一种光谱测量装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及光谱测量技术领域，特别是涉及一种光谱测量装置。


背景技术：

[0002]
光谱仪是测量光源和物质光谱特性的重要装置，是光谱学和光谱技术中最基本的分析仪器。它广泛应用于环境监测、灯具测试、led亮度色温显色指数、工业控制、化学分析、食品品质检测、材料分析、临床检验、航空航天遥感及科学教育等领域。
[0003]
光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线并测量出光谱的仪器。传统的光谱仪通过设置入射狭缝将入射光转化为光谱仪成像系统的物点，再通过准直元件使入射狭缝发出的光线变为平行光，然后通过色散元件使光信号在空间上按波长分散开来，再通过聚焦元件使聚焦色散后的光束在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，最后通过探测器阵列测量各波长像点的光强度得到光谱。由于入射狭缝只允许很窄的光束进入，光信号会很弱，待色散元件分光后只有部分光强可利用，从而进一步减弱光信号强度；并且光栅的刻制非常精密，一毫米达到几百甚至几千条蚀刻线，从而需要昂贵的成本。
[0004]
因此，传统光谱仪的光利用率低、光信号弱，并且需要高昂的成本。


技术实现要素：

[0005]
鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种光谱测量装置。
[0006]
为了解决上述问题，本实用新型公开了一种光谱测量装置，包括：滤色装置和数据处理装置；
[0007]
所述滤色装置包括渐变滤色片和与所述渐变滤色片紧密贴合的感光元件；
[0008]
所述数据处理装置与所述滤色装置电性连接，所述数据处理装置包括图像处理器和数据处理器。
[0009]
可选地，所述渐变滤色片由一个以上的单色渐变层叠加而成，且每个所述单色渐变层的颜色不相同。
[0010]
可选地，所述渐变滤色片由红、绿、蓝三个单色渐变层叠加而成。
[0011]
可选地，所述单色渐变层一个方向以上的颜色深浅呈现渐变，且所述单色渐变层之间的颜色深浅渐变方向不相同。
[0012]
可选地，所述单色渐变层还包括一个方向以上的颜色着色的渐变，且所述单色渐变层之间的颜色着色渐变方向不相同。
[0013]
可选地，红色单色渐变层为线性连续渐变，蓝色单色渐变层为阶梯式渐变，所述蓝色单色渐变层和所述红色单色渐变层的渐变方向相垂直，绿色单色渐变层的浓淡呈区域分布。
[0014]
可选地，所述单色渐变层为透光材料。
[0015]
可选地，所述感光元件为黑白面阵ccd，感光面尺寸为对角线长度从3mm到64mm。
[0016]
可选地，所述装置还包括透镜组，所述透镜组包括至少一个凹透镜和至少一个凸透镜，所述透镜组位于单色仪和滤色装置之间。
[0017]
可选地，所述装置还包括单色仪，所述单色仪位于标准光源和所述透镜组之间。
[0018]
本实用新型包括以下优点：通过在渐变滤色片和经渐变滤色片滤色后得到的透射光图像上分别划分出n个第一滤色单元和n个第一透射单元，并在第一透射单元上选取n个均匀间隔波长的波长位置，再通过测量得到第一滤色单元的透射曲线和第一透射单元的透射光强，构建n个包含波长位置入射光强x
n
的方程，通过求解即可得出待测光光谱，即待测光的光强随波长的分布；可见，本发明提高了光谱测量的灵敏度和分辨率，也不需要狭缝与光栅，从而能够较低成本地获取高质量的光谱数据。
附图说明
[0019]
图1是本实用新型的一种光谱测量装置的结构框图；
[0020]
图2是本实用新型的另一种光谱测量装置的结构框图；
[0021]
图3是本实用新型的一种光谱测量装置中渐变滤色片的结构图。
[0022]
图中：滤色装置1；数据处理装置2；渐变滤色片11；绿色单色渐变层111；蓝色单色渐变层112；红色单色渐变层113；感光元件12；图像处理器21；数据处理器22；透镜组3；凹透镜31；凸透镜32；单色仪4；标准光源5。
具体实施方式
[0023]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
[0024]
本实用新型的核心构思之一在于，通过在渐变滤色片和经渐变滤色片滤色后得到的透射光图像上分别划分出n个第一滤色单元和n个第一透射单元，并在第一透射单元上选取n个均匀间隔波长的波长位置，再通过测量得到第一滤色单元的透射曲线和第一透射单元的透射光强，从而构建n个包含波长位置入射光强x
n
的方程，通过求解即可得出待测光光谱，即待测光的光强随波长的分布。具体的，通过渐变滤色片阵列与面阵ccd感光面紧密接触，大小形状相同。待测光均匀照射到滤色片阵列上，黑白面阵ccd得到透射光图像。数据处理装置将所述透射光图像划分出大小相同的n个第一透射单元，并计算所述第一透射单元的透射光强p；假设待测光在n个均匀间隔波长上的相对强度为x
n
(n＝1,2,
…
,n)，根据所述透射光强p和所述第一透射单元所对应的渐变滤色片位置处的平均透射曲线所得到关于n个波长的透射率α
n
(n＝1,2,
…
,n)，即可建立包含待射光强x
n
和α
n
的方程，即：p＝x1α1+x2α2+
…
+x
n
α
n
；渐变滤色片阵列上一共有n的不同的滤色单元，就可以建立n个包含所述入射光强x
n
的方程，计算出待测光光谱。本发明不需要狭缝和光栅，采用面阵ccd代替传统的线阵ccd，将灵敏度和分辨率提高几个量级，同时大大缩小了体积降低了成本。
[0025]
参照图1，示出了本实用新型的一种光谱测量装置的结构框图，具体可以包括：滤色装置1和数据处理装置2。
[0026]
所述滤色装置1包括渐变滤色片11和与所述渐变滤色片11紧密贴合的感光元件12。将待测光照射至所述滤色装置1，所述滤色装置1接收到所述待测光后，通过渐变滤色片11对待测光进行滤色以得到透射光，所述透射光在所述滤色装置1中继续照射至感光元件
12，所述感光元件12在接收到所述透射光后生成相应的透射光数据，并且所述感光元件12将所述透射光数据传输至所述数据处理装置2。
[0027]
所述数据处理装置2与所述滤色装置1电性连接，所述数据处理装置2包括图像处理器21和数据处理器22，所述图像处理器21根据所述感光元件12传输的透射光数据生成透射光图像，并将所述透射光图像划分出n个相同的正方形、长方形等区域，即为第一透射单元；所述第一透射单元与所述渐变滤色片11上的第一滤色单元相对应。在划分出n个第一透射单元后，所述数据处理装置2计算并记录每个第一透射单元的透射光强p。
[0028]
所述数据处理器22在所述第一透射单元内选取n个均匀间隔波长的波长位置，根据所述第一透射单元的透射光强p和所述波长位置对应所述渐变滤色片11上的透射率α
n
建立对应所述波长位置的入射光强x
n
的方程式，即为p＝x1α1+x2α2+
…
+x
n
α
n
+
…
+x
n
α
n
。对所述第一透射单元可以根据需要划分出更多或更少的单元，但所述波长位置的选取数量一定不能多于所述第一透射单元或所述第一滤色单元的数量，否则无法计算出待测光的光谱。
[0029]
建立n个包含所述入射光强x
n
的透射光强p
m
的方程，通过求解由n个包含所述入射光强x
n
的透射光强p的方程构成的方程组即可得出待测光光谱，即待测光的光强随波长的分布。所述第一透射单元或所述第一滤色单元的数量等于所述波长位置的数量。
[0030]
如图3所示，所述渐变滤色片11由一层以上的单色渐变层叠加而成，每层所述单色渐变层的颜色不相同。所述渐变滤色片11还包括基板114。在本实施例中，所述渐变滤色片11是由涂有红、绿、蓝三色感光层的材料制成。所述渐变滤色片11可以采用彩色胶卷正片制作，渐变图案的形成用相应的模板经红、绿、蓝三色光经多次曝光，再经显影定影制得；也可以采用其它方法制作，例如在玻璃、有机材料、石英等材料上涂敷红、绿、蓝感光层，或染色、印刷等方式制作渐变滤色片11；也可以先将彩色渐变图案印在白纸上，再用相机拍照获得。
[0031]
所述单色渐变层一个方向以上的深浅呈现渐变，从而使得由所述单色渐变层叠加而成的所述渐变滤色片11中每一点的滤色效果都不相同，或者说每一点的透射率都不相同。在本实例中，红色单色渐变层113的着色和浓淡采用线性连续渐变，蓝色单色渐变层112的浓淡采用阶梯式渐变，所述蓝色单色渐变层112和所述红色单色渐变层113的渐变方向相垂直，绿色单色渐变层111的浓淡呈区域分布，绿色单色渐变层111的成分在各个区域是均匀的，但浓淡各不相同，实现了红、绿、蓝在相互垂直的x、y、z三个方向上的变化，从而保证了每一个第一滤色单元的红、绿、蓝比例都不相同。实际应用时红、绿、蓝的变化图案可以是线性连续渐变的，也可以是阶梯式变化。
[0032]
可选地，所述单色渐变层还可以是一个方向以上的颜色着色(即颜色种类)呈现渐变或颜色着色和颜色浓度都呈现渐变，其呈现渐变的方式可以参考颜色深浅的渐变方式，只要保证每一个第一滤色单元的透射曲线都不同且没有线性关系即可。
[0033]
在另一实施例中，渐变滤色片11的尺寸也与黑白面阵ccd(charge coupled device，电荷耦合器件)感光面尺寸相同，由彩色胶卷正片制成。其上的红、绿、蓝渐变图案采用对应的模板通过红、绿、蓝光源经多次曝光，再显影定影制得，也可以把彩色图案打印在一张较大的白纸上，再通过拍照制得。制得的渐变滤色片11分成8个较小的长方形区域(分区)，可以根据需要划分出更多数量的区域。蓝色和红色由浓到淡的线性变化范围为最浓是100％，最淡是0％，变化的方向相互垂直，另外，8个区域内还有绿色，在每个区域内绿色成分是均匀的，但浓淡不同，依次为0％、14.3％、28.6％、42.9％、57.1％、71.4％、85.7％
和100％，红、绿、蓝颜色的浓淡由曝光量掌控。
[0034]
其中，所述渐变滤色片的基板材料为胶卷、玻璃、有机材料、石英等透光材料。
[0035]
所述感光元件12为黑白面阵ccd，感光面尺寸为对角线长度从3mm到64mm。当然，黑白面阵ccd的感光面尺寸可以是任意的，具体根根需要而定。
[0036]
所述光谱测量装置还包括透镜组3，所述透镜组3包括至少一个凹透镜31和至少一个凸透镜32，所述透镜组3位于待测光源和滤色装置1之间。增加所述透镜组3可以得到更均匀的入射光和更清晰准确的透射光图像。
[0037]
如图2所示，所述装置还包括单色仪4，所述单色仪4位于标准光源和所述透镜组3之间。所述单色仪4用于逐个波长扫描标准光源5的单色光，使得能够测量出所述渐变滤色片11的透射曲线。
[0038]
本发明的测量光谱的步骤包括如下：
[0039]
通过滤色装置将待测光转化为透射光数据；
[0040]
通过数据处理装置将所述透射光数据转化为透射光图像，将所述透射光图像划分出n个第一透射单元，并计算所述第一透射单元的透射光强p；
[0041]
在所述第一透射单元内选取n个均匀间隔波长的波长位置，根据所述透射光强p和所述波长位置相对应的透射率α
n
建立包含对应所述波长位置的入射光强x
n
的方程；
[0042]
建立n个包含所述入射光强x
n
的透射光强p
m
的方程，计算待测光光谱。
[0043]
将待测光照射至滤色装置，所述滤色装置接收到所述待测光后，通过渐变滤色片对待测光进行滤色以得到透射光，所述透射光在所述滤色装置中继续照射至感光元件，所述感光元件在接收到所述透射光后生成相应的透射光数据，并且所述感光元件将所述透射光数据传输至所述数据处理装置。
[0044]
所述数据处理装置根据所述感光元件传输的透射光数据生成透射光图像，并将所述透射光图像划分出n个相同的方形、长方形等区域，即为第一透射单元；所述第一透射单元与所述渐变滤色片上的第一滤色单元相对应。在分出n个第一透射单元后，所述数据处理装置计算并记录每个第一透射单元的透射光强p。
[0045]
在所述第一透射单元内选取n个均匀间隔波长的波长位置，根据所述透射光强p和所述波长位置对应所述渐变滤色片上的透射率α
n
建立对应所述波长位置的入射光强x
n
的方程，即为p＝x1α1+x2α2+
…
+x
n
α
n
+
…
+x
n
α
n
。所述波长位置的选取数量一定不能多于所述第一透射单元或所述第一滤色单元的数量。
[0046]
建立n个包含所述入射光强x
n
的透射光强p
m
的方程，通过求解由n个包含所述入射光强x
n
的透射光强p的方程构成的方程组即可得出待测光光谱，即待测光的光强随波长的分布。所述第一透射单元或所述第一滤色单元的数量等于所述波长位置的数量n。
[0047]
在一实施例中，将待测光照射到滤色装置中，先经渐变滤色片滤色，紧贴其后的黑白面阵ccd(charge coupled device，电荷耦合器件)拍摄滤色后的待测光，数据处理装置测量并记录下512个第一透射单元的透射光强，并根据这512个第一透射单元的透射光强数据，结合对应的第一滤色单元的透射曲线，然后再用重构算法计算出的待测光的光强随波长的分布，即建立n个包含所述待射光强x
n
(n＝1,2,
…
,n)和每个第一透射单元透射光强p
m
(m＝1,2,
…
,n)的方程组：p
m
＝x1α
m－1
+x2α
m－2
+
…
+x
n
α
m－n
+
…
+x
n
α
m－n
。其中：p
m
表示第m个第一透射单元上的总透射光强，α
m－n
表示第m个第一滤色单元在第n个波长上的透射率。下面是重构
算法的计算处理过程：
[0048]
对每个第一透射单元进行编号：从左上角第1个第一透射单元到右下角第512个第一透射单元分别为#1、#2、#3、
…
、#512，同时在400nm～700nm波长区间均匀选取512个波长位置，即波长位置，编号：λ1、λ2、λ3、
…
、λ
512
。
[0049]
因为每个第一滤色单元的透射曲线已经是已知的，且精确测定的，那么每个第一滤色单元在这512个波长位置的透射率也都是已知的。设定对应#1第一透射单元的第一滤色单元在对应波长位置λ1处的透射率是α
1－1
，在对应波长位置λ2处的透射率是α
1－2
，
…
，在对应波长位置λ
512
处的透射率是α
1－512
，以此类推，对应#m第一透射单元的第一滤色单元在对应波长位置λ
n
处的透射率是α
m－n
，这些皆为已知量。
[0050]
因待测光均匀照射到渐变滤色片表面，且划分出的512个第一透射单元以及与之对应的512个第一滤色单元的大小形状是一样的，因此待测光照射到每个第一滤色单元上的光强也是相同的，设定在每个第一滤色单元的入射表面，待测光在波长位置λ1的入射光强为x1，在波长位置λ2的入射光强为x2，
…
，在波长位置λ
n
的入射光强为x
n
，
…
，在波长位置λ
512
的入射光强为x
512
，这些都是未知量，只要计算出这些未知量就得到了待测光的光谱。
[0051]
由于每个第一滤色单元的透射曲线都不相同，因此每个第一透射单元的光强及组成是不同的，对任一波长，其光强等于其入射光强乘以其在第一滤色单元的透射率，即x
×
α。设黑白面阵ccd测得的每个第一透射单元的光强值分别为p1、p2、
…
、p
m
、
…
、p
512
，这些都是黑白面阵ccd测得的已知量，那么对任意一个第一透射单元，例如#m第一透射单元，其透射光的光强p
m
就是所有512个波长(波长位置)的透射光的光强之和，即：p
m
＝x1α
m－1
+x2α
m－2
+
…
+x
n
α
m－n
+
…
+x
512
α
m－512
，这是一个含有x1、x2、
…
、x
512
，总共512个未知数的512元一次方程组，总共512个第一透射单元就得到512个互不相同且没有线性关系的512元一次方程，即：
[0052][0053]
写成矩阵方程形式就是：
[0054]
αx＝p或：x＝α
－1
p
[0055]
其中α是512个第一滤色单元分别在512个波长位置处的透射率组成的系数512
×
512方矩阵，α
－1
是其逆矩阵，x是512个未知量的列向量，p是测得的512个光强数据组成的常数列向量。
[0056]
解这个由512个512元一次方程组成的方程组(或矩阵方程)，则得到一组关于未知数x1、x2、
…
、x
512
的解，也就是待测光的光强随波长的分布，即待测光光谱。
[0057]
实际在不同应用上可采用不同尺寸和像素数的黑白面阵ccd；渐变滤色片的大小也随之改变，而且渐变的图案可以多种多样，只要保证划分出的第一滤色单元的透射曲线
各不相同且没有线性关系即可。
[0058]
在所述通过滤色装置将待测光转化为透射光数据之前，包括：测定所述滤色装置的透射曲线。所述测定所述滤色装置的透射曲线的步骤包括：
[0059]
通过单色仪将标准光源中均匀间隔波长的单色光依次均匀照射至所述滤色装置；在所述数据处理装置中生成所述单色光的透射光图像，将所述透射光图像划分成n个第二透射单元，并计算所述第二透射单元的透射光强；根据所述第二透射单元内透射光强的变化生成透射光强随波长变化曲线；将n个所述第二透射单元的透射光强随波长变化曲线与标准光源的发射光谱相比较得到透射曲线。
[0060]
在另一实施例中，通过单色仪将标准光源的单色光依次透射至所述滤色装置；在所述数据处理装置中获取不同单色光的透射光图像，将所述透射光图像划分成n个第二透射单元，并计算所述第二透射单元的透射光强；根据不同单色光的透射光图像中相同第二透射单元的透射光强变化生成透射光强随波长变化曲线；将n个所述第二透射单元的透射光强随波长变化曲线与标准光源的发射光谱相比较得到所述滤色装置的透射曲线。所述第二透射单元与所述第一透射单元相对应。
[0061]
在另一实施例中，所述滤色装置(渐变滤色片)的透射曲线的具体测定过程如下：
[0062]
首先，在电脑屏幕上将渐变滤色片的透射光图案均匀划分成512个单元，每个分区均匀划分出8
×
8＝64个单元，这就是第二透射单元，数据处理软件计算每个第二透射单元的透射光强度。
[0063]
单色仪逐个波长扫描输出标准光源的单色光，与此同时，面阵黑白ccd拍摄每个不同波长单色光照射到渐变滤色片后的透射光图案，记录每个第二透射单元的透射光强，这样就得到了每个第二透射单元的透射光强随波长的变化曲线。由于每个第二透射单元对应的渐变滤色片上第一滤色单元的红、绿、蓝的比例都不同，所以512个透射光单元的透射光强随波长变化曲线都不同，且没有线性关系。
[0064]
将每个第二透射单元的透射光强随波长变化曲线与标准光源的发射光谱相除，再用单色仪波长响应曲线校准，就得到与每个第二透射单元相对应的第一滤色单元的透射曲线。由于透射曲线都是平缓的宽带光谱，因此可以通过插值计算得到波长间隔更密的透射曲线数据。
[0065]
所述通过渐变滤色片对待测光进行滤色得到透射光之前，包括：在所述渐变滤色片上等分出n个透射曲线各不相同且没有线性关系的第一滤色单元。所述第一滤色单元与所述第一透射单元相对应。
[0066]
其中，任意两个所述第一滤色单元不能有相同的透射曲线，且有能够识别的、大于测量误差的区别；任意一个第一滤色单元的透射曲线不能与其它第一滤色单元的透射曲线有线性关系或线性叠加关系。
[0067]
所述将n个所述第二透射单元的透射光强随波长变化曲线与标准光源的发射光谱相比较得到透射曲线，还包括：
[0068]
通过插值法得到更密集的波长位置和相对应的透射率α
n
，从而能够得到分辨率更高的光谱。在测量第二透射单元的的透射曲线时，通常不会测出这么密集的波长间隔，而是测量较大的间隔，再根据透射曲线的变化规律用插值法算出任意波长位置的透射率。
[0069]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将
一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0070]
以上对本实用新型所提供的一种光谱测量装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。