本发明专利技术公开了一种双光路光谱仪及测色装置与校准方法，测色装置获取被测样品反射光和测试光源反射光，通过Y形光路单元分别输入光谱仪的第一入射狭缝、第二入射狭缝，经透镜入射到光栅，光栅分光返回的衍射光斑，再经透镜，错位分布在入射狭缝侧的传感器光敏面上，光敏面上配合设置具有错位开口的光阑，使得每个错位开口处的光敏面只接收一个光路的光信号，改善了分光测色的短期重复性。波长校准时，通过Y形光路单元分别获取校准光源的光信号，根据光谱仪的传感器将采集到的光信号的像元位置信息，通过四阶多项式对波长数据和像元位置信息进行拟合，调整像元与波长的对应关系，从而对波长进行校准，改善了分光测色的短期重复性。改善了分光测色的短期重复性。改善了分光测色的短期重复性。
【技术实现步骤摘要】
一种双光路光谱仪及测色装置与校准方法
[0001]本专利技术涉及测色
，尤其是双光路光谱仪，以及基于双光路光谱仪的测色装置及波长校准方法。
技术介绍
[0002]测色仪通过获得被测样品表面可见光范围内的光谱反射率曲线，计算得到颜色三刺激值和其它色参量。测量重复性时评价测色仪性能的重要指标。测色仪主要由光源和照明系统、分光系统、光电接收系统、控制和数据处理系统等组成。其中，分光系统将混合光分解成单色光，光电接收系统接收单色光并进行光电转换，这两部分合称为光谱仪。光谱仪是测色仪的核心组成部分，不仅要满足一系列的指标要求，而且对于整个测色仪的性能和结构起着决定性作用。大多数测色仪均采用脉冲氙灯作为光源。在测量的过程中，脉冲氙灯每次点亮时的光谱能量会发生较大变化，通常采用双光路设计来消除光源波动对仪器重复性产生的影响，即一条光路传感器检测被测物体表面反射光谱信号，另一条光路传感器检测光源能量波动，通过两个传感器的信号对比，即可消除光源波动对测量产生的影响，保证测量重复性。
[0003]现有的双光路设计均采用两个光谱仪分别检测两个光路的信号，一个测量被测样品的光谱信息，称作样品探测支路光谱仪，一个测量光源能量波动，称作光源监测支路光谱仪，即双光路系统中存在两个光栅和两个传感器。即使两个光谱仪是同一品牌同一型号，但是由于光栅、光路机械结构和传感器性能参数的不一致，该差别为测色仪带来的误差，即便使用双光路也无法抵消，继而导致工作环境温度、湿度发生改变时两个光谱仪因变化不一致，致使测色仪的短期重复性和长期重复性较差。<br/>
技术实现思路
[0004]为解决现有技术的不足，实现提高测色仪短期重复性和长期重复性的目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0005]一种双光路光谱仪，包括入射狭缝、透镜、光栅、传感器和光阑，入射狭缝包括第一入射狭缝、第二入射狭缝，所述光栅为凹面光栅，所述透镜为平凸透镜，凹面光栅的凹面与平凸透镜的凸面配合设置，被测样品反射光、测试光源反射光两条光路分别通过第一入射狭缝、第二入射狭缝，经透镜入射到光栅，光栅分光返回的两条衍射光斑，再经透镜，错位分布在入射狭缝侧的传感器光敏面上，从而优化光谱仪结构，光敏面上配合设置具有错位开口的光阑，对370
‑
730nm以外的光进行拦截，使得每个错位开口处的光敏面只接收一个光路的光信号，从而实现了通过单光栅单传感器，便能实现双光路光谱仪的功能，降低了成本，对于两个光路，光栅、光路结构和传感器的变化一致，有效的减小了短期测量重复性。
[0006]进一步地，传感器的光敏面接收单个光路光信号的宽度dl对应的波长范围为dλ＝730
‑
370nm，根据光谱仪的色散率dλ/dl＝56.25
±
10％nm/mm，设置光阑的错位开口宽度为dl，通过色散率限定了光阑错位开口的最佳宽度范围。
[0007]进一步地，dl＝6.4mm，为光阑最佳的错位开口宽度。
[0008]进一步地，光阑的错位开口有两个，分别对应光阑分光返回的两条衍射光斑，两个错位开口为横向排布、上下错位且相互平行的矩形开口，横向排布的矩形开口与第一、第二入射狭缝的连线所构成的锐角，在
±
30度以内。
[0009]进一步地，入射狭缝设有370nm长波通滤光片，用于消除二级衍射光对采集的指定波段(370
‑
730nm)波长小于370nm的光信号进入光谱仪所产生的影响。
[0010]进一步地，传感器为线阵传感器，通过光阑的错位开口，线阵传感器光敏面的单个像元只接收一个光路的光信号。
[0011]进一步地，为光栅设置杂散光消除单元，杂散光消除单元为一组波形光锥，波形光锥向凹面光栅侧倾斜，从而消除光栅产生的其他衍射光。
[0012]基于单光栅单传感器双光路的光谱仪的分光测色装置，包括光信号获取单元，光信号获取单元分别通过两个Y形光路单元，与双光路光谱仪连接，Y形光路单元包括两个输入端和一个输出端，其中第一Y形光路单元的输入端与光信号获取单元连接，用于获取被测样品反射光，另一个输入端与校准光源连接，输出端与第一入射狭缝的入射口连接；第二Y形光路单元的输入端与光信号获取单元连接，用于获取测试光源反射光，另一个输入端与校准光源连接，输出端与第二入射狭缝的入射口连接，校准光源用于装置的标定和测试。
[0013]一种基于单光栅单传感器双光路的光谱仪的分光测色装置的波长校准方法，包括如下步骤：
[0014]步骤S1：通过两个Y形光路单元，分别获取校准光源的光信号；
[0015]步骤S2：传感器采集校准光源的光信号；
[0016]步骤S3：获取传感器上采集到光信号的像元位置信息，光信号包含两条光路的两个通道，取其中一个通道数据；
[0017]步骤S4：通过四阶多项式对波长数据和像元位置信息进行拟合，调整像元与波长的对应关系，从而对波长进行校准，四阶多项式如下：
[0018]y＝C4x4+C3x3+C2x2+C1x+C0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0019]y表示波长数据，x表示波长对应的像元位置信息，通过多组数据计算出的系数C4、C3、C2、C1、C0，即得到波长和像元位置的关系。
[0020]进一步地，像元是线阵传感器的感光单元，若干个感光单元按直线逐个排列组成线阵传感器的感光面，按排列的位置进行编号形成像元序列号，以线阵传感器的感光面上接收到光信号的像元序列号表示像元位置信息。
[0021]本专利技术的优势和有益效果在于：
[0022]本专利技术的采用一个光栅作为分光器件，一个线阵传感器作为传感器件对系统的主通道和副通道同时进行采样，采样结果相对于现有技术，在节约成本、优化光谱仪结构的同时，大大降低了温度变化导致的光栅、光路结构和传感器变化不一致对仪器短期测量重复性产生的影响。同时本专利技术设计了测色仪及其校准方法，采用波长校准方法对由温度变化导致的采样数据变化进行校准，降低了温度变化对仪器长期测量重复性产生的影响。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例中双光路光谱仪结构示意图。
[0024]图2是本专利技术实施例中双光路光谱仪光阑遮挡示意图。
[0025]图3是本专利技术实施例中CMOS线阵图像传感器波长灵敏度曲线图。
[0026]图4是本专利技术实施例中双光路光谱仪光路图。
[0027]图5是本专利技术实施例中双光路光谱仪光路侧视图。
[0028]图6a是本专利技术实施例中双光路光谱仪的光斑图。
[0029]图6b是本专利技术实施例中双光路光谱仪的光谱分辨率图。
[0030]图7是本专利技术实施例中线阵传感器光敏面的光阑结构示意图。
[0031]图8是本专利技术实施例中杂散光消除单元的结构示意图。
[0032]图9a是本专利技术实施例中双光路光谱仪与Y形光纤的结构示意图。
[0033]图9b是本专利技术实施例中双光路光谱仪的分光测色装置结构示意图。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双光路光谱仪，包括入射狭缝、透镜(1)、光栅(5)、传感器和光阑(7)，其特征在于：所述入射狭缝包括第一入射狭缝(2)、第二入射狭缝(3)，两条光路分别通过第一入射狭缝(2)、第二入射狭缝(3)，经透镜(1)入射到光栅(5)，光栅(5)分光返回的衍射光斑，再经透镜(1)，错位分布在入射狭缝侧的传感器光敏面上，光敏面上配合设置具有错位开口(6)的光阑(7)，使得每个错位开口(6)处的光敏面只接收一个光路的光信号。2.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：所述传感器的光敏面，接收单个光路光信号的宽度dl对应的波长范围为dλ＝730
‑
370nm，根据光谱仪的色散率dλ/dl＝56.25
±
10％nm/mm，设置光阑(7)的错位开口(6)宽度为dl。3.根据权利要求2所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：所述dl＝6.4mm。4.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于所述光阑(7)的错位开口(6)有两个，分别对应光阑(7)分光返回的两条衍射光斑，两个错位开口(6)为横向排布、上下错位且相互平行的矩形开口，横向排布的矩形开口与第一、第二入射狭缝的连线所构成的锐角，在
±
30度以内。5.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：所述入射狭缝设有370nm长波通滤光片(9)，用于消除二级衍射光对采集的指定波段波长小于370nm的光信号进入光谱仪所产生的影响。6.根据权利要求1所述的一种双光路光谱仪，其特征在于：所述传感器为线阵传感器(8)，通过光阑(7)的错位开口(6)，线阵传感器(8)光敏面的单个像元只接收一个光路的光信号。7.根据权利要求1所述的一种双光路光...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁琨，王坚，李培杆，秦梦丹，龚双虎，陈迅，
申请(专利权)人：杭州佰腾电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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