[发明专利]基于智能手机的便携式光谱仪及其光谱检测方法

权利要求书

1.一种基于智能手机的便携式光谱仪，其特征在于：包括智能手机以及装配在智能手机摄像头(4)上的光谱仪外设模块；光谱仪外设模块包括用于收集待测光信号的传导光纤(1)、用于对待测光信号进行准直整形得到平行光的光学准直系统(2)，以及用于对平行光进行色散分光形成波长依次排列的色散条纹的光学色散系统，光学色散系统位于智能手机摄像头(4)的前方；智能手机摄像头(4)用于对色散条纹进行拍摄得到彩色条纹图片，智能手机摄像头(4)连接用于根据彩色条纹图片绘制光谱曲线的数据处理模块，数据处理模块连接显示模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的便携式光谱仪，其特征在于：光学准直系统(2)包括用于将信号光束准直为平行光的准直透镜(2-1)，以及用于平行光透过并对平行光进行整形的入射狭缝(2-2)。

3.根据权利要求2所述的一种基于智能手机的便携式光谱仪，其特征在于：准直透镜(2-1)的焦距为10mm～100mm；入射狭缝(2-2)的宽度为5um～2mm。

4.根据权利要求2所述的一种基于智能手机的便携式光谱仪，其特征在于：光学色散系统采用平面衍射光栅(3)；入射狭缝(2-2)的狭缝方向与平面衍射光栅(3)的刻线方向平行。

5.根据权利要求4所述的一种基于智能手机的便携式光谱仪，其特征在于：平面衍射光栅(3)和智能手机摄像头(4)之间有夹角距离l，

θ=arcsin(sin i+λcd)]]>

其中，θ为平面衍射光栅衍射角，i为平面衍射光栅入射角，d为平面衍射光栅(3)的光栅常数；λ_c为中心波长；

l≤D2tan(Δθ2)]]>

其中，D为智能手机摄像头(4)的有效收光孔径，Δθ为平面衍射光栅(3)的衍射角范围。

6.根据权利要求5所述的一种基于智能手机的便携式光谱仪，其特征在于：平面衍射光栅(3)的光栅常数为600刻线/mm，平面衍射光栅入射角i为0～45度。

7.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的便携式光谱仪，其特征在于：显示模块采用手机显示屏(5)。

8.一种基于智能手机的便携式光谱仪的光谱检测方法：其特征在于：包括以下步骤：

(1)收集待测光信号；

(2)对待测光信号进行准直整形和色散分光，形成按波长依次排列的色散条纹；

(3)通过智能手机对步骤(2)得到的色散条纹进行拍摄，形成按波长依次排列的彩色条纹图片；

(4)获取步骤(3)得到的彩色条纹图片每个像素位置点的RGB值，并计算每个像素位置点对应的光强值I，得到数组I(x)，其中x为图片像素位置点坐标；

(5)根据波长-像素位置标定数据λ(x)，将数组I(x)中的x以对应的λ替换，得到波长与光强的对应关系I(λ)，绘制数据I(λ)对应的光谱曲线，完成基于智能手机的便携式光谱仪的光谱检测。

9.根据权利要求8所述的一种基于智能手机的便携式光谱仪的光谱检测方法：其特征在于：步骤(4)中光强值I的计算公式如下：

I＝Max(R,G,B)。

10.根据权利要求8所述的一种基于智能手机的便携式光谱仪的光谱检测方法：其特征在于：步骤(5)中波长-像素位置标定数据λ(x)的标定步骤如下：

a)使用四个确定波长且分别为λ₁,λ₂,λ₃和λ₄的光源，通过步骤(1)至步骤(3)，探测得到这四个波长的光对应的像素坐标位置x₁,x₂,x₃和x₄，并记为波长λ＝[λ₁ λ₂ λ₃ λ₄]，像素坐标位置x＝[x₁ x₂ x₃ x₄]；

b)以波长λ为函数输出值，像素坐标位置x为函数变量，在Matlab中对波长λ和像素坐标位置x进行线性拟合，得到λ(x)。