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一种基于智能手机测量光谱的便携装置及其光谱检测方法与流程

发布时间:2020-11-09 06:44 作者:金宝搏

  本发明属于及光谱检测与图像处理技术领域,具体涉及一种基于智能手机测量光谱的便携装置及其光谱检测方法。

  光谱技术作为光学实验的基石,在灯光测试、食品检测、化学分析、医学诊断等领域都发挥重要作用。传统大型光谱仪十分笨重,无法满足人们携带光谱仪实时实地对目标样品进行检测的需求,在此基础上便携式光谱检测技术不断发展。伴随着移动互联网时代的到来,手机早已发展成最主流的智能数据终端。手机本身也集成了光学传感器,并拥有对传感数据进行收集、处理、传输的功能。目前市面上也有越来越多的外部设备与手机配套,借助手机来实现对应信息的传输处理。在光谱测量中,也可以将光学分光部分集成做成手机外设,将其与手机进行配合,利用手机摄像头来采集图像,辅以手机端软件利用手机CPU代替传统电脑来分析数据,将手机显示屏幕作为光谱数据的显示终端,即可实现手机光谱仪。

  利用智能手机测量光谱的便携装置与市面现有的小型光谱仪相比,在便携性、成本和数据传输等方面都具有很大的优势。首先,光谱测量仪器都包含光学模块部分与图像处理部分。而目前市面上所见的便携式光谱仪主要为集成式手持光度计,其光学模块内为光纤直接照射到光栅上,然后经平面透射光栅衍射后经CCD或CMOS传感器转换处理得到光谱。这样保证了光谱数据的精度,但同时带来了器件位置固定、不可随意拆卸变动的问题,此外手持光度计因集成了图像处理部分而导致成本也相对更高。一些专利也尝试使用智能手机来进行光谱测量,例如“一种手机光谱仪(专利号:95)”,该专利涉及一种干涉型光谱仪,利用偏振镜和分光棱镜实现谱线元干涉,但并未阐述如何由干涉图实现光谱分布的具体方法。

  为了克服现有技术存在的不足,解决便携光谱检测装置便携性差、适配性差、成本居高不下的技术问题,提供一种利用智能手机测量光谱的便携装置及其光谱检测方法,作为智能手机的外设附件,通过标准光源实现对图像的光谱校准,避免传统技术中光学器件与手机摄像头不匹配时无法测量的局限,提供低成本便携的可见光光谱测量。

  一种基于智能手机测量光谱的便携装置,它包括入射狭缝、准直透镜、光栅、柱面镜、标准白板、封装夹具、壳体和智能手机,其中:

  所述入射狭缝、准直透镜、光栅、柱面镜和标准白板设置于壳体中,待测光源导入用于滤除待测光源中杂散光的入射狭缝中,入射狭缝输出端为入射光源,入射光源经过准直透镜折射为平行光,平行光依次经光栅分光、柱面镜聚光后在标准白板上成像;所述封装夹具设置于壳体的外部,封装夹具固定夹持智能手机,使智能手机的摄像头对准标准白板,智能手机的摄像头用于对色散条纹进行拍摄得到彩色条纹图片,智能手机的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;

  所述入射狭缝的宽度为5um-20mm,入射狭缝与准直透镜之间的距离为:10-50mm,准直透镜的焦距为10-50mm,光栅的角度为:0-45度,准直透镜与光栅之间的距离为:10-100mm,光栅与柱面镜之间的距离为:1075mm,柱面镜与标准白板之间的距离为10-50mm;光栅为500nm闪耀波长,400-1000波段,1200刻线;标准白板为漫反射板。

  S21、波长校准:将波长标准光源放于入射狭缝的输入端,调节入射狭缝、准直透镜、光栅、柱面镜与标准白板的相对位置,调整智能手机摄像头的参数,使智能手机的摄像头采集标准白板上清晰的彩色条纹图像,同时智能手机将摄像头拍照时的参数储存于智能手机的存储模块中;

  S22、智能手机调取步骤S21拍摄所得彩色条纹图像,内部算法为滤波锐化、图像裁剪,提取灰度跳变像素点与标准光谱波长对应,确定各像素点对应波长,采用三阶多项式拟合,实现波长定标,生成波长定标文件,显示模块显示波长校准完成提示框,波长校准完成;

  S23、强度校准:将强度标准光源放于入射狭缝的输入端,调节智能手机摄像头的参数与步骤S21中存储的摄像头拍照时的参数相同,智能手机的摄像头采集标准白板上清晰的彩色条纹图像;

  S24、智能手机调取步骤S23拍摄所得彩色条纹图像,内部算法为图像裁剪,调入步骤S22中生成的波长定标文件,遍历各波长下对应像素点,提取灰度值并累加,不同波长的灰度值与标准光谱中强度值对应,实现光谱强度定标,生成光谱强度定标文件,显示模块显示强度校准完成提示框,光谱强度校准完成;

  将待测光源放于入射狭缝的输入端,调节智能手机摄像头的参数与步骤S21中存储的摄像头拍照时的参数相同,点击智能手机的拍照功能,智能手机的摄像头采集标准白板上清晰的彩色条纹图像,数据处理模块自动调用步骤S22中生成的波长定标文件和步骤S24中生成的光谱强度定标文件,生成目标光谱曲线并保存至对应文件夹,显示模块显示色条纹图像对应的光谱曲线,完成基于智能手机的光谱检测。

  进一步地,在所述步骤S21中,智能手机的摄像头拍照时的参数包括白平衡、对焦、快门时间、感光度、镜头。

  进一步地,在所述步骤S22中,灰度跳变像素点为灰度变化明显的像素点,所述标准光谱波长为定标光谱峰值波长。

  进一步地,根据需要将文件夹中采集的彩色条纹图像及光谱曲线文件传输至电脑或其他手机。

  1)、设计了新型的微型光学外设附件来适配智能手机,保证不同手机获得准确光谱成像;

  2)、设计了新型的图像处理方法实现了将光谱仪器的光学模块与图像处理模块分离,解决了同一手机外设对不同机型之间的适配问题,保证不同机型都可得到准确光谱;

  3)、因为图像传感器为二维传感器,在同一波长处,可对多个像素点光强累加,降低噪声提高测试灵敏度。此外,相比于传统手持光度计制作成本降低,方便了使用者对光谱数据实时传输。

  图3为实施例中白光LED在手机端处理后所得光谱曲线为实施例中白光LED在IS Spectro320光谱仪中测得的标准光谱。

  图中:1为入射狭缝,2为准直透镜,3为光栅,4为柱面镜,5为标准白板,6为智能手机,7为封装夹具,8为壳体。

  下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。本实施例中采用高压汞灯进行波长校准、卤钨灯进行强度校准,校准完成后待测量光源为白光LED。

  如图1所示的一种基于智能手机测量光谱的便携装置,它包括入射狭缝1、准直透镜2、光栅3、柱面镜4、标准白板5、封装夹具7、壳体8和智能手机6,其中:

  所述入射狭缝1、准直透镜2、光栅3、柱面镜4和标准白板5设置于壳体8中,待测光源导入用于滤除待测光源中杂散光的入射狭缝1中,入射狭缝1输出端为入射光源,入射光源经过准直透镜2折射为平行光,平行光依次经光栅3分光、柱面镜4聚光后在标准白板5上成像;所述封装夹具7设置于壳体8的外部,在封装夹具7附加弹簧,使封装夹具7固定不同尺寸手机,封装夹具7固定夹持智能手机6,使智能手机6的摄像头对准标准白板5,智能手机6的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6的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;

  所述入射狭缝1的宽度为5um-20mm,入射狭缝1与准直透镜2之间的距离为:10-50mm,准直透镜2的焦距为10-50mm,光栅3的角度为:0-45度,准直透镜2与光栅3之间的距离为:10-100mm,光栅3与柱面镜4之间的距离为:1075mm,柱面镜4与标准白板5之间的距离为10-50mm;光栅3为500nm闪耀波长,400-1000波段,1200刻线为漫反射板。

  如图2所示的一种基于智能手机测量光谱的便携装置的光谱检测方法,包括以下步骤:

  S21、波长校准:将波长标准光源放于入射狭缝1的输入端,调节入射狭缝1、准直透镜2、光栅3、柱面镜4与标准白板5的相对位置,调整智能手机6摄像头的参数,使智能手机6的摄像头采集标准白板5上清晰的彩色条纹图像,同时智能手机6将摄像头拍照时的参数储存于智能手机6的存储模块中;

  S22、智能手机6调取步骤S21拍摄所得彩色条纹图像,内部算法为滤波锐化、图像裁剪,提取灰度跳变像素点与标准光谱波长对应,确定各像素点对应波长,采用三阶多项式拟合,实现波长定标,生成波长定标文件,显示模块显示波长校准完成提示框,波长校准完成;

  S23、强度校准:将强度标准光源放于入射狭缝1的输入端,调节智能手机6摄像头的参数与步骤S21中存储的摄像头拍照时的参数相同,智能手机6的摄像头采集标准白板5上清晰的彩色条纹图像;

  S24、智能手机6调取步骤S23拍摄所得彩色条纹图像,内部算法为图像裁剪,调入步骤S22中生成的波长定标文件,遍历各波长下对应像素点,提取灰度值并累加,不同波长的灰度值与标准光谱中强度值对应,实现光谱强度定标,生成光谱强度定标文件,显示模块显示强度校准完成提示框,光谱强度校准完成;

  将待测光源放于入射狭缝1的输入端,调节智能手机6摄像头的参数与步骤S21中存储的摄像头拍照时的参数相同,点击智能手机6的拍照功能,智能手机6的摄像头采集标准白板5上清晰的彩色条纹图像,数据处理模块自动调用步骤S22中生成的波长定标文件和步骤S24中生成的光谱强度定标文件,生成目标光谱曲线并保存至对应文件夹,显示模块显示色条纹图像对应的光谱曲线所示),完成基于智能手机的光谱检测。

  进一步地,在所述步骤S21中,智能手机6的摄像头拍照时的参数包括白平衡、对焦、快门时间、感光度、镜头。

  进一步地,在所述步骤S22中,灰度跳变像素点为灰度变化明显的像素点,所述标准光谱波长为定标光谱峰值波长。

  进一步地,根据需要将文件夹中采集的彩色条纹图像及光谱曲线文件传输至电脑或其他手机。

  为验证本发明的可行性,将同一待测光源在IS Spectro320光谱仪中测得标准光谱(如图4所示),用于与本发明所得光谱曲线所示)对比,二者结果相当接近,说明测试的准确性。

  以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。


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