CN114739905A - 一种双光路光谱仪及测色装置与校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光路光谱仪及测色装置与校准方法，测色装置获取被测样品反射光和测试光源反射光，通过Y形光路单元分别输入光谱仪的第一入射狭缝、第二入射狭缝，经透镜入射到光栅，光栅分光返回的衍射光斑，再经透镜，错位分布在入射狭缝侧的传感器光敏面上，光敏面上配合设置具有错位开口的光阑，使得每个错位开口处的光敏面只接收一个光路的光信号，改善了分光测色的短期重复性。波长校准时，通过Y形光路单元分别获取校准光源的光信号，根据光谱仪的传感器将采集到的光信号的像元位置信息，通过四阶多项式对波长数据和像元位置信息进行拟合，调整像元与波长的对应关系，从而对波长进行校准，改善了分光测色的短期重复性。

Description

一种双光路光谱仪及测色装置与校准方法

技术领域

本发明涉及测色技术领域，尤其是双光路光谱仪，以及基于双光路光谱仪的测色装置及波长校准方法。

背景技术

测色仪通过获得被测样品表面可见光范围内的光谱反射率曲线，计算得到颜色三刺激值和其它色参量。测量重复性时评价测色仪性能的重要指标。测色仪主要由光源和照明系统、分光系统、光电接收系统、控制和数据处理系统等组成。其中，分光系统将混合光分解成单色光，光电接收系统接收单色光并进行光电转换，这两部分合称为光谱仪。光谱仪是测色仪的核心组成部分，不仅要满足一系列的指标要求，而且对于整个测色仪的性能和结构起着决定性作用。大多数测色仪均采用脉冲氙灯作为光源。在测量的过程中，脉冲氙灯每次点亮时的光谱能量会发生较大变化，通常采用双光路设计来消除光源波动对仪器重复性产生的影响，即一条光路传感器检测被测物体表面反射光谱信号，另一条光路传感器检测光源能量波动，通过两个传感器的信号对比，即可消除光源波动对测量产生的影响，保证测量重复性。

现有的双光路设计均采用两个光谱仪分别检测两个光路的信号，一个测量被测样品的光谱信息，称作样品探测支路光谱仪，一个测量光源能量波动，称作光源监测支路光谱仪，即双光路系统中存在两个光栅和两个传感器。即使两个光谱仪是同一品牌同一型号，但是由于光栅、光路机械结构和传感器性能参数的不一致，该差别为测色仪带来的误差，即便使用双光路也无法抵消，继而导致工作环境温度、湿度发生改变时两个光谱仪因变化不一致，致使测色仪的短期重复性和长期重复性较差。

发明内容

为解决现有技术的不足，实现提高测色仪短期重复性和长期重复性的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种双光路光谱仪，包括入射狭缝、透镜、光栅、传感器和光阑，入射狭缝包括第一入射狭缝、第二入射狭缝，所述光栅为凹面光栅，所述透镜为平凸透镜，凹面光栅的凹面与平凸透镜的凸面配合设置，被测样品反射光、测试光源反射光两条光路分别通过第一入射狭缝、第二入射狭缝，经透镜入射到光栅，光栅分光返回的两条衍射光斑，再经透镜，错位分布在入射狭缝侧的传感器光敏面上，从而优化光谱仪结构，光敏面上配合设置具有错位开口的光阑，对370-730nm以外的光进行拦截，使得每个错位开口处的光敏面只接收一个光路的光信号，从而实现了通过单光栅单传感器，便能实现双光路光谱仪的功能，降低了成本，对于两个光路，光栅、光路结构和传感器的变化一致，有效的减小了短期测量重复性。

进一步地，传感器的光敏面接收单个光路光信号的宽度dl对应的波长范围为dλ＝730-370nm，根据光谱仪的色散率dλ/dl＝56.25±10％nm/mm，设置光阑的错位开口宽度为dl，通过色散率限定了光阑错位开口的最佳宽度范围。

进一步地，dl＝6.4mm，为光阑最佳的错位开口宽度。

进一步地，光阑的错位开口有两个，分别对应光阑分光返回的两条衍射光斑，两个错位开口为横向排布、上下错位且相互平行的矩形开口，横向排布的矩形开口与第一、第二入射狭缝的连线所构成的锐角，在±30度以内。

进一步地，入射狭缝设有370nm长波通滤光片，用于消除二级衍射光对采集的指定波段(370-730nm)波长小于370nm的光信号进入光谱仪所产生的影响。

进一步地，传感器为线阵传感器，通过光阑的错位开口，线阵传感器光敏面的单个像元只接收一个光路的光信号。

进一步地，为光栅设置杂散光消除单元，杂散光消除单元为一组波形光锥，波形光锥向凹面光栅侧倾斜，从而消除光栅产生的其他衍射光。

基于单光栅单传感器双光路的光谱仪的分光测色装置，包括光信号获取单元，光信号获取单元分别通过两个Y形光路单元，与双光路光谱仪连接，Y形光路单元包括两个输入端和一个输出端，其中第一Y形光路单元的输入端与光信号获取单元连接，用于获取被测样品反射光，另一个输入端与校准光源连接，输出端与第一入射狭缝的入射口连接；第二Y形光路单元的输入端与光信号获取单元连接，用于获取测试光源反射光，另一个输入端与校准光源连接，输出端与第二入射狭缝的入射口连接，校准光源用于装置的标定和测试。

一种基于单光栅单传感器双光路的光谱仪的分光测色装置的波长校准方法，包括如下步骤：

步骤S1：通过两个Y形光路单元，分别获取校准光源的光信号；

步骤S2：传感器采集校准光源的光信号；

步骤S3：获取传感器上采集到光信号的像元位置信息，光信号包含两条光路的两个通道，取其中一个通道数据；

步骤S4：通过四阶多项式对波长数据和像元位置信息进行拟合，调整像元与波长的对应关系，从而对波长进行校准，四阶多项式如下：

y＝C₄x⁴+C₃x³+C₂x²+C₁x+C₀ (5)

y表示波长数据，x表示波长对应的像元位置信息，通过多组数据计算出的系数C₄、C₃、C₂、C₁、C₀，即得到波长和像元位置的关系。

进一步地，像元是线阵传感器的感光单元，若干个感光单元按直线逐个排列组成线阵传感器的感光面，按排列的位置进行编号形成像元序列号，以线阵传感器的感光面上接收到光信号的像元序列号表示像元位置信息。

本发明的优势和有益效果在于：

本发明的采用一个光栅作为分光器件，一个线阵传感器作为传感器件对系统的主通道和副通道同时进行采样，采样结果相对于现有技术，在节约成本、优化光谱仪结构的同时，大大降低了温度变化导致的光栅、光路结构和传感器变化不一致对仪器短期测量重复性产生的影响。同时本发明设计了测色仪及其校准方法，采用波长校准方法对由温度变化导致的采样数据变化进行校准，降低了温度变化对仪器长期测量重复性产生的影响。

附图说明

图1是本发明实施例中双光路光谱仪结构示意图。

图2是本发明实施例中双光路光谱仪光阑遮挡示意图。

图3是本发明实施例中CMOS线阵图像传感器波长灵敏度曲线图。

图4是本发明实施例中双光路光谱仪光路图。

图5是本发明实施例中双光路光谱仪光路侧视图。

图6a是本发明实施例中双光路光谱仪的光斑图。

图6b是本发明实施例中双光路光谱仪的光谱分辨率图。

图7是本发明实施例中线阵传感器光敏面的光阑结构示意图。

图8是本发明实施例中杂散光消除单元的结构示意图。

图9a是本发明实施例中双光路光谱仪与Y形光纤的结构示意图。

图9b是本发明实施例中双光路光谱仪的分光测色装置结构示意图。

图10是本发明实施例中双光路光谱仪的校准方法的流程图。

图11a是本发明实施例中双光路光谱仪采集的汞氩气体灯谱线图。

图11b是本发明实施例的汞氩气体灯谱线图中通道1的光谱曲线图。

图12是本发明实施例的波长校准方法中通道1的四阶多项式拟合时光谱定标曲线图。

图13是本发明实施例的实验一中温度为20℃时分光测色装置的色差变化图。

图14是本发明实施例的实验二中不校准时分光测色装置在10℃至35℃温度下的色差变化图。

图15是本发明实施例的实验三中分光测色装置在10℃至35℃温度下的色差变化图。

其中，1、透镜，2、第一入射狭缝，3、第二入射狭缝，4、波形光锥，5、光栅，6、错位开口，7、光阑，8、线阵传感器，9、滤光片，10、第一Y形光纤，11、校准光源，12、第二Y形光纤。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

现有技术中，常用D/8结构测色仪光路结构，为了达到良好的测量重复性，通常选积分球内壁作为参考点，来消除光源波动对仪器重复性产生的影响。测试光源的光束照射到积分球上，经过积分球均匀化后，漫射照明到被测样品上，被测样品的反射光进入主光路光谱仪，由积分球参考内壁反射的光则进入辅光路光谱仪。主光路光谱仪测得的被测样品的反射光谱为P₀(λ)，辅光路光谱仪测得的光源的光谱为P_s(λ)，光源输入的光强为S(λ)，由于光源能量的变化，光强会改变为k(λ)S(λ)，主光路光谱仪得到被测样品的反射光谱随之变化为k(λ)P₀(λ)，辅光路光谱仪测得的光源的光谱随之改变为k(λ)P_s(λ)，通过公式(1)的比值，消除由于光源波动对测量带来的影响。

k(λ)表示光源光强的变化比例。

采用两个独立的光谱仪作为双光路结构，在可调控的恒温恒湿试验箱中，使用同一台测色仪和同一个样品，将样品固定在测量口处，做多次测量，得到每次测量的L、a、b值后，以第一次测量数据为参考值做色差计算，以最终计算的色差值的标准偏差来评价仪器的重复性。

色差按CIELAB均匀色空间下的色差公式计算，公式为：

其中，ΔL^*表示参考样品与被测样品两者明度指数L^*的差值，Δa^*、Δb^*表示参考样品与被测样品色度指数a^*和b^*相应的差值。

色差的标准偏差S_ΔE为：

其中，ΔE_i表示第i次测量的色差值，n表示测量次数，

表示n次测量色差的平均值。

在环境温度、湿度不变时，随着测量次数增加，仪器测量的短期重复性变差；在环境湿度一定，温度改变时，仪器测量的短期重复性较差，且长期重复性也较差。因此，采用双光栅双传感器的双光路结构，并不能有效校正温度变化对仪器测量重复性的影响。

产生该现象的原因主要有以下两方面：

1、光谱仪是对光成分进行定量检测的仪器，通过色散成像，光谱仪探测器每个像素都接收到一个特定波长的光强信号。在温度变化时，仪器的光路结构和光栅的相对位置会发生变化，这会导致波长和传感器像元的对应关系发生一定的错位，使得仪器采样数据发生变化，结果是仪器测量的长期重复性较差。

2、温度变化时两个传感器的光谱响应和暗电流都会发生改变，但是因为两个传感器所处的环境温度变化并不是完全一致的，这导致了两个传感器的光谱响应效率和暗电流的变化不一致。在校准之后，若温度发生变化，会导致两个传感器对同样能量的光信号，产生的光电流不一样。结果是仪器测量的短期重复性较差。传感器的光谱响应反应了器件对各波长入射光的响应灵敏度，从而决定了器件的应用范围，而温度变化对光谱响应特性产生了重要影响。暗电流时传感器一个十分重要的性能指标，它决定了器件探测率的大小，暗电流越小，器件的探测率越小性能越好。温度变化对传感器暗电流的大小影响很大。

为了减小温度变化对仪器短期测量重复性的影响，本发明的实施例设计了双光路光谱仪，使用一个光栅作为分光器件、一个线阵传感器作为探测器，对主通道和辅通道的光信号同时进行测量。通过光路设计和结构设计，将单光栅单传感器的双光路结构设计为一个光谱仪，相较于已有的双光栅双传感器的双光路技术，在温度发生变化时，对于两个光路，光栅、光路结构和传感器的变化一致，有效的减小短期测量重复性。

如图1所示，双光路光谱仪包括两路光线入射狭缝、透镜1、光栅5、线阵传感器8、消除杂散光结构和光路机械结构，两路光信号通过石英光纤，分别照射到第一入射狭缝2，第二入射狭缝3，通过入射狭缝进入光谱仪的光，经过透镜1后以一定的角度入射到光栅5上，由凹面光栅5分光后，再次经过平凸透镜1，并汇聚在入射狭缝下方的线阵传感器8上。

不同波长的光衍射角度不同，分别在线阵传感器8光敏面上聚焦成像，两条光路分光后产生两条衍射光斑，将分布在线阵传感器8的左右两侧并上下错开，使得线阵传感器8的单个像元只接收一个光路的光信号。并在线阵传感器8表面设置光阑7，对370-730nm以外的光进行拦截，如图2所示。

根据光栅5的特性可知，光在光栅5上会发生二级衍射，因此182.5-370nm波段的光，产生的二级衍射光会在370-730nm波段，为了消除二级衍射光对370-730nm波段的光信号的采集，在入射狭缝前端或后端设置370nm长波通滤光片9，防止波长小于370nm的光信号进入光谱仪。

线阵传感器8布置在光谱仪的成像面上，采集光信号后，将其转换为电信号并通过AD转换电路转换为数字信息，最后上传到上位机。

线阵传感器8的光敏面需要大于主光路和辅光路的成像区域。本实施例中选用滨松(Hamamatus)的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体)线阵图像传感器，具体型号为S10121-512Q-01，性能参数如表1所示。光谱响应曲线如图3所示。其光电二极管感光面积满足设计要求，灵敏度高，特别适合作为测色仪的探测器。

表1 CMOS的性能参数

本发明的实施例选用光栅常数1/750的凹面光栅5，光谱范围为350nm-850nm，厚度为1cm，曲率半径为95mm，光栅5口径为20mm。在单光栅单传感器的双光路光谱仪中，单个光路信号的光路如图4所示，其侧视图如图5所示。光路中选用的透镜1是由石英玻璃制作的焦距为32mm的平凸透镜1，厚度为10mm，宽18mm，高20mm。

在光学仿真软件Tracepro中，设置仅显示光栅5的+1级衍射光，在光纤上添加400nm、500nm、600nm、700nm的四个波段的光后，进行光线追迹，可以看到光线穿过光阑7，汇聚在线阵传感器8上。即由该狭缝入射的光，经光栅5分光后最终打在线阵传感器8光敏面上的是+1级衍射光。

在光学仿真软件Tracepro中，设置仅显示光栅5的+1级和-1级衍射光，设置与单光路仿真时相同的光源进行光纤追迹。仿真两个光路信号在单光栅单传感器的双光路光谱仪中的光路，从光路仿真图得出，由两个狭缝入射的光，都分别有+1级、-1级两个级的衍射光，每个光路在光栅5上衍射的+1级和-1级中的其中一级汇聚在了线阵传感器8上，另外一级衍射光分别向线阵传感器8左右两侧传播。

选取探测器光敏面进行光照度分析，单光栅单传感器的双光路光谱仪的光斑图和光谱分辨率图如图6a和图6b所示。400nm、500nm、600nm、700nm的四个波段的光斑在线阵传感器8光敏面的分布图符合单光栅单传感器的双光路光谱仪的设计要求。光谱分辨率图中列举了400nm、405nm、410nm的3个波长的成像效果，由图可知在405nm处的分辨率大约为5nm，仿真结果初步表明了设计的正确性。

两条波长相差dλ的光谱线在成像焦面上分开的距离dl，用dλ/dl(mm/nm)表示，在光谱学实际工作中多以色散倒数dλ/dl表示光谱仪色散性能，即倒线色散率，表示光谱成像在焦面上时，单位长度(mm)所包含的波长范围，其数值越小，线色散率越大。

根据仿真结果设计了线阵传感器8光敏面的光阑7，光阑7上设有横向排布的两个呈矩形的错位开口6，矩形开口上下错开，且与第一、第二入射狭缝的连线呈±30度排布，光阑尺寸如图7所示。由光阑尺寸图可知，线阵传感器8的光敏面接收单个光路光信号的宽度为dl＝6.4mm，该宽度内对应波长范围是dλ＝730-370nm的光，则本发明实施例中设计的光谱仪的色散率dλ/dl＝(730-370)/6.4＝56.25nm/mm。光谱仪的色散率在56.25nm/mm的±10％之间，由此，根据色散率逆向计算，设定线阵传感器8的光敏面接收单个光路光信号的宽度。

杂散光对于光谱分析仪器，会造成谱面背景噪声过大，使谱面边沿模糊甚至出现假谱线，降低仪器的信噪比和动态范围。杂散光的主要来源有：内部散射；光栅、光学器件的反射(近场杂散光)；本发明实施例的单光栅单传感器双光路的光谱仪中，光栅5除产生需要的衍射光外，还会产生其他的衍射光，根据仿真结果，设计如图8所示的两个对称的杂散光消除单元，杂散光消除单元为一组波形光锥4，光锥向凹面光栅5倾斜。并且光谱仪结构件的内外表面都做了涂黑处理。

采用单光栅单传感器实现双光路光谱仪，改善了仪器因为光栅、光路结构和传感器不一致导致的短期重复较差的问题。但是在长时间的温度变化的情况下，光路结构和光栅的相对位置仍会随温度的变化而变化，导致采样数据变化，致使仪器测量的长期重复性较差。

因此，本发明实施例中设计了基于双光路光谱仪的分光测色装置，如图9a、图9b所示，包括双光路光谱仪、校准光源11、Y形光路单元、光信号获取单元，以及整机控制电路、准直光路等功能附件，本发明实施例中探测范围约在370-730nm，使用汞氩气体灯作为校准光源11，对仪器标定和分辨率进行测试，光信号获取单元分别获取被测样品反射光和测试光源反射光，使用Y形光纤作为Y形光路单元，Y形光纤包括两个输入端和一个输出端，在双光路光谱仪的两个入射狭缝处，各接入一个Y形光纤，其中第一Y形光纤10的输入端与光信号获取单元连接，用于获取被测样品反射光，另一个输入端与汞氩气体灯连接，输出端与第一入射狭缝2的入射口连接；第二Y形光纤12的输入端与光信号获取单元连接，用于获取测试光源反射光，另一个输入端与汞氩气体灯连接，输出端与第二入射狭缝3的入射口连接。

光信号获取单元如图9b所示，包括测试光源、测试光源滤光片、积分球和观察口透镜，考虑到测试光源的稳定性、寿命等问题，本发明的实施例采用脉冲氙灯作为测试光源，积分球包括侧面的通光口、挡板、底部的测量口、顶部的观察口和光阱、顶部一侧的参考出光口。

整机控制电路包括光谱仪控制电路和光源控制电路，光谱仪控制电路与双光路光谱仪的线阵传感器8连接，光源控制电路分别与汞氩气体灯和脉冲氙灯连接。

光源控制电路控制脉冲氙灯开启，光束通过测试光源滤光片，照射到积分球内部，经过积分球均匀化后，通过测量口漫射照明到被测样品上，被测样品的反射光依次通过观察口和观察口透镜，输入第一Y形光纤10的一个输入端，由积分球参考内壁反射的光，通过参考出光口作为测试光源反射光，输入第二Y形光纤12的一个输入端，光谱仪控制电路与线阵传感器8连接。

基于该测色装置，构建基于双光路光谱仪的波长校准方法，如图10所示，光谱仪采用线阵传感器8，同时接收各波长的光谱数据，采用波长校准对由温度变化导致的波长偏移进行校准，以确定每一个像元对应的特定波长，具体包括如下步骤：

步骤S1：波长校准时，光源控制电路关闭测试光源，开启汞氩气体灯，使来自汞氩气体灯的光信号，由两个Y形光纤，通过两个入射狭缝进入到光谱仪中，从而得到校准光源11的光信号；

步骤S2：线阵传感器8采集校准光源11的光信号；

步骤S3：获取线阵传感器8上采集到光信号的像元位置，光信号包含两个通道，取其中一个通道数据；

像元是线阵传感器8的感光单元，若干个感光单元按直线逐个排列组成线阵传感器8的感光面，按排列的位置进行编号形成像元序列号，以线阵传感器8的感光面上接收到光信号的像元序列号表示像元位置。

光谱仪的线阵传感器8实际采集到的光谱曲线如图11a所示，谱线图是由两个形状对称的谱线组成，因为一个线阵传感器8同时测量了两个光路的汞氩气体灯信号，这是由双光路光谱仪的光路结构决定的，取其通道1数据进行波长和像元的拟合，该通道的汞氩气体灯光谱数据如图11b所示，识别出6个特征谱线，自左向右依次为404.66nm，435.84nm，546.08nm，578.02nm，696.54nm，706.72nm，其中由于仪器分辨率的问题，576.96nm和579.07nm双峰区分不出来合并为单峰，则取两波长的平均值578.02nm。两个通道的6个特征谱线对应的像元序列号如表2所示；

表2汞氩气体灯谱线对应的像元位置

步骤S4：通过四阶多项式对波长和像元进行拟合，调整像元与波长的对应关系，从而对波长进行校准，四阶多项式如下：

y＝C₄x⁴+C₃x³+C₂x²+C₁x+C₀ (5)

y表示波长数据，x表示波长对应的像元位置，通过多组数据计算出系数C₄、C₃、C₂、C₁、C₀，即得到波长y和像元位置x的关系。通道2也以相同的方法进行拟合。

例如：定标系数如表3所示，其中通道1的拟合结果如图12所示。

表3光谱仪波长定标系数

通过本发明实施例的波长校准方法得到的x、y构成的坐标，与定标系数对应的拟合曲线的距离，即为拟合误差。

所得波长与特征谱线波长拟合误差如表4所示。

表4波长定标函数拟合误差

若在每次测量时都进行校准，会对短期重复性和长期重复性都带来改善。但是会导致单次测量时间过长。因此只在监测到温度变化过大，或时间间隔较长的情况下才进行校准。本发明的实施例设置仪器每隔一段时间自动进行一次波长校准。

采用能量校准，对由温度变化导致的传感器光谱响应效率和暗电流变化进行校准。因为温度导致的传感器光谱响应效率和暗电流的变化，使得长期使用过程中像素的响应值发生了变化。为了保证系统长期测量的稳定性，需要每间隔一段时间采集表面性质不发生变化的标准白板的响应值数据，以标准白板的光谱响应值作为参考标准进行归一化处理。能量校准分为黑校准和白校准。每次工作前以及工作一段时间后，将白板移至测量口，系统采集白板数据进行白校准。在白校准数据测量完成后，将黑板移至采样口，采集黑板数据进行黑校准。测得了黑白校准数据后，再通过下式进行归一化处理：

式中，Φ(λ)表示归一化处理后的波长λ下的响应值，Φ₀(λ)表示归一化处理前的波长λ下的响应值，Φ_W(λ)表示参比白板在波长λ下的响应值，Φ_B(λ)表示消除外界光干扰的波长λ位置处的暗信号。通过黑白校准消除了测量数据的仪器相关性，改善了仪器的性能。

为基于单光栅单传感器双光路分光光谱仪的测色仪，设置三组实验分别对测色仪的短期重复性和长期重复性进行评价。

实验一：分别将普通的双光路测色仪和本发明实施例中基于单光栅单传感器的双光路测色仪，放置在恒温恒湿试验箱中，设置温度为20℃，湿度50％，仪器静置1h后，进行一次校准操作，之后进行测量。让仪器在标准白板同一位置每间隔3秒测量一次，连续测量100次。在整个测量过程中不进行校准操作。设第一次测量的数据为标准数据，计算色差，普通的双光路测色仪的色差变化如图13a所示，计算仪器色差的标准偏差，色差的标准偏差S_ΔE＝0.011，最大最小值偏差为0.04；本发明实施例中基于单光栅单传感器的双光路测色仪色差变化如图13b所示，色差的标准偏差S_ΔE＝0.002，最大最小偏差0.01。

实验二：分别将普通的双光路测色仪和本发明实施例中基于单光栅单传感器的双光路测色仪，放置在恒温恒湿试验箱中，设置温度为10℃，湿度50％，仪器静置1h后，之后进行测量。黑白校准后，让仪器在白板同一位置每间隔5s测量一次，连续测量30次并记录数据。将温度上升至15℃，等仪器静置1h后，让仪器在白板同一位置每间隔5s测量一次，连续测量30次并记录数据。重复操作，每次将温度升高5℃，直至35℃，共测量6组，累计测量180次。

在整个测量过程中，不使用本发明实施例中的波长校准和能量校准，普通的双光路测色仪在10℃至35℃温度下的色差变化如图14a所示，计算的仪器标准偏差S_ΔE＝0.09，最大最小值偏差为0.3；本发明实施例中基于单光栅单传感器的双光路测色仪测量的色差变化如图14b所示。计算仪器色差的标准偏差S_ΔE＝0.018，最大最小偏差0.081。测量重复性也显著优于未采用本文设计的光谱仪的测色仪。

实验三：将仪器放置在恒温恒湿试验箱中，设置温度为10℃，湿度50％，仪器静置1h后，之后进行测量。黑白校准后，让仪器在白板同一位置每间隔5s测量一次，连续测量30次并记录数据。将温度上升至15℃，等仪器静置1h后，让仪器在白板同一位置每间隔5s测量一次，连续测量30次并记录数据。重复操作，每次将温度升高5℃，直至35℃，共测量6组，累计测量180次。

在整个测量过程中，每次温度变化前进行波长校准和能量校准。仪器在10℃至35℃温度下的色差变化如图15所示。计算仪器色差的标准偏差S_ΔE＝0.003，最大最小偏差0.015。

从实验数据得出，采用了本发明双光路光谱仪的测色仪，在温度湿度不变时，其短期测量重复性优于未采用本发明光谱仪的测色仪，色差的标准偏差S_ΔE＝0.002，最大最小偏差0.01。当湿度一定，温度从10℃升高至35℃后，本文设计的测色仪测量色差的标准偏差S_ΔE＝0.009，最大最小偏差0.015，测量重复性显著优于未采用本文设计的光谱仪的测色仪。

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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双光路光谱仪，包括入射狭缝、透镜(1)、光栅(5)、传感器和光阑(7)，其特征在于：所述入射狭缝包括第一入射狭缝(2)、第二入射狭缝(3)，两条光路分别通过第一入射狭缝(2)、第二入射狭缝(3)，经透镜(1)入射到光栅(5)，光栅(5)分光返回的衍射光斑，再经透镜(1)，错位分布在入射狭缝侧的传感器光敏面上，光敏面上配合设置具有错位开口(6)的光阑(7)，使得每个错位开口(6)处的光敏面只接收一个光路的光信号。

2.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：所述传感器的光敏面，接收单个光路光信号的宽度dl对应的波长范围为dλ＝730-370nm，根据光谱仪的色散率dλ/dl＝56.25±10％nm/mm，设置光阑(7)的错位开口(6)宽度为dl。

3.根据权利要求2所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：所述dl＝6.4mm。

4.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于所述光阑(7)的错位开口(6)有两个，分别对应光阑(7)分光返回的两条衍射光斑，两个错位开口(6)为横向排布、上下错位且相互平行的矩形开口，横向排布的矩形开口与第一、第二入射狭缝的连线所构成的锐角，在±30度以内。

5.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：所述入射狭缝设有370nm长波通滤光片(9)，用于消除二级衍射光对采集的指定波段波长小于370nm的光信号进入光谱仪所产生的影响。

6.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：所述传感器为线阵传感器(8)，通过光阑(7)的错位开口(6)，线阵传感器(8)光敏面的单个像元只接收一个光路的光信号。

7.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：为所述光栅(5)设置杂散光消除单元，杂散光消除单元为一组波形光锥(4)，波形光锥(4)向光栅侧倾斜。

8.基于权利要求1所述的双光路光谱仪的测色装置，包括光信号获取单元，其特征在于：所述光信号获取单元，分别通过两个Y形光路单元，与双光路光谱仪连接，Y形光路单元包括两个输入端和一个输出端，其中第一Y形光路单元的输入端与光信号获取单元连接，用于获取被测样品反射光，另一个输入端与校准光源(11)连接，输出端与第一入射狭缝(2)的入射口连接；第二Y形光路单元的输入端与光信号获取单元连接，用于获取测试光源反射光，另一个输入端与校准光源(11)连接，输出端与第二入射狭缝(3)的入射口连接，校准光源(11)用于装置的标定和测试。

9.一种根据权利要求8所述的双光路光谱仪的测色装置的波长校准方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S1：通过两个Y形光路单元，分别获取校准光源(11)的光信号；

步骤S2：传感器采集校准光源(11)的光信号；

步骤S3：获取传感器上采集到光信号的像元位置信息；

步骤S4：通过四阶多项式对波长数据和像元位置信息进行拟合，调整像元与波长的对应关系，从而对波长进行校准，四阶多项式如下：

y＝C₄x⁴+C₃x³+C₂x²+C₁x+C₀ (5)

y表示波长数据，x表示波长对应的像元位置信息，通过计算出的系数C₄、C₃、C₂、C₁、C₀，即得到波长和像元位置的关系。

10.根据权利要求9所述的双光路光谱仪的测色装置的波长校准方法，其特征在于：像元是传感器的感光单元，若干个感光单元排列组成传感器的感光面，按排列的位置进行编号形成像元序列号，以接收到光信号的像元序列号表示像元位置信息。

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