[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

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析领域，具体涉及一种基于智能手机的便携式光谱仪及其光谱检测方法。

背景技术

光谱仪是进行光谱学研究和物质光谱分析的仪器。通过对光谱的测量，完成光成分分析、材料光学属性测量以及物质成分鉴定，是一种基本的光学检测仪器。传统光谱仪由于体积庞大、造价昂贵，通常只用于实验室研究。近些年来，由于生物医学、科技农业、环境检测、军事分析以及健康监测等领域的发展，要求光谱分析仪器具有轻量化、小型化、便携化等特点，自2005年，美国海洋光学、荷兰爱万提斯以及中国复享光学等均开始研发便携式微型光谱仪。

目前，便携式光谱仪普遍价格较高，市场售价几千至几万不等，这是由于便携式光谱仪普遍采用专门的CMOS或CCD传感器探测光谱信号，如2013年孙小小研制的基于CMOS的光谱仪(孙小小,黄梅珍,汪洋.面阵CMOS光纤光谱仪研制[J].光子学报,2013,(01):74-78)，由于高性能的CCD或CMOS的价格昂贵，造成系统成本较高。便携式光谱仪的工作方式可分为两类：一类是基于上位机(电脑)进行控制，一类是基于下位机独立工作。基于上位机控制的便携式光谱仪需要与电脑连接使用，通过电脑进行光谱采集控制、数据处理以及光谱显示，使用方法复杂，携带不便；基于下位机控制的光谱仪，是在光谱仪内部嵌入微处理系统，完成控制、计算、显示等功能，如北京工业大学徐喆等人提出的便携式光谱仪，(一种便携式光谱仪，CN201666817U，2010.12.08)该光谱仪内部集成了微处理器、光学系统、光电探测器、ADC模数转换器、液晶显示、USB模块等，独立完成光谱采集、光谱显示，但是该系统较为复杂，导致了光谱仪系统体积增加，成本升高，并且，该类光谱仪通常需要单独电源供电，在野外或其他无电力供应的工作现场使用不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于智能手机的便携式光谱仪及其光谱检测方法，该光谱仪成本低廉、体积较小，使用携带方便，能够在工作现场采用普通的智能手机实时地对物质进行光谱分析。

为了达到上述目的，本发明光谱仪采用如下技术方案：

包括智能手机以及装配在智能手机摄像头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、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，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的前方；智能手机摄像头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。

进一步地，光学准直系统包括用于将信号光束准直为平行光的准直透镜，以及用于平行光透过并对平行光进行整形的入射狭缝。

进一步地，准直透镜的焦距为10mm～100mm；入射狭缝的宽度为5um～2mm。

进一步地，光学色散系统采用平面衍射光栅；入射狭缝的狭缝方向与平面衍射光栅的刻线方向平行。

进一步地，平面衍射光栅和智能手机摄像头之间有夹角距离l，

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；

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。

进一步地，平面衍射光栅的光栅常数为600刻线/mm，平面衍射光栅入射角i为0～45度。

进一步地，显示模块采用手机显示屏。

本发明检测方法的技术方案是：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。

进一步地，步骤(4)中光强值I的计算公式如下：

I＝Max(R,G,B)。

进一步地，步骤(5)中波长-像素位置标定数据λ(x)的标定步骤如下：