭合或断开；
电机，与所述至少一个宽带滤光片机械连接并与所述第二电子开关电连接，用于在所述第二电子开关闭合时与所述处理器电连接，在所述处理器的控制下运动，将所述至少一个宽带滤光片中的一个切换至所述电致变色滤光片的入射光路；所述电机还用于在所述第二电子开关断开时，断开与所述处理器之间的电连接并停止运动；
对应的，步骤S701还包括：
控制所述第二电子开关闭合或断开，并在所述第二电子开关闭合时，控制对应的电机运动，改变所述至少一个宽带滤光片的位置，将所述至少一个宽带滤光片中的一个切换至所述电致变色滤光片的入射光路。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
如图8所示，在一个实施例中，微型光谱仪100还包括存储器4以及存储在存储器4中并可在处理器3上运行的计算机程序41，例如光谱检测程序。处理器3执行计算机程序41时实现上述光谱检测方法实施例中的步骤，例如图5所示的步骤S701至S704。
示例性的，计算机程序41可以被分割成一个或多个模块，一个或者多个模块被存储在存储器4中，并由处理器3执行，以完成本发明。一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序41在微型光谱仪100中的执行过程。例如，计算机程序41可以被分割成滤光模块、探测模块、数据处理模块、计算模块，各模块具体功能如下：
滤光模块，用于对待测光束进行滤光，得到N束待测子光束；
探测模块，用于探测所述N束待测子光束的光强度；
数据处理模块，用于根据所述N束待测子光束的光强度，得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组；
计算模块，用于根据所述N个不相关的线性方程组，得到所述N束待测子光束的光谱值，完成对所述待测光束的光谱检测；
其中，N≥1且N为整数。
微型光谱仪100可包括，但不仅限于，滤光片阵列1、光探测器2、处理器3和存储器4。本领域技术人员可以理解，图8仅仅是微型光谱仪100的示例，并不构成对微型光谱仪100的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如微型光谱仪100还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
存储器4可以是微型光谱仪100的内部存储单元，例如微型光谱仪100的硬盘或内存。存储器4也可以是微型光谱仪100的外部存储设备，例如微型光谱仪100上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SNart Nedia Card，SNC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器6还可以既包括微型光谱仪100的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器6用于存储计算机程序以及微型光谱仪100所需的其他程序和数据。存储器6还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(RON，Read-Only NeNory)、随机存取存储器(RAN，RandoN Access NeNory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微型光谱仪，其特征在于，包括：
滤光片阵列，设置于待测光束的传播光路，用于对所述待测光束进行滤光，得到N束待测子光束，所述滤光片阵列包括至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片；
光探测器，设置于所述滤光片阵列的出射光路，用于探测所述N束待测子光束的光强度；
处理器，与所述光探测器电连接，用于根据所述N束待测子光束的光强度得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组，并根据所述N个不相关的线性方程组得到所述N束待测子光束的光谱值，完成对所述待测光束的光谱检测；
其中，N≥1且N为整数；
所述滤光片阵列包括：n个电致变色滤光片，沿所述待测光束的传播光路依次排列，所述n个电致变色滤光片包括可互相切换的第一工作模式和第二工作模式；
或者，所述滤光片阵列包括：
n个光致变色滤光片，沿所述待测光束的传播光路依次排列，每个所述光致变色滤光片包括可互相切换的第一工作模式和第二工作模式；
n个光源模块，每个所述光源模块对应一个所述光致变色滤光片，所述光源模块用于在接入预设电源信号时以预设功率发光，使对应的光致变色滤光片处于第一工作模式；所述光源模块还用于在停止发光时，使对应的光致变色滤光片处于第二工作模式；
其中，所述n个电致变色滤光片处于第一工作模式时的透过率互不相同，或者，所述n个光致变色滤光片处于第一工作模式时的透过率互不相同；
所述滤光片阵列还包括：
n个第一电子开关，每个所述第一电子开关对应电连接一个所述电致变色滤光片或所述光源模块；所述第一电子开关用于在闭合时，接通对应的电致变色滤光片与预设电压信号之间的电连接，使对应的电致变色滤光片处于第一工作模式；所述第一电子开关还用于在断开时，断开对应的电致变色滤光片与预设电压信号之间的电连接，使对应的电致变色滤光片处于第二工作模式；或者，所述第一电子开关用于闭合时，使对应的光源模块接入预设电源信号并以预设功率发光，所述第一电子开关还用于在断开时，使对应的光源模块停止发光；
至少一个宽带滤光片，不同的所述宽带滤光片用于在位于所述至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片的入射光路时，滤除所述待测光束中不同带宽范围的杂散光；
所述n个电致变色滤光片用于实现2n种不同的工作模式组合，对所述待测光束进行滤光，得到与所述2n种不同的工作模式组合对应的N束待测子光束；
所述n个光致变色滤光片用于实现2n种不同的工作模式组合，对所述待测光束进行滤光，得到与所述2n种不同的工作模式组合对应的N束待测子光束；
其中，2n =N，n≥1且n为整数。
2.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述n个电致变色滤光片并联且接入同一第一预设电压信号和/或同一第二预设电压信号；
或者，所述n个电致变色滤光片分别接入不同的第一预设电压信号和/或不同的第二预设电压信号。
3.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述n个第一电子开关闭合用于接入同一预设电源信号；
或者，所述n个第一电子开关闭合用于分别接入不同的预设电源信号。
4.如权利要求2或3所述的微型光谱仪，其特征在于，所述N个不相关的线性方程组的表达式如下：
，sequence=(0,0,0,…,0) ~ (1,1,1,…,1)；
；
其中，表示待测子光束的光强度，sequence表示工作模式组合，表示波长为的待测子光束的光谱值，表示第一滤光片的透过率函数，表示第一滤光片的工作模式，1表示第一工作模式，0表示第二工作模式，1＞＞0。
5.如权利要求1-4任一项所述的微型光谱仪，其特征在于，所述滤光片阵列还包括：
第二电子开关，与所述处理器电连接，用于在所述处理器的控制下闭合或断开；
电机，与所述至少一个宽带滤光片机械连接并与所述第二电子开关电连接，用于在所述第二电子开关闭合时与所述处理器电连接，在所述处理器的控制下运动，将所述至少一个宽带滤光片中的一个切换至所述至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片的入射光路时；所述电机还用于在所述第二电子开关断开时，断开与所述处理器之间的电连接并停止运动；
或者，所述滤光片阵列还包括机械开关，所述机械开关与所述至少一个宽带滤光片机械连接，用于用户手动控制所述机械开关将所述至少一个宽带滤光片中的一个切换至所述至少一个电致变色滤光片或至少一个光致变色滤光片的入射光路。
6.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述微型光谱仪还包括扩束准直器件，设置于所述待测光束的传播光路且位于所述滤光片阵列的入射光路，用于对所述待测光束进行扩束和准直后出射至所述滤光片阵列。
7.一种光谱检测方法，其特征在于，基于权利要求1~6任一项所述的微型光谱仪实现，所述光谱检测方法包括：
对待测光束进行滤光，得到N束待测子光束；
探测所述N束待测子光束的光强度；
根据所述N束待测子光束的光强度，得到光谱响应函数的N个不相关的线性方程组；
根据所述N个不相关的线性方程组，得到所述N束待测子光束的光谱值，完成对所述待测光束的光谱检测；
其中，N≥1且N为整数；
所述对待测光束进行滤光，得到N束待测子光束包括：
控制每个所述第一电子开关随机闭合或断开，使每个所述电致变色滤光片或光致变色滤光片在第一工作模式和第二工作模式之间随机切换，使所述n个电致变色滤光片或光致变色滤光片实现2n种不同的工作模式组合，在每种工作模式组合下对所述待测光束进行滤光，得到与所述2n种不同的工作模式组合对应的N束待测子光束。
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