一种测量的光谱的方法和装置及其用途制造方法及图纸

一种测量光谱的方法：使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱。该方法可以用于平面状样本的光谱检测和颜色测量，其优势在于可以用于现场检测，不需要采集样本，可以一次性检测所有波长的散射光强，光谱分辨率可以精确到1nm。基于该方法的光谱仪便于做到小型化，并可以借助手机等智能硬件的图像传感器实现检测。该方法还可以用于吸收光谱的测量，并应用于光谱分析和即时检测。

A method and device for measuring the spectrum and its use

A method for measuring the spectral dispersion element: the use of the light dispersion for different wavelengths of light, and light in the sample plane; use the image sensor to take photos of the sample plane, record the image of the scattered light signal intensity; on behalf of various wavelengths of gray image with each pixel value, with light intensity on wavelength mapping is obtained the plane of the sample spectrum. The method can be used for spectral detection and color measurement of planar samples. The advantage is that it can be used for on-site detection, and does not need to collect samples. It can detect all the wavelength of scattered light at one time, and the spectral resolution can be accurate to 1nm. The spectrometer based on this method is easy to be miniaturized, and can be detected by the image sensor of intelligent hardware such as mobile phone. The method can also be used for the measurement of absorption spectra, and is applied to spectral analysis and real-time detection.

【技术实现步骤摘要】
一种测量的光谱的方法和装置及其用途
本专利技术属于光谱测量、光谱分析领域，涉及光谱仪器的制造及检测应用。
技术介绍
光谱的测量在物质分析中发挥着非常重要的作用。传统的光谱测量设备，包括用于测量吸收光谱、反射光谱、荧光光谱或拉曼光谱的许多数仪器装置，它们的测量方法大多是：先收集样本的反射、透射或散射光信号，再进行色散，然后用探测器探测各个频率的光强（参考专利：CN201310401610.8，CN200410051216.7，CN201380019174.6，CN201410113837.7，CN201280018232.9）。为了获得较高的灵敏度，这种方法需要对对样本发出的光进行有效的收集。例如通过使用大口径的透镜对光进行聚焦可以增加光通量，然而这种方法增加了仪器的体积，往往用于大型光谱仪中。在小型化的光谱仪中，需要使用狭缝限制光束的直径，以获得较高的光谱分辨率。狭缝宽度一般在几十到几百微米之间。然而，狭缝越窄，透过的光越少，检测信号越弱，导致灵敏度的下降。此外，现有光谱仪使用的线阵CCD的长度和像元数量有限，为了增加光谱分辨率，需要增加光栅与探测器之间的距离，并增加CCD的长度，这些方案与仪器的小型化背道而驰。除了色散型光谱仪之外，傅立叶光谱仪通过干涉的原理来检测光谱，这种方法不需要狭缝，具有较高的光通量，然而环境振动对仪器干扰显著，不利于户外即时检测。综上所述，现有的光谱仪很难同时做到成本低、体积小、精度高、性能稳定。
技术实现思路
为了使光谱仪更加廉价、小型化，本专利技术公开一种光谱测量方法，基于这种方法的光谱测量设备可以用于平面状样本的反射、透射或散射光谱的测量。平面状样本是指样本为平面状，或者具有平面结构，例如：平板、平铺的薄膜、纸张、布料、微粒或液体、具有平面的立方体等。本专利中，用“样本平面”代指上述各种平面状样本的平面。本专利技术公开的样本平面的光谱测量方法如下：使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱。该方法测量光谱的原理如下：由于不同波长的光照射在样本平面的不同区域，并且这些区域在图像传感器中被不同的像元所探测，即单个像元探测的是单一波长的光强；因而在照片中，像素点的灰度值即反映了某个波长的光强，也就是照片上不同区域的亮度即反映了该样本对不同波长光的散射强度。以光强对频率或波长作图，即得到一种光谱图，本专利中，定义这种光谱为绝对光谱。如果忽略样本的荧光、拉曼散射和非线性光学效应，同一样本区域上，散射光强度近似正比于入射光的强度。在实际的测量中，用的激发光较弱，因而非线性光学效应可以忽略，此外拉曼散射相对于弹性散射非常弱，因而也可以忽略。因而这个方法适用于非荧光的样本的光谱测量。当照射在样本平面上各波长的光强大致相等，且探测器检测不同波长光子的灵敏度一致时，上述测得的绝对光谱即可以代表样本的光谱性质。然而许多光源中，各个波长的光强权重并不相等，甚至存在较大的差异；又或者光源的光经过色散元件色散之后，使各个波长的光强权重并不相等，而且探测器检测不同波长光子的量子产率并不相同。这些因素都导致上述测得的绝对光谱不能准确反映样本自身的光谱性质。为此，需要对绝对光谱进行校正，校正方法为：在前面方法的基础上，在相同的条件下对标准样本进行拍照，测量其散射信号，以得到的标准样本的光谱代表各个波长光强的相对权重，再将样本的光谱中各个波长下的灰度值除以上述权重，所得的值对波长作图，即得到校正后的光谱；该光谱与光源无关，反映样本本身的光谱性质。其中，作为标准样本的要求是，在探测的波长范围内，标准样本对光几乎没有吸收，因而标准样本对各种波长光的散射率可看成一恒定值。实际测量中，可根据测量光谱的波长范围选择合适的标准样本。例如金刚石粉、二氧化硅粉、硫酸钡、聚四氟乙烯等，可以作为标准样本，测量可见光到近红外范围内的光谱，根据上述方法和原理，本专利公开一种光谱仪，其特征在于：包括光源、色散元件、透镜、图像传感器；其中，色散元件选自棱镜、光栅、滤光片阵列、光纤光栅，图像传感器选自CCD、CMOS传感器；光路结构为：从光源发出的光经过色散元件色散为不同频率的光，并照射在样本平面上，从样本平面发出的光经过透镜聚焦于图像传感器上；根据实际测试的需要，可选择性从合适的方向对样本平面进行拍照，以获得绝对光谱。此外，可以根据具体的需要，按前面所述的方法对绝对光谱进行校正，以获得样本的散射光谱。优选的，该光谱仪的色散元件为光栅，此外光源和色散元件之间还有狭缝。上述方法和光谱仪的优势在于：分离了色散元件和探测器，取而代之的是，图像处理技术计算光谱，节省了色散元件到探测器的空间；在色散性能有限的情况下，可以延长光照距离（色散元件到样本平面的距离）或者延长拍照的距离来增加光谱分辨率；在图像传感器的灵敏度有限的情况下，可以增加光照强度来提高检测灵敏度。由于样本是外置的，本方法非常适合户外检测、即时检测。实际应用中，有许多样本是平面状，如纸、板，或者很容易处理成平面状，如颗粒、胶体等，因而本方法可以用于构建相关的光谱分析方法，并用于许多物质的检测分析。本方法可以用于液体样本的光谱测量，根据这个方法构建的光谱仪，除了包含前面所述的光源、色散元件、透镜、图像传感器外，还包括一个容器，容器的底面为平面，由于液体的流动性，向容器中填充液体，会在容器底面形成液体样本的平面，进而可以用于光谱测试。容器底面具有一定的粗糙度，以增强光散射。本方法最直接的应用之一是颜色的测量：根据具体需要，测得样本平面某个角度的散射光谱，可以将光谱换算成三刺激值，还可以得到色坐标。实际的颜色测量中，有很多样本难以移动，或着不能取样，如建筑物、墙面、天花板等，也有一些样本巨大，不能放入一般的光谱仪中。而本专利的方法适合于这些样本的光谱和颜色测量，使用色散后的光照射样本，再用图像传感器拍照即可。本方法还可以用于物质吸收光谱的测量，并用于相关的物质检测分析。测量吸收光谱的理论基础为：在忽略样本的荧光、拉曼散射和非线性光学效应的条件下，照射样本的光强减去透射光强，等于弹性散射和吸收光强的总和；对于形貌一致的样本，透射光强相同，因而在相同的光照下，弹性散射和吸收光强的和为定值。根据这个原理，吸收光谱的测量方法如下：在前面光谱测量方法的基础上，选取貌一致的参照样本和待测样本，并在同样条件下拍照，得到参照样本和待测样本的散射光图像，将两个图像的灰度值矩阵相减，得到新的矩阵，以该矩阵中的每个元素代表该点处的吸收光强，用该吸收光强除以对应的波长的权重，即得到待测样本的吸收光谱；其中波长的权重是指按前面所述的方法测得的参照样本的绝对光谱中，各波长光的相对光强；其中，同样条件是指：样本和参照物具有相同的粗糙度，与入射光和传感器的相对位置、角度相同，使用同样的设备，传感器的感光度相同，曝光时间相同。这种用散射的方式测量吸收光谱的方法适合于纸张、硅胶等样本的测量。例如以滤纸作为参照，可以测量滤纸吸取溶液后的吸收光谱，该吸收光谱反映溶质在溶液中的吸收光谱，可以用于相关物质的定性、定量分析。上述吸收光谱的测量还可以用于紫外可见吸收光谱的分析应用中。例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量光谱的方法，其特征在于：使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱；其中，样本平面指各种平面状样本的平面。

【技术特征摘要】
1.一种测量光谱的方法，其特征在于：使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱；其中，样本平面指各种平面状样本的平面。2.如权利要求1所述的测量光谱的方法，其特征在于，还包括以下光谱校正过程：使用权利要求1中的方法在相同的条件下对标准样本进行拍照，测量其散射信号，以得到的标准样本的光谱代表各个波长光强的相对权重，再将样本的光谱中各个波长下的灰度值除以上述权重，所得的值对波长作图，即得到校正后的光谱；其中，作为标准样本的要求是，在探测的波长范围内，标准样本对光几乎没有吸收，因而标准样本对各种波长光的散射率可看成一恒定值。3.一种光谱仪，其特征在于：包括光源、色散元件、透镜、图像传感器；其中，色散元件选自棱镜、光栅、滤光片阵列、光纤光栅，图像传感器选自CCD、CMOS传感器；光路结构为：从光源发出的光经过色散元件色散为不同频率的光，并照射在样本平面上，从样本平面发出的光经过透镜聚焦于图像传感器上。4.如权利要求3所述的光谱仪，其特征在于：该光谱仪的色散元件为光栅，光源和色散元件之间还有狭缝。5.如权利要求1所述的方法，作为颜色测...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱泽策，
申请(专利权)人：武汉能斯特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42