CN111464700A - 具有成像光谱检测功能的新型智能手机及其光谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有成像光谱检测功能的新型智能手机及光谱检测方法，具有成像光谱检测功能的新型智能手机包括置于手机壳体内的光源、光学镜头、成像光谱模组、电子组件、传输组件和PCB主板，所述光源与PCB主板电连接、PCB主板与传输组件电连接，传输组件与电子组件电连接、电子组件与成像光谱模组电连接，光学镜头卡接在成像光谱模组上，成像光谱模组包括微透镜阵列、光谱调制膜层以及光电转换部分。利用光谱调制薄膜与光电转换部分相结合形成成像光谱模组，实现智能手机对待测物质光谱进行实时、快速、在线检测，在检测应用过程中操作简单，无需专业技术人员操作，系统可靠性强。

Description

具有成像光谱检测功能的新型智能手机及其光谱检测方法

技术领域

本发明涉及智能手机领域，特别是具有成像光谱检测功能的新型智能手机及其光谱检测方法。

背景技术

智能手机作为一个大众化的消费级产品，其照相能力由于激烈竞争而发展很快，然而到目前为止，尚未看到一款具有成像光谱拍摄功能的手机。专利CN 107084790A《基于智能手机的便携式光谱仪及其光谱检测方法》，该专利是将现有成熟的光纤光谱仪外置于手机摄像头上，其中外置的光谱仪包括传导光纤、光学准直系统和光学色散系统，待测光信号经光谱仪分光后形成按波长依次排列的彩色条纹，利用手机摄像头对色散条纹进行拍摄，得到彩色条纹图片每个像素位置点的RGB值，即为像素点光谱曲线；其缺点在于没有摆脱传统光谱仪系统庞大、成本昂贵的瓶颈，且光谱计算方法没有摆脱手机摄像头对RGB灰度值的相应，也就是对于不同手机绘制出来的光谱存在不一致性，另外该专利仅将可见光(380nm～780nm)分成四个波段，光谱分辨率低，很难实现其广泛的应用；

专利CN 106415239 A《可在不同波长(多光谱)中拍摄图像的一定显微成像设备》，该专利将多光谱成像系统与手机集成，下图是其成像设备的成像镜头的装配图，包括接触式透镜、光扩散器、LED前方的偏振滤光片、滤光盘、透镜盘等等，根据待测物质的吸收和反射特性选择LED模块所提供的特定波长光波，调整其光强，照射待测物质后进入摄像头前，经选择特定的滤光、扩束设备后由手机摄像头成像；从其成像设备的成像镜头的装配图就可以看出系统之庞大，操作之复杂，很难实现工业化，也难以普及，且该专利的分光特性由滤光盘完成，消耗了大量的光能量，影响其成像；

专利CN 104062007 B《手机光谱仪模块及具有该手机光谱仪模块的手机光谱仪》，该专利是将传统的反射式光栅作为手机光谱仪的分光元件，是其手机光谱模块的光路图，由狭缝、平凸准直透镜、反射光栅、球面镜、双凸透镜以及手机镜头接收面构成。其工作原理与第一个专利相似，区别在于所选择的分光元件不同；专利CN109596215 A《一种基于智能手机测量光谱的便携装置及其光谱检测方法》；两专利均是与手机摄像头结合并未提高其分辨本领，且体积庞大，容易受到外界干扰，系统器件要求精度高，导致其具有较高成本，很难普及，且狭缝阻挡大量光强，能量利用率低，因此应用场景和领域很局限。

专利CN 105372185 A《一种具有光谱分析功能的智能手机和平板电脑》，该专利在智能手机内安装光谱分析系统、摄像头和激光光源，下图是具有光谱分析功能的智能手机示意图，利用光谱分析系统控制伸缩式摄像头和激光光源，聚焦的激光光源将待测样品中的元素气化，根据其原子谱或离子谱的波长分析元素种类，再根据谱线的强度对元素的浓度进行分析。该专利设计结构紧凑，克服了配备大型传统分光元件给整个系统带来的操作复杂性。并未提出光谱分析系统的具体结构和实现原理。

发明内容

本发明的目的在于解决以上现有技术的不足，提供一种具有成像光谱检测功能的新型智能手机及其处理方法。

为实现以上目的提供以下技术方案：

具有成像光谱检测功能的新型智能手机，包括置于手机壳体内的光源、光学镜头、成像光谱模组、电子组件、传输组件和PCB主板，所述光源与PCB主板电连接、PCB主板与传输组件电连接，传输组件与电子组件电连接、电子组件与成像光谱模组电连接，光学镜头卡接在成像光谱模组上，成像光谱模组包括微透镜阵列、光谱调制膜层以及光电转换部分。

优选地，所述光谱调制膜层为单层结构，其是由已知且透光率不同的N种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括N个周期，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换部分上的M个像素，其中M大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换部分上的所有像素，与每个像素对应的光谱调制薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的光谱调制薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息，实现高精度的成像功能。

优选地，光电转换部分为可见波段传感器或红外波段传感器，其中可见波段传感器包括CMOS图像传感器和CCD图像传感器；红外波段传感器包括铟镓砷图像传感器和碲镉汞图像传感器。

具有成像光谱检测功能的新型智能手机的光谱检测方法，包括以下步骤：

S1：PCB主板接收到来自手机APP发出的光谱检测信号时，控制光源开启，光源根据APP上选定的待测物发出所对应的激发光，光源开启持续时间范围是1ms到1S；

S2：待测物将激发光反射到光学镜头，再到达成像光谱模组的微透镜阵列，微透镜阵列将入射光汇聚，与成像光谱模组中的光电转换部分的像元一一对应；

S3：经过微透镜阵列汇聚的入射光束穿过中间层的光谱调制膜层，在穿过的过程中，被光谱调制膜层的光谱透过率影响，其透射光谱线型发生变化，每个单元中不同像素上的光谱调制膜层透射特性不同，组合起来可以复原出入射光的光谱线型，实现光谱功能；不同单元按照周期排列，覆盖所有像素，实现对所有入射信号进行滤光；光谱调制膜层将调制好的光谱强度信息传递给光电转换部分，光电转换部分将光谱信息转换成电信号，传递给电子组件；

S4：电子组件将光电转换部分获取的电信号进行模数转化，得到数字电信号，采用通用协议对这些数字的电信号进行编码；

S5：传输组件将已编码的数字电信号传输到PCB主板；

S6：PCB主板将数字电信号传输到智能手机自带的图像信号处理器输入接口，再由图像信号处理器根据数据电信号显示待测物的图像和光谱信息。

本发明的有益效果为：

1、基于智能手机现有的数据与图像处理平台，利用光谱调制膜层与光电转换部分相结合形成成像光谱模组，实现智能手机对待测物质光谱进行实时、快速、在线检测，在检测应用过程中操作简单，无需专业技术人员操作，系统可靠性强；

2、从硬件角度，由于与传统智能手机唯一不同之处的光谱调制膜层厚度仅为微米量级，其大小也可依据探测器调制，因此几乎不影响手机的厚度和重量；

3、本发明的成像光谱模组具有能量利用率高、光谱范围广、光谱分辨率高以及空间分辨率高等优点，另外其生产工艺成熟，成本低，易于推广，具有较大的社会效益。

附图说明

图1为一种具有成像光谱检测功能的新型智能手机爆炸示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种具有成像光谱检测功能的新型智能手机，如图1所示包括置于手机壳体内的光源1、光学镜头2、成像光谱模组3、电子组件、传输组件和PCB主板4，所述光源1与PCB主板4电连接、PCB主板4与传输组件电连接，传输组件与电子组件电连接、电子组件与成像光谱模组3电连接，光学镜头2卡接在成像光谱模组3上，成像光谱模组3包括微透镜阵列、光谱调制膜层以及光电转换部分。

其中，光电转换部分为可见波段传感器或红外波段传感器，其中可见波段传感器包括CMOS图像传感器和CCD图像传感器；红外波段传感器包括铟镓砷图像传感器和碲镉汞图像传感器。

其中，所述光谱调制膜层为单层结构，其是由已知且透光率不同的N种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括N个周期，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换部分上的M个像素，其中M大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换部分上的所有像素，与每个像素对应的光谱调制薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的光谱调制薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息，实现高精度的成像功能。

一种具有成像光谱检测功能的新型智能手机的光谱检测方法，包括以下步骤：

S1：PCB主板接收到来自手机APP发出的光谱检测信号时，控制光源开启，光源根据APP上选定的待测物发出所对应的激发光，光源开启持续时间范围是1ms到1S；

S2：待测物将激发光反射到光学镜头，再到达成像光谱模组的微透镜阵列，微透镜阵列将入射光汇聚，与成像光谱模组中的光电转换部分的像元一一对应；

S3：经过微透镜阵列汇聚的入射光束穿过中间层的光谱调制膜层，在穿过的过程中，被光谱调制膜层的光谱透过率影响，其透射光谱线型发生变化，每个单元中不同像素上的光谱调制膜层透射特性不同，组合起来可以复原出入射光的光谱线型，实现光谱功能；不同单元按照周期排列，覆盖所有像素，实现对所有入射信号进行滤光；光谱调制膜层将调制好的光谱强度信息传递给光电转换部分，光电转换部分将光谱信息转换成电信号，传递给电子组件；

S4：电子组件将光电转换部分获取的电信号进行模数转化，得到数字电信号，采用通用协议对这些数字的电信号进行编码；

S5：传输组件将已编码的数字电信号传输到PCB主板；

S6：PCB主板将数字电信号传输到智能手机自带的图像信号处理器输入接口，再由图像信号处理器根据数据电信号显示待测物的图像和光谱信息。

智能手机光谱检测范围不仅限于反射光谱、散射光谱和吸收光谱，可检测光谱还包括分子光谱和原子光谱，可检测的物质包括固体、液体、气体和等离子体。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.具有成像光谱检测功能的新型智能手机，其特征在于，包括置于手机壳体内的光源、光学镜头、成像光谱模组、电子组件、传输组件和PCB主板，所述光源与PCB主板电连接、PCB主板与传输组件电连接，传输组件与电子组件电连接、电子组件与成像光谱模组电连接，光学镜头卡接在成像光谱模组上，成像光谱模组包括微透镜阵列、光谱调制膜层以及光电转换部分。

2.根据权利要求1所述的具有成像光谱检测功能的新型智能手机，其特征在于，所述光谱调制膜层为单层结构，其是由已知且透光率不同的N种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括N个周期，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换部分上的M个像素，其中M大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换部分上的所有像素，与每个像素对应的光谱调制薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的光谱调制薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息，实现高精度的成像功能。

3.根据权利要求1所述的具有成像光谱检测功能的新型智能手机，其特征在于，光电转换部分为可见波段传感器或红外波段传感器，其中可见波段传感器包括CMOS图像传感器和CCD图像传感器；红外波段传感器包括铟镓砷图像传感器和碲镉汞图像传感器。

4.根据权利要求1所述的具有成像光谱检测功能的新型智能手机的光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：PCB主板接收到来自手机APP发出的光谱检测信号时，控制光源开启，光源根据APP上选定的待测物发出所对应的激发光，光源开启持续时间范围是1ms到1S；

S2：待测物将激发光反射到光学镜头，再到达成像光谱模组的微透镜阵列，微透镜阵列将入射光汇聚，与成像光谱模组中的光电转换部分的像元一一对应；

S3：经过微透镜阵列汇聚的入射光束穿过中间层的光谱调制膜层，在穿过的过程中，被光谱调制膜层的光谱透过率影响，其透射光谱线型发生变化，每个单元中不同像素上的光谱调制膜层透射特性不同，组合起来可以复原出入射光的光谱线型，实现光谱功能；不同单元按照周期排列，覆盖所有像素，实现对所有入射信号进行滤光；光谱调制膜层将调制好的光谱强度信息传递给光电转换部分，光电转换部分将光谱信息转换成电信号，传递给电子组件；

S4：电子组件将光电转换部分获取的电信号进行模数转化，得到数字电信号，采用通用协议对这些数字的电信号进行编码；

S5：传输组件将已编码的数字电信号传输到PCB主板；

S6：PCB主板将数字电信号传输到智能手机自带的图像信号处理器输入接口，再由图像信号处理器根据数据电信号显示待测物的图像和光谱信息。

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