CN114062304A - 一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统，属于光谱分析领域。本发明采用一块小口径的凹球面反射镜来实现传统微型光谱仪的准直成像系统，实现了更小型化的结构和更高的分辨率，将光源、光谱仪与数据处理设备集成为一个便携式的系统。光谱仪由光纤、狭缝、凹球面反射镜、衍射光栅组成，由智能手机拍摄上述光谱仪形成的光谱图像。光谱仪探测范围是400nm‑1100nm，中心波长分辨率达到为0.3nm。基于此系统，配套手机APP包括图像处理、光谱分析程序，使用不同数学模型可对不同成分进行含量、浓度等分析。本发明解决了现有手机光谱仪技术分辨率低、光谱范围窄、元件多、体积大等缺陷，是一种实用的便携式光谱分析解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，尤其涉及一种基于智能手机的微型化漫反射光谱测量系统。
背景技术
近红外光谱技术是90年代以来发展最快、最引人注目的分析技术之一。由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性，且其仪器较简单、分析速度快、非破坏性和样品制备量小、几乎适合各类样品(液体、粘稠体、涂层、粉末和固体)分析。
近几年，随着化学计量学、光纤和计算机技术的发展，近红外光谱分析特别是漫反射光谱分析技术，正以惊人的速度应用于包括农牧、食品、化工、石化、制药、烟草等在内的许多领域。近红外光谱分析的基本原理：近红外光源照射被测物，通过采集在被测物上产生的漫反射光并分析，以达到获取被测物相应特征的目的。同时以智能手机为代表的移动设备已发展成为智能数据终端，各种与手机结合的装置推陈出新，可快捷、简便地完成信息的采集与分析。
光纤光谱仪种类繁多，但大多需要特定的探测装置如CCD、嵌入式工控机等，且体积较大，便携性能有待进一步提高。
发明内容
针对上述现有技术缺点，本发明设计了一种漫反射反射光谱测量系统，可用于便携式近红外光谱检测。在保留近红外光纤光谱仪的快速、无损、多元数据分析的同时，整体结构紧凑、微型化。针对特定探测装置，本设计采用智能手机镜头作为光谱探测器，可与手机数据处理功能和相应的操作软件连接，模块化，便于扩展外设，形成产品。
本发明的目的是这样实现的：
一种于智能手机的微型化近红外光光纤光谱仪，包括：外壳、光源与照明系统、传输系统、准直系统、分光色散系统、成像系统、探测接收系统；
其中：外壳可阻挡杂散光，并提供光线输入和输出通道；光源与照明系统位于检测端与被测物接触，连接传输系统将漫反射光传输至分光色散系统；准直系统配合传输系统，由机械结构限制光线方向；分光色散系统位于成像系统及前传输系统输出端下方；成像系统，位于传输系统输出端后一定距离；探测接收系统位于成像后的光谱焦面处；整体光路呈M型结构。
进一步地，所述的光源与照明系统为环形LED光源，用于照明被测物。
进一步地，所述的传输系统为光纤，将漫反射光传输至分光色散系统。
进一步地，所述的分光色散系统由反射式闪耀光栅组成，光栅刻线密度为600线/mm，配合成像系统将含有多波段信息的光色散为分立的完整光谱。
进一步地，所述的成像系统由镀铝凹面反射镜组成，将采集到的光反射至光栅，并将分光后的光谱成像到焦面上。
进一步地，所述的探测接收系统功能由智能手机完成，镜头接收光谱信息，开发手机软件进行光谱处理，可探测光谱范围为400-1100nm。
进一步地，所述手机软件中可嵌入不同数学模型进行多种形式的光谱分析。
本发明所述的光谱仪结构通过改变光路结构，配合机械结构使得整体结构紧凑，实现了光谱仪微型化，中心波长分辨率可达到0.3nm，后续可根据探测波段需要，通过调整光栅倾斜角度跟进优化。
本发明所述的探测方法将分光后的光谱信息由手机镜头接收并由手机进行光谱分析，在光谱可视化的同时尽量减少了探测的步骤，可缩短分析光谱的时间，且使得本发明的光谱仪便携化、模块化，可扩展外设，形成产品。
本发明的有益效果在于，由于本发明的光谱仪结构使光路折叠，使得光谱仪微型化；充分利用机械结构，使得探测波段范围可调；基于智能手机的光谱探测使得整体结构便携化、模块化，可进一步优化使得产品化。本发明由光纤探测，M型光路获取分光光谱，智能手机分析光谱，既保留了近红外光纤光谱仪快速、无损的特点，又使得探测范围灵活，结构微型化、模块化；配套外壳和光纤传输减少了杂光干扰，配合机械结构提升了光谱信号信噪比和分辨率。
附图说明
图1基于智能手机的光纤光谱仪外形示意图
图2是基于Zemax优化设计的光谱仪光路结构示意图。
图3是基于智能手机的光纤光谱仪结构示意图。
图4是智能手机红外发射模块示意图。
图5是光谱仪光学系统点列图。
图6是光谱仪865nm和865.3nm谱线分析示意图。
图7是照明光源的外壳。
图1中：1-光纤；
图2中：2-狭缝、3-凹球面反射镜、4-闪耀光栅、5-手机镜头、6-手机CMOS；
图3中：1-光纤、2-狭缝、3-凹球面反射镜、4-闪耀光栅、7-外壳、8-光栅底座；
图4中：9-手机红外发射模块；
图7中：10-光源外壳。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。
如图1至图4所示，本发明实施样例中包括光谱仪模块和一台智能手机。
光谱仪模块包括外壳7，其开口处通过法兰连接光纤1引入待分析光线，光纤头上安装狭缝2产生光谱仪模块的入射光，经凹球面反射镜3的下半部分准直成为平行光。平行光照射到衍射光栅4上发生色散，波长不同的光分开成为不同角度传播的平行光。经色散的光束照在凹球面反射镜3的上半部分，聚焦在光谱面上，不同波长的光在焦平面上分开，形成光谱带。
插入理想透镜5模拟手机镜头，对焦平面上的光谱实像进行成像，在手机相机模组的CMOS6上得到光谱图像。
为了给手机镜头留出对焦的空间，光谱像面距离手机镜头应大于5cm或采用微距模式拍摄。本发明的光谱获取方式为读取图片像素，所以需要保证手机与光谱模块相对位置确定才能准确提取光谱。通过手机相机模组的红外模块9发出的红外光，由凹球面反射镜反射并聚焦，被相机模组捕获。将上述的红外光点与相对应的像素标记，当手机拆卸并再次安装时，调整手机位置使这些像素感光即可确定手机的正确位置，保证模块的可拆卸性和便携性。采
集漫反射光谱图像后，图像处理程序读取一列固定的像素点并提取其R、G、B值，基于RGB值进行Gamma变换得到准确的物理光强，再经过卷积平滑输入光谱显示程序显示光谱曲线。最后将数据输入光谱分析程序，计算得到被分析成分的含或浓度。
如图5至图6所示，本发明的光谱探测范围在400nm-1100nm。图5为400nm-1100nm波段光学系统点列图，图6为865nm与865.3nm的点列图，二者光斑恰好分开，本发明中的光谱模块分辨率达到0.3nm，能满足大多数光谱分析需求。
如图7所示，本发明附加的光源模块由环形LED和电源组成，光源外壳10可以通过法兰与光纤头连接，对被测样品提供照明与漫反射光收集。光源外壳10上开有散热孔，防止光源烧毁；光源外壳10上开有导线孔，便于走线。
本实施例中，光谱探测端和数据处理终端除可使用智能手机外还可以扩展为任何具有摄像头的智能终端，如平板电脑等。由于手机有红外自动对焦系统，智能手机摄像头所处位置可在光谱成像面前后有稍许移动，不影响成像质量和光谱分辨率。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统，其特征在于所述装置包括：光纤、狭缝、衍射光栅、凹球面反射镜、LED光源、智能手机与红外发射模块、智能手机上安装的光谱处理软件；
其中：光纤一端与LED光源连接，用于获得样品漫反射光；狭缝安装在光纤另一端；凹球面反射镜安装在狭缝前作为准直和成像元件；衍射光栅放置在凹球面反射镜前25-30mm处；智能手机安装在凹球面反射镜前40-60mm处，手机安装专用的光谱处理软件；手机红外发射模块的反射光应照射在手机CMOS的对应像素上。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统，其特征在于所述的LED光源包括外壳、近红外发射LED、可见光LED环形光源、恒流稳压电源；外壳可与被测物贴合，光纤头采集漫反射光。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统，其特征在于所述的光谱处理软件包含图像处理程序、光谱分析程序，对智能手机获取的光谱图像进行处理分析。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统，其特征在于准直、成像系统由凹球面反射镜的两个部分构成；准直系统配合机械结构，限制光线传输方向；成像系统将色散后的光线成像在光谱面上。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统，其特征在于狭缝与凹球面反射镜光轴垂直距离为20-25mm，且光纤发出的光束完全包含在球面反射镜口径内。
6.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统，其特征在于光纤芯径应大于500μm，数值孔径NA＝0.22或0.37。
7.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统，其特征在于手机摄像头与光谱像面距离应大于50mm。
8.根据权利要求3所述的图像处理程序，其特征在于包含读取图片像素、卷积平滑、Gamma变换、光谱显示程序。
9.根据权利要求3所述的光谱分析程序，其特征在于可分别嵌入被分析样品不同化学成分的对应数学模型，数学模型输出量可以为含量、浓度、存在性等多种形式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220218 |