CN116412912A - 批量采集微型光谱仪及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱仪技术领域，提供一种批量采集微型光谱仪及其采集方法，光谱仪包括沿光路方向依次设置的光谱探头、多功能控制筒、光学镜头和面阵快照式多光谱探测器，光谱探头的数量为至少两个，用于探测各自对应的待测样本的光谱信息；多功能控制筒包括光谱探头固定口、快门控制器和筒身，光谱探头固定口固定于筒身的一端，用于等间距固定光谱探头；快门控制器装配于筒身的中间位置，用于调节光束的光通量；筒身用于减少外部杂光；光学镜头用于调节光束的视场角；面阵快照式多光谱探测器中设置有像元阵列，像元阵列用于根据接收的光谱信号，获得多个待测样本的光谱信息。本发明通过单次采集，能够同时获得多个待测样本的光谱信息，提高采集效率。

Description

批量采集微型光谱仪及其采集方法

技术领域

本发明涉及光谱仪技术领域，特别涉及一种批量采集微型光谱仪及其采集方法。

背景技术

光谱仪是利用光学原理将混合光按照不同的波长分成光谱的光学仪器，是分析物质元素成分及内部结构的物理光学设备，随着光谱与光谱分析学的快速发展，光谱仪在多个领域得到了广泛应用。传统光栅分光的光谱仪因造价昂贵、体积重量大的特性成为制约航空航天及众多民用领域发展的重要因素。微型光谱仪能够打破这些限制，具有更强的使用灵活性、环境适应性以及更低的生产成本。当前，非成像微型光谱仪大多数为单点式，即每次只能采集一个待测样本点，且视场角固定，对于庞大的数据量来说，操作繁琐且灵活性差。因此，亟需一种光谱仪以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服单次采集只能获得一个待测样本的光谱信息、灵活性差的缺点，提出一种批量采集微型光谱仪及其采集方法，可通过单次采集获得多个待测样本的光谱信息。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的批量采集微型光谱仪，包括沿光路方向依次设置的光谱探头、多功能控制筒、光学镜头和面阵快照式多光谱探测器，其中，

光谱探头的数量为至少两个，用于探测各自对应的待测样本的光谱信息。

多功能控制筒包括光谱探头固定口、快门控制器和筒身，其中，光谱探头固定口固定于筒身的一端，用于等间距固定光谱探头，使获得的光谱信号在面阵快照式多光谱探测器中的成像无重叠；快门控制器装配于筒身的中间位置，用于调节光束的光通量；筒身用于减少外部杂光。

光学镜头用于调节光束的视场角。

面阵快照式多光谱探测器中设置有像元阵列，像元阵列用于根据接收的光谱信号，获得多个待测样本的光谱信息。

优选地，光谱探头包括反射式光纤探头和两个照明灯，两个照明灯沿灯罩的中垂线对称布置，灯罩与反射式光纤探头装配在一起，反射式光纤探头用于将入射光传递至多功能控制筒，两个照明灯用于对采集点处的待测样本进行光照补偿。

优选地，快门控制器包括光圈机构和可旋转机构，可旋转机构位于筒身的外侧，光圈机构位于筒身的内侧，旋转可旋转机构调节光圈机构的光圈直径，调节光束的光通量。

优选地，面阵快照式多光谱探测器的表面镀制马赛克式的光学薄膜，光学薄膜的马赛克阵列与像元阵列中的像元一一对应，使像元阵列透过单一波长的光。

优选地，面阵快照式多光谱探测器的光谱范围为可见光范围、近红外光范围或可见光-近红外光范围。

优选地，面阵快照式多光谱探测器包含w×w个像元和P个光谱通道单元，每个光谱通道单元包括n×n个光谱通道，每个光谱通道对应面阵快照式多光谱探测器的m×m个像元，且面阵快照式多光谱探测器中包含光谱通道单元的数量为：

，

其中，p为小数时，需向下取整。

优选地，每个光谱探头采集到的光谱信息对应面阵快照式多光谱探测器的y个光谱通道单元，批量采集微型光谱仪包含的光谱探头的个数为：

，

其中，k为小数时，需向下取整，且整个靶面将被划分为k个等大的区域。

本发明提供的批量采集微型光谱仪的采集方法，利用批量采集微型光谱仪实现，包括如下步骤：

S1、搭建批量采集微型光谱仪。

S2、将各光谱探头连接至白板，通过单次采集获得白板的光谱信号。

S3、将各光谱探头连接至各自对应的待测样本，通过单次采集获得全部待测样本的光谱信号。

S4、调节快门控制器，使光通量为0，通过暗背景采集获得暗噪声。

S5、对步骤S2-S4获得的光谱信号进行计算，获得去除暗噪声的全部待测样本的光谱反射率：

，

其中，

代表光谱反射率，/>

代表采集得到的待测样本的光谱信号，/>

代表白板的光谱信号，/>

代表暗噪声，/>

代表白板的反射率。

S6、提取各光谱探头包含的所有完整的光谱通道单元，将所有完整的光谱通道单元包含的各光谱通道的光谱反射率进行归一化输出，获得所有待测样本的光谱反射率数据。

优选地，步骤S6具体包括如下步骤：

S61、在单个待测样本对应的光谱探头所覆盖的y个光谱通道单元内，提取出完整的光谱通道单元a个。

S62、光谱通道单元由n×n个光谱通道组成，且光谱通道覆盖面阵快照式多光谱探测器的m×m个像元，在单个光谱通道单元内，计算各光谱通道的光谱反射率：

，

其中，i表示待测样本的第i个光谱通道，j表示该光谱通道覆盖的第j个像元，

为单个光谱通道单元的第i个光谱通道的反射率值，/>

为该光谱通道单元中第i个光谱通道所覆盖的第j个像元的反射率值。

S63、在完整的a个光谱通道单元内，对各光谱通道的光谱反射率进行归一化输出：

，

其中，q表示第q个完整光谱通道单元，

为待测样本的第i个光谱通道的反射率值，a为待测样本的光谱信息覆盖的完整的光谱通道单元数量，则/>

为第q个完整光谱通道单元中第i个光谱通道的反射率值。

S64、重复步骤S61-S63，获得所有待测样本的所有光谱通道的光谱反射率值。

本发明能够取得如下技术效果：

1、本发明提供的批量采集微型光谱仪具有价格低、重量轻、体积小等优点，能够适应各种工作环境。

2、本发明可通过单次采集，同时获得多个待测样本的光谱信息，提高采集效率。

3、本发明可以通过光学镜头控制视场角的大小，更具灵活性。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的批量采集微型光谱仪的结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的光谱探头的结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的多功能控制筒的结构示意图。

其中的附图标记包括：光谱探头1、多功能控制筒2、光学镜头3、面阵快照式多光谱探测器4、反射式光纤探头5、第一照明灯6、第二照明灯7、筒身8、光谱探头固定口9、快门控制器10。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的批量采集微型光谱仪的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的批量采集微型光谱仪包括沿光路方向依次设置的光谱探头1、多功能控制筒2、光学镜头3和面阵快照式多光谱探测器4，其中，

光谱探头1的数量为至少两个，用于探测各自对应的待测样本的光谱信息；多功能控制筒2用于遮挡外部杂光、固定光谱探头1和快门控制；光学镜头3用于调节光束的视场角；面阵快照式多光谱探测器4中设置有像元阵列，像元阵列用于根据接收的光谱信号，获得多个待测样本的光谱信息。

面阵快照式多光谱探测器4的表面镀制马赛克式的光学薄膜，光学薄膜的马赛克阵列与像元阵列中的像元一一对应，使像元阵列透过单一波长的光。

面阵快照式多光谱探测器4的光谱范围为可见光范围、近红外光范围或可见光-近红外光范围。

面阵快照式多光谱探测器4包含w×w个像元和P个光谱通道单元，每个光谱通道单元包括n×n个光谱通道，每个光谱通道对应面阵快照式多光谱探测器4的m×m个像元，且面阵快照式多光谱探测器4中包含光谱通道单元的数量为：

，

其中，p为小数时，需向下取整。

每个光谱探头1采集到的光谱信息对应面阵快照式多光谱探测器4的y个光谱通道单元，批量采集微型光谱仪包含的光谱探头1的个数为：

，

其中，k为小数时，需向下取整，且整个靶面将被划分为k个等大的区域。

图2示出了根据本发明实施例提供的光谱探头的结构。

如图2所示，光谱探头1包括反射式光纤探头5和两个照明灯，第一照明灯6和第二照明灯7沿灯罩的中垂线对称布置，灯罩与反射式光纤探头5装配在一起，反射式光纤探头5的一端与采集点处的待测样本相连接，另一端与多功能控制筒2相连接，反射式光纤探头5用于将入射光传递至多功能控制筒2，第一照明灯6和第二照明灯7用于对采集点处的待测样本进行光照补偿。

图3示出了根据本发明实施例提供的多功能控制筒的结构。

如图3所示，多功能控制筒2包括光谱探头固定口9、快门控制器10和筒身8，其中，光谱探头固定口9固定于筒身8的一端，用于等间距固定光谱探头1，使获得的光谱信号在面阵快照式多光谱探测器4中的成像无重叠。在进行多功能控制筒2的光谱探头固定口9设计时，会制作简易模具，通过面阵快照式多光谱探测器4进行成像，在成像时，调整光谱探头固定口9的位置至无重叠，最终根据模具制作相应的光谱探头固定口9，实现固定位置的等间距排列。

快门控制器10装配于筒身8的中间位置，用于调节光束的光通量。筒身8用于减少外部杂光。快门控制器10包括光圈机构和可旋转机构，可旋转机构位于筒身8的外侧，光圈机构位于筒身8的内侧，旋转可旋转机构调节光圈机构的光圈直径，调节光束的光通量。

本发明提供的批量采集微型光谱仪的采集方法，利用批量采集微型光谱仪实现，包括如下步骤：

S1、搭建批量采集微型光谱仪。

S2、将各光谱探头1连接至白板，通过单次采集获得白板的光谱信号。

S3、将各光谱探头1连接至各自对应的待测样本，通过单次采集获得全部待测样本的光谱信号。

S4、调节快门控制器10，使光通量为0，通过暗背景采集获得暗噪声。

S5、对步骤S2-S4获得的光谱信号进行计算，获得去除暗噪声的全部待测样本的光谱反射率：

，

其中，

代表光谱反射率，/>

代表采集得到的待测样本的光谱信号，/>

代表白板的光谱信号，/>

代表暗噪声，/>

代表白板的反射率。

S6、提取各光谱探头1包含的所有完整的光谱通道单元，将所有完整的光谱通道单元包含的各光谱通道的光谱反射率进行归一化输出，获得所有待测样本的光谱反射率数据。

步骤S6具体包括如下步骤：

S61、在单个待测样本对应的光谱探头1所覆盖的y个光谱通道单元内，提取出完整的光谱通道单元a个。

S62、光谱通道单元由n×n个光谱通道组成，且光谱通道覆盖面阵快照式多光谱探测器4的m×m个像元，在单个光谱通道单元内，计算各光谱通道的光谱反射率：

，

其中，i表示待测样本的第i个光谱通道，j表示该光谱通道覆盖的第j个像元，

为单个光谱通道单元的第i个光谱通道的反射率值，/>

为该光谱通道单元中第i个光谱通道所覆盖的第j个像元的反射率值。

S63、在完整的a个光谱通道单元内，对各光谱通道的光谱反射率进行归一化输出：

，

其中，q表示第q个完整光谱通道单元，

为待测样本的第i个光谱通道的反射率值，a为待测样本的光谱信息覆盖的完整的光谱通道单元数量，则/>

为第q个完整光谱通道单元中第i个光谱通道的反射率值。

通过步骤S61~S63完成一个待测样本的所有光谱通道的光谱反射率值的计算。

S64、重复步骤S61-S63，获得所有待测样本的所有光谱通道的光谱反射率值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种批量采集微型光谱仪，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的光谱探头、多功能控制筒、光学镜头和面阵快照式多光谱探测器，其中，

所述光谱探头的数量为至少两个，用于探测各自对应的待测样本的光谱信息；

所述多功能控制筒包括光谱探头固定口、快门控制器和筒身，其中，所述光谱探头固定口固定于所述筒身的一端，用于等间距固定所述光谱探头，使获得的光谱信号在所述面阵快照式多光谱探测器中的成像无重叠；所述快门控制器装配于所述筒身的中间位置，用于调节光束的光通量；所述筒身用于减少外部杂光；

所述光学镜头用于调节所述光束的视场角；

所述面阵快照式多光谱探测器中设置有像元阵列，所述像元阵列用于根据接收的所述光谱信号，获得多个待测样本的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的批量采集微型光谱仪，其特征在于，所述光谱探头包括反射式光纤探头和两个照明灯，两个照明灯沿灯罩的中垂线对称布置，所述灯罩与所述反射式光纤探头装配，所述反射式光纤探头用于将入射光传递至所述多功能控制筒，两个照明灯用于对采集点处的所述待测样本进行光照补偿。

3.根据权利要求1所述的批量采集微型光谱仪，其特征在于，所述快门控制器包括光圈机构和可旋转机构，所述可旋转机构位于所述筒身的外侧，所述光圈机构位于所述筒身的内侧，旋转所述可旋转机构调节所述光圈机构的光圈直径，调节所述光束的光通量。

4.根据权利要求1所述的批量采集微型光谱仪，其特征在于，所述面阵快照式多光谱探测器的表面镀制马赛克式的光学薄膜，所述光学薄膜的马赛克阵列与像元阵列中的像元一一对应，使像元阵列透过单一波长的光。

5.根据权利要求1所述的批量采集微型光谱仪，其特征在于，所述面阵快照式多光谱探测器的光谱范围为可见光范围、近红外光范围或可见光-近红外光范围。

6.根据权利要求1所述的批量采集微型光谱仪，其特征在于，所述面阵快照式多光谱探测器包含w×w个像元和P个光谱通道单元，每个所述光谱通道单元包括n×n个光谱通道，每个所述光谱通道对应所述面阵快照式多光谱探测器的m×m个像元，且所述面阵快照式多光谱探测器中包含所述光谱通道单元的数量为：

；

其中，p为小数时，需向下取整。

7.根据权利要求1所述的批量采集微型光谱仪，其特征在于，每个所述光谱探头采集到的光谱信息对应所述面阵快照式多光谱探测器的y个光谱通道单元，所述批量采集微型光谱仪包含的所述光谱探头的个数为：

；

其中，k为小数时，需向下取整，且整个靶面将被划分为k个等大的区域。

8.一种批量采集微型光谱仪的采集方法，利用权利要求1所述的批量采集微型光谱仪实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1、搭建如权利要求1所述的批量采集微型光谱仪；

S2、将各所述光谱探头连接至白板，通过单次采集获得所述白板的光谱信号；

S3、将各所述光谱探头连接至各自对应的所述待测样本，通过单次采集获得全部待测样本的光谱信号；

S4、调节所述快门控制器，使光通量为0，通过暗背景采集获得暗噪声；

S5、对所述步骤S2-S4获得的光谱信号进行计算，获得去除暗噪声的全部待测样本的光谱反射率：

，

其中，

代表光谱反射率，/>

代表采集得到的所述待测样本的光谱信号，/>

代表所述白板的光谱信号，/>

代表暗噪声，/>

代表所述白板的反射率；

S6、提取各所述光谱探头包含的所有完整的光谱通道单元，将所有完整的光谱通道单元包含的各所述光谱通道的光谱反射率进行归一化输出，获得所有待测样本的光谱反射率数据。

9.根据权利要求8所述的批量采集微型光谱仪的采集方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括如下步骤：

S61、在单个所述待测样本对应的所述光谱探头所覆盖的y个光谱通道单元内，提取出完整的光谱通道单元a个；

S62、所述光谱通道单元由n×n个光谱通道组成，且所述光谱通道覆盖所述面阵快照式多光谱探测器的m×m个像元，在单个所述光谱通道单元内，计算各所述光谱通道的光谱反射率：

，

其中，i表示所述待测样本的第i个所述光谱通道，j表示该所述光谱通道覆盖的第j个所述像元，

为单个所述光谱通道单元的第i个所述光谱通道的反射率值，/>

为该所述光谱通道单元中第i个所述光谱通道所覆盖的第j个所述像元的反射率值；

S63、在完整的a个光谱通道单元内，对各所述光谱通道的光谱反射率进行归一化输出：

，

其中，q表示第q个完整光谱通道单元，

为所述待测样本的第i个所述光谱通道的反射率值，a为所述待测样本的光谱信息覆盖的完整的所述光谱通道单元数量，则/>

为第q个完整所述光谱通道单元中第i个所述光谱通道的反射率值；

S64、重复步骤S61-S63，获得所有待测样本的所有光谱通道的光谱反射率值。

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