手机光谱仪模块及具有该手机光谱仪模块的手机光谱仪

摘要

本发明适用于光谱仪技术领域，公开了一种手机光谱仪模块及具有该手机光谱仪模块的手机光谱仪。手机光谱仪模块包括具有狭缝的壳体，所述壳体内设置有用于准直从所述狭缝入射的光线的平凸准直透镜，所述平凸准直透镜的一侧设置有用于反射经所述平凸准直透镜准直后的光线且将入射的复色光变为沿不同方向出射的单色光的反射光栅，所述壳体内还设置有用于对所述反射光栅出射的单色光进行聚集的球面反射镜，所述球面反射镜与所述手机镜头接收面之间设置有双凸透镜。手机光谱仪包括手机和上述的手机光谱仪模块。本发明提供的手机光谱仪模块及具有该手机光谱仪模块的手机光谱仪，其光谱分辨率佳、结构紧凑，易于安装及扩展外设。

说明书

技术领域

本发明属于光谱仪技术领域，尤其涉及一种手机光谱仪模块及具有该手机 光谱仪模块的手机光谱仪。

背景技术

光谱仪是食品检测、环境监测、生化分析、照明检测等领域的重要工具。 随着日常、实时检测的需求越来越多，近二十年来光谱仪逐渐走出实验室，向 着微小型化的趋势发展。目前主流的微型光谱仪以美国海洋光学、荷兰爱万提 斯、日本滨松等公司产品为代表，大多基于切尼-特纳光路或平场凹面光栅光路， 采用CCD/CMOS线阵探测器接收光谱，光谱数据通过USB/蓝牙等接口传输至电 脑或嵌入式工控机显示分析。这样的微型光谱仪可做到手掌大小，具有紧凑便 携、使用简便、测量快速等优点，其光谱分辨率足以满足一般应用领域的测量 要求，价格不足万元，因此特别适合于现场原位快速检测，得到了广泛应用。 随着移动互联网时代的到来，以手机为代表的移动设备已发展成为智能数据终 端，这对于硬件开发的影响是深远的，各种与手机结合的设备不断推出，可以 完成各种传感数据的采集、分析、上传等。如前所述，目前的微型光谱仪仍然 是一个独立完整的硬件系统，包括光机、电路、显示外设等。对于手机而言， 自带CMOS摄像头电路，能拍摄可见光光谱，手机屏幕则是显示外设，因此只需 设计光机模块与手机装配结合，再辅以手机端软件，即可实现手机光谱仪。与 现行主流的微型光谱仪相比，手机光谱仪实现了光谱仪模块与手机的结合，具 有更良好的便携性，无需专门的电路和专门的显示外设，更低廉的成本(成本 降低70％以上)，更快捷的数据上传共享，直接通过移动互联网，而无需像现 在一样从电脑或嵌入式工控机上传，用户仅仅通过手机就可以实现光谱检测的 全部流程，从而更加容易普及应用。

目前，国外的一些研究人员已经开始了对手机光谱仪的研发，具有代表性 的是美国的public lab，其设计的手机光谱仪的光路结构形式如图1所示。这 种光路结构中只有狭缝1’与光栅2’两个器件，图1中3’为手机镜头接收面，光 栅为透射式光栅胶片，结构简单，成本低，但光谱分辨率不理想。

相对于现有的微型光谱仪而言，手机光谱仪在便携性、成本和数据传输等 方面无疑具有很大的优势。然而，光谱仪作为检测仪器，无论其结构形式如何 变化，必须具备一定的光谱分辨率才能获得良好的检测精度。图1展示的手机 光谱仪模块结构简单，成本低，但主要有以下不足：

第一、光谱分辨率不理想。光路中复色光经过狭缝，直接照射到光栅，这 些光线不是平行光，而是发散光，经平面透射光栅衍射后难以在短距离内聚焦 成像，光谱分辨率不理想。从图1的光线追迹仿真可以看出，在手机镜头接收 面上各波长的光线位置散乱，无法聚焦，这意味着手机CMOS探测器拍下的光谱 重叠严重，光谱分辨率差。延长成像距离(光栅到手机镜头接收面的距离)可 以略微改善光线的聚焦情况，但成像距离拉长使得光机模块体积显著增大，便 携性变差，得不偿失。

第二、结构不够优化。如图1所示，当光束经过狭缝水平入射以后，经过 光栅分光，出射光线与入射光线之间有一个较大的夹角。从而导致我们在利用 手机光谱仪进行测试时，必须有较大的仰角才能够让手机光谱仪接收到待测光。 若要扩展外设进行吸收、反射光谱测试时，这样的不规则外形将给设计带来一 定难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种手机光谱仪模块 及具有该手机光谱仪模块的手机光谱仪，其光谱分辨率佳、结构紧凑，易于安 装及扩展外设。

本发明的技术方案是：一种手机光谱仪模块，包括壳体，所述壳体的一端 开设有用于作为光线入口的狭缝，所述壳体内设置有用于准直从所述狭缝入射 的光线的平凸准直透镜，所述平凸准直透镜的一侧设置有用于反射经所述平凸 准直透镜准直后的光线且将入射的复色光变为沿不同方向出射的单色光的反射 光栅，所述壳体内还设置有用于对所述反射光栅出射的单色光进行聚集的球面 反射镜，所述壳体的另一端为手机镜头接收面，所述球面反射镜与所述手机镜 头接收面之间设置有双凸透镜，所述球面反射镜的聚集平面为光谱面，所述光 谱面在所述双凸透镜的一倍焦距内。

可选地，所述狭缝的宽度为10至200μm。

可选地，所述狭缝的厚度为0.05至0.3mm。

可选地，所述狭缝通过蚀刻工艺或者激光切割工艺成型。

可选地，所述反射光栅通过复制、镀铝膜工艺成型。

可选地，所述反射光栅的线密度为150至1200线/mm。

可选地，所述球面反射镜包括凹面玻璃基底和镀制于所述凹面玻璃基底的 金属膜。

可选地，所述球面反射镜与所述双凸透镜连接有用于调节所述球面反射镜 与所述双凸透镜之间距离的调节组件。

本发明还提供了一种手机光谱仪，包括具有摄像头的手机，还包括上述的 手机光谱仪模块，所述手机光谱仪模块连接于所述手机的摄像头前方。

可选地，所述手机光谱仪还包括连接件，通过连接件开设有光路通孔，所 述连接件的一端通过卡扣结构连接于所述手机的壳体，所述手机光谱仪模块的 壳体螺纹连接于所述连接件的另一端。

本发明提供的手机光谱仪模块及具有该手机光谱仪模块的手机光谱仪，其 通过引入平凸准直透镜和球面反射镜聚焦，使手机光谱仪模块具有良好的光谱 分辨率；引入双凸透镜成像将光谱面与手机摄像头的距离拉远，克服了手机拍 微距物体的困难，同时又没有增大系统的尺寸，整体结构紧凑。此外，光入射 面与出射面可平行，因此光谱仪模块的外形结构简单方正，易于安装及扩展外 设。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一 些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还 可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中提供的手机光谱仪模块的光路图；

图2是本发明实施例提供的手机光谱仪模块的光路图；

图3是本发明实施例提供的手机光谱仪模块的平面示意图；

图4是本发明实施例提供的手机光谱仪的立体分解示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以 直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接 于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相 对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图2至图4所示，本发明实施例提供的一种手机光谱仪模块3，包括壳 体30，所述壳体30的一端开设有用于作为光线入口的狭缝31，所述壳体30 内设置有用于准直从所述狭缝31入射的光线的平凸准直透镜32，平凸准直透 镜32与所述狭缝31相向的一侧为平面，平凸准直透镜32的另一侧为凸球面， 平凸准直透镜32用于准直从狭缝31入射的光线，将其变成平行光。所述平凸 准直透镜32的一侧设置有用于反射经所述平凸准直透镜32准直后的光线且将 入射的复色光变为沿不同方向出射的单色光的反射光栅33，反射光栅33的光 轴相对平凸准直透镜32的光轴可倾斜设置，倾斜的角度可在5至85度之间， 优选可为30至60度，例如45度等。所述壳体30内还设置有用于对所述反射 光栅33出射的单色光进行聚集的球面反射镜34，球面反射镜34的光轴可与平 凸准直透镜32的光轴倾斜设置，倾斜的角度可在5至85度之间，优选可为30 至60度，例如45度等。反射光栅33、球面反射镜34两者可以分设于平凸准 直透镜32的两侧，结构紧凑。所述壳体30的另一端为手机镜头接收面36，所 述球面反射镜34与所述手机镜头接收面36之间设置有双凸透镜35。所述球面 反射镜34的聚集平面为光谱面，所述光谱面在所述双凸透镜35的一倍焦距内。 经双凸透镜35成虚像，虚像位于双凸透镜35左方较远处；该虚像可作为手机 摄像头的物，最终成像于手机的CMOS传感器上，CMOS传感器所摄图片即为入 射光的光谱分布。通过引入平凸准直透镜32和球面反射镜34聚焦，使手机光 谱仪模块3具有良好的光谱分辨率；引入双凸透镜35成像将光谱面与手机摄像 头的距离拉远，克服了手机拍微距物体的困难，同时又没有增大系统的尺寸， 整体结构紧凑。此外，光入射面与出射面平行，因此光谱仪模块的外形结构简 单方正，易于安装及扩展外设。

具体地，所述狭缝31的宽度可为10至200μm或其它合适宽度。

具体地，所述狭缝31的厚度为0.05至0.3mm或其它合适厚度。

具体地，所述狭缝31可以通过蚀刻工艺或者激光切割工艺成型，其成型精 密度高。具体应用中，狭缝31可通过激光切割、化学蚀刻等工艺在不锈钢圆片 上制作出来。

具体地，所述平凸准直透镜32和所述双凸透镜35可采用光学玻璃或光学 塑料制成。具体应用中，平凸准直透镜32和双凸透镜35的材料可能但不局限 于K9等光学玻璃以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等光学塑料。

具体地，所述反射光栅33可通过复制、镀铝膜工艺成型。

具体地，所述反射光栅33的线密度可为150至1200线/mm等。

具体地，所述球面反射镜34包括凹面玻璃基底和镀制于所述凹面玻璃基底 的金属膜。金属膜可为铝膜等。

具体地，所述球面反射镜34与所述双凸透镜35连接有用于调节所述球面 反射镜34与所述双凸透镜35之间距离的调节组件。调节组件可通过设置螺杆 等进行调节，以驱使述球面反射镜34或所述双凸透镜35进行直线运动。保证 球面反射镜34的焦平面(即光谱面)位于双凸透镜35的一倍焦距以内。

本发明实施例还提供了一种手机光谱仪，包括具有摄像头的手机1和上述 的手机光谱仪模块3，所述手机光谱仪模块3连接于所述手机1的摄像头前方。

具体地，如图2至图4所示，所述手机光谱仪还包括连接件2，通过连接 件2开设有光路通孔21，所述连接件2的一端通过卡扣结构连接于所述手机的 壳体30，所述手机光谱仪模块3的壳体30螺纹连接于所述连接件2的另一端。 入射光通过狭缝31进入手机光谱仪模块3内，经平凸准直透镜32后变为平行 光。该复色平行光束经反射光栅33分光，不同波长的光在出射方向上分离开来， 照射到球面反射镜34上。球面反射镜34对光线进行聚焦，不同波长的光聚焦 点位置不同，聚焦的焦平面即为光谱面。光线在通过聚焦点以后进入双凸透镜 35，前述光谱面位于双凸透镜35的一倍焦距之内，经过双凸透镜35成放大虚 像。该放大虚像经手机CMOS摄像头拍摄，即可得到光谱分布图像。通过采用平 凸准直透镜32对入射光线进行准直，采用球面反射镜34对分光后不同波长的 光进行聚焦，能大大减小光谱聚焦的像差，从而提高光谱分辨率。通过加入双 凸透镜35对系统进行优化。若手机摄像头直接拍摄球面反射镜34所成光谱像， 由于摄像头的微距对焦限制，必须保证手机摄像头与光谱面大于一定距离(通 常>6cm)，从而不利于模块的微小型化。通过合理放置双凸透镜35的位置，使 其对光谱面成放大虚像，该虚像相当于手机摄像头的“虚物”,位于双凸透镜 35左方较远处，因此可以保证手机摄像头清晰对焦拍摄。这样光谱面与手机摄 像头的实际距离可以很近，使得整个模块的体积更为紧凑，产品体积小、效果 好。而且，本实施例中，采用的光路结构能够保证光入射面与出射面平行，因 此手机光谱仪模块3的外形结构简单方正，易于安装及扩展外设。

本发明提供的手机光谱仪模块3兼容IOS、Android、WP等系统的智能手机， 当然，该手机光谱仪模块3也可应用于平板电脑等具有摄像头的智能设备中， 本发明提供的手机光谱仪模块3，其系统光谱分辨率更高，检测精度更加优异， 结构更加紧凑，光路结构设计更加合理，光入射面与成像面基本平行。光谱仪 模块与手机装配简单，易于增加安装测量附件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。