CN209820631U - 一种便携式低成本光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种便携式低成本光谱仪，该光谱仪在入光口位置通过光阑的约束以及透镜的汇聚从而使外部入射的发散光变为平行光，同时采用平面反射镜组通过反射作用使不同波长的光之间的水平位移增大，再分别经过透镜聚焦到光强度传感器上进行光强度检测，从而使分光更明显且实现同时测量，且该光谱仪所使用的部件较为常规，其成本较低，相比较市面上的光谱仪大多昂贵厚重，本实用新型的光谱仪造价便宜，且其体积较小，携带方便，适应广泛应用于日常的农业生产探测中。

Description

一种便携式低成本光谱仪

技术领域

本实用新型涉及农业生产光谱测量技术领域，特别涉及一种便携式低成本光谱仪。

背景技术

植物各阶段的生长发育均需要合适的光照条件，植物会对光选择性吸收是高效节能补光的理论依据。使用光谱仪测量不同波段的光的实时光强以及各光强占比，可以针对不同植物选择更合适更有针对性的光源，从而促进植物生长。

由于对光路，器件等精密度要求以及对测量结果精确度要求较高，市面上大部分光谱仪制作成本较高，且产品厚重不便于携带，更适合放置在实验室中进行研究使用，而不能广泛应用于日常生活中，例如农业生产的领域，高精度光谱仪的昂贵会使其生产成本大大提高，对产业造成负担。在日常的农业生产中，光谱仪有助于农业的高效生产，且本身对光谱仪精度要求不高。因此，如何利用低造价材料制作体积较小的低成本便携式光谱仪，是当前急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的在于提供一种便携式低成本光谱仪。基于上述目的，本实用新型至少提供如下技术方案：

一种便携式低成本光谱仪，其包括，

入光口、平行光束生成部、水平位移产生部、光强度检测部以及光强度显示部，所述入光口设置有第一光阑，所述平行光束生成部包括第一凸透镜，所述水平位移产生部包括透射光栅、第二光阑以及平面反射镜组，所述光强度检测部包括凸透镜阵列以及光强度传感器阵列；其中，待检测光通过所述入光口后，传输经过所述平行光束生成部生成平行光束，所述平行光束传输经过所述水平位移产生部使所述平行光束中不同波长的光之间产生水平位移，产生水平位移的光束入射至所述光强度检测部，所述光强度检测部将检测结果传输至光强度显示部。

进一步的，所述入光口设置有第一光阑以约束发散状的待检测光。

进一步的，所述第一光阑放置于第一凸透镜的焦点位置。

进一步的，经过所述水平位移产生部的所述平行光依次传输经过所述透射光栅、所述第二光阑以及平面镜组，所述透射光栅对所述平行光进行分光，所述第二光阑将所述待检测光中除一级明纹之外的明纹滤掉。

进一步的，所述平面反射镜组包括第一平面反射镜以及第二平面反射镜，传输经过所述第二光阑光传输至所述第一平面反射镜之后，经所述第一平面反射镜反射至第二平面反射镜。

进一步的，经所述第二平面反射镜反射的待检测光传输至所述凸透镜阵列，传输经所述凸透镜阵列的待检测光汇聚至所述光强度传感器阵列。

进一步的，所述光强度传感器阵列包含第一光强度传感器、第二光强度传感器以及第三光强度传感器，所述第一光强度传感器接收红光，所述第二光强度传感器接收绿光，所述第三光强度传感器接收蓝光。

进一步的，所述凸透镜阵列包含至少三个凸透镜，所述第一光强度传感器、所述第二光强度传感器以及所述第三光强度传感器分别对应所述凸透镜阵列中的一个凸透镜。

进一步的，所述光强度检测部还包括单片机最小系统电路，所述光强度传感器阵列将检测到的光信号传输至所述单片机最小系统电路。

进一步的，所述光强度显示部包括液晶显示屏。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

(1)本实用新型的光谱仪所使用的部件较为常规，其成本较低，相比较市面上的光谱仪大多昂贵厚重，本实用新型的光谱仪造价便宜，且其体积较小，携带方便，适应广泛应用于日常的农业生产探测中。

(2)本实用新型在入光口位置通过光阑的约束以及透镜的汇聚从而使外部入射的发散光变为平行光，同时采用平面反射镜组通过反射作用使不同波长的光之间的水平位移增大，再分别经过透镜聚焦到光强度传感器上进行光强度检测，从而使分光更明显且实现同时测量。

(3)本实用新型采用单片机最小系统，可以实时数字化显示数值，且成本较低，以BH-1750FVI光强度传感器为探测器，可以对大范围光强变化进行探测。

附图说明

图1是本实用新型光谱仪的光路结构示意图。

图2是本实用新型采用的BH1750光强度模块的检测电路图。

图3是本实用新型采用的单片机最小系统电路图。

图4是本实用新型所采用的LCD12864图。

附图标记：

1、外部光源1；2、第一光阑；3、第一透镜；4、透射光栅；5、第二光阑；6、第一平面反射镜；7、第二平面反射镜；8、第一光强度传感器；9、第二透镜；10、第二光强度传感器；11、第三透镜；12、第三光强度传感器；13、第四透镜。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，外部光源1发射待检测光，待检测光通过入光口进入本实用新型的便携式低成本光谱仪，入光口设置有第一光阑2对待检测光进行约束，通过第一光阑2的待检测光入射第一透镜3后转变为平行光束，平行光束入射至透射光栅4中进行分光，透射光栅4将平行光束分为多级明纹，分光后的多级明纹经过第二光阑5之后滤除一级明纹之外的明纹，透过第二光阑5的一级明纹入射至平面反射镜组，利用反射镜组通过反射作用使不同波长的光之间水平位移增大的原理，使一级明纹经过平面反射镜组的反射，从而使一级明纹中不同波长的光之间产生水平位移，平面反射镜组包括第一平面反射镜6以及第二平面反射镜7，第二平面反射镜7与第一平面反射镜6相错且相对设置。水平位移的增大从而使反射后的红光λ₁、绿光λ₂以及蓝光λ₃分别传输至透镜阵列，透镜阵列包含第二透镜9、第三透镜11以及第四透镜13，红光、绿光以及蓝光分别传输至第二透镜9、第三透镜11以及第四透镜13进行聚焦，经第二透镜9、第三透镜11以及第四透镜13聚焦后的红光、绿光以及蓝光传输至光强度传感器阵列，从而使分光更明显，且实现了不同波长的光的同时测量。光强度传感器阵列放置于暗室系统，以减少环境光对探测的影响。

光强度传感器阵列包括第一光强度传感器8、第二光强度传感器10以及第三光强度传感器12，第二透镜9、第三透镜11以及第四透镜13分别对应第一光强度传感器8、第二光强度传感器10以及第三光强度传感器12，聚焦后的红光、绿光以及蓝光分别传输至第一光强度传感器8、第二光强度传感器10以及第三光强度传感器12，光强度传感器选用BH1750光强度模块，可以对大范围光强(0lx-65535lx)变化进行探测，BH1750光强度模块的检测电路图如图2所示，光强度传感器阵列将检测获得的光强度传输至单片机模块内部的RAM，分为数据0～7分别存储，该单片机模块选用单片机最小系统电路如图3所示，该单片机最小系统电路采用stc89c52rc单片机芯片，单片机模块连接液晶显示屏，液晶显示屏由单片机模块控制显示测试的光强值，具体的，液晶显示屏可选用LCD12864如图4所示，该LCD12864的引脚及其功能说明如下表1所示。单片机系统传输数据0～7至LCD 12864液晶显示出数据值，可以实时数字化显示数值。其中，光强度的比值通过如下公式计算获得：

I＝I₁+I₂+I₃ 式(1)；

其中，I₁为红光光强，I₂为绿光光强，I₃为蓝光光强，I为三色总光强。η₁、η₂、η₃依次为红光、绿光、蓝光所占三色总光强的比值。

表1

图2为BH1750光强度模块的检测电路图，其中PD为接近人眼反应的光敏二极管，AMP为集成运算放大器，将PD电流转换为PD电压。ADC为模数转换获取16位数字数据。Logic+IC Interface(逻辑+IC界面)为光强度计算和I2C总线接口，包括下列寄存器：数据寄存器→光强度数据寄存，初始值是：“0000_0000_0000_0000”，测量时间寄存器→时间测量数据寄存，初始值是：“0100_0101”。OSC为内部振荡器(时钟频率典型值：320kHz)。该时钟为内部逻辑时钟。SCL为I2C时钟引脚。SDA为I2C数据引脚。

图3为单片机最小系统电路图，其中，P1.0接BH1750的SCL引脚，控制I2C数据传输信号，P1.1接BH1750的SDA引脚，控制I2C时钟信号，P0.3接LCD12864的RST引脚，控制屏幕复位，P0.4接LCD12864的PSB引脚，选择并行传输，P0.5接LCD12864的E引脚，控制LCD12864时钟信号，P0.6接LCD12864的R/W引脚，控制LCD12864并行读写选择，P0.7接LCD12864的RS引脚，控制LCD12864并行的指令/数据选择，P2.0接LCD12864的DB0引脚，传输LCD12864数据0，P2.1接LCD12864的DB1引脚，传输LCD12864数据1，P2.2接LCD12864的DB2引脚，传输LCD12864数据2，P2.3接LCD12864的DB3引脚，传输LCD12864数据3，P2.4接LCD12864的DB4引脚，传输LCD12864数据4，P2.5接LCD12864的DB5引脚，传输LCD12864数据5，P2.6接LCD12864的DB6引脚，传输LCD12864数据6，P2.7接LCD12864的DB7引脚，传输LCD12864数据7。

由此可见，本实用新型的光谱仪使用的部件较为常规，导致其成本较低，相比较市面上的光谱仪大多昂贵厚重，本实用新型的光谱仪造价便宜，且其体积较小，携带方便，适应广泛应用于日常的农业生产探测中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式低成本光谱仪，其特征在于，其包括，

入光口、平行光束生成部、水平位移产生部、光强度检测部以及光强度显示部，所述入光口设置有第一光阑(2)，所述平行光束生成部包括第一凸透镜(3)，所述水平位移产生部包括透射光栅(4)、第二光阑(5)以及平面反射镜组，所述光强度检测部包括凸透镜阵列以及光强度传感器阵列；其中，待检测光通过所述入光口后，传输经过所述平行光束生成部生成平行光束，所述平行光束传输经过所述水平位移产生部使所述平行光束中不同波长的光之间产生水平位移，产生水平位移的光束入射至所述光强度检测部，所述光强度检测部将检测结果传输至光强度显示部。

2.根据权利要求1的所述光谱仪，其特征在于，所述入光口设置有第一光阑(2)以约束发散状的待检测光。

3.根据权利要求2的所述光谱仪，其特征在于，所述第一光阑(2)放置于第一凸透镜(3)的焦点位置。

4.根据权利要求1的所述光谱仪，其特征在于，经过所述水平位移产生部的所述平行光依次传输经过所述透射光栅(4)、所述第二光阑(5)以及平面镜组，所述透射光栅(4)对所述平行光进行分光，所述第二光阑(5)将所述待检测光中除一级明纹之外的明纹滤掉。

5.根据权利要求1-4之一的所述光谱仪，其特征在于，所述平面反射镜组包括第一平面反射镜(6)以及第二平面反射镜(7)，传输经过所述第二光阑(5)光传输至所述第一平面反射镜(6)之后，经所述第一平面反射镜(6)反射至第二平面反射镜(7)。

6.根据权利要求5的所述光谱仪，其特征在于，经所述第二平面反射镜(7)反射的待检测光传输至所述凸透镜阵列，传输经所述凸透镜阵列的待检测光汇聚至所述光强度传感器阵列。

7.根据权利要求6的所述光谱仪，其特征在于，所述光强度传感器阵列包含第一光强度传感器、第二光强度传感器以及第三光强度传感器，所述第一光强度传感器接收红光，所述第二光强度传感器接收绿光，所述第三光强度传感器接收蓝光。

8.根据权利要求7的所述光谱仪，其特征在于，所述凸透镜阵列包含至少三个凸透镜，所述第一光强度传感器、所述第二光强度传感器以及所述第三光强度传感器分别对应所述凸透镜阵列中的一个凸透镜。

9.根据权利要求1-4之一的所述光谱仪，其特征在于，所述光强度检测部还包括单片机最小系统电路，所述光强度传感器阵列将检测到的光信号传输至所述单片机最小系统电路。

10.根据权利要求1-4之一的所述光谱仪，其特征在于，所述光强度传感器阵列设置于暗室中，所述光强度显示部包括液晶显示屏。