一種模塊化設計的多功能光譜儀的制作方法
【專利摘要】一種模塊化設計的多功能光譜儀，其包括主機和光學附件，光學附件與主機是分立的且可拆除地連接至所述主機；其中所述主機包括光譜儀和電子系統；所述光學附件包括光學接收器和存儲器；光學附件的光學接收器通過光路連接至所述光譜儀主機的光譜儀；光學附件的存儲器連接至所述光譜儀主機的電子系統，以便主機讀取光學附件的存儲器的數據。本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀，將光譜儀和功能性附件分離式設計，主機與不同的功能性附件相組合，即可實現不同的測量功能，實現多功能性，同時，由于光譜儀和功能性附件分別進行了校準，因此，附件和主機具有標準化性，功能具有靈活的擴展性。
【專利說明】一種模塊化設計的多功能光譜儀

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜儀，尤其涉及功能可擴展的光譜儀。

【背景技術】
[0002] 光譜儀是用來測量光譜成分的儀器。傳統意義上的光譜儀，一般由單色儀和探測 器組成。其中單色儀由分光元件(棱鏡或者光柵）和光路系統組成，光路系統包括了入射和 出射狹縫、成像光學元件等。當探測器為CCD探測器時，單色儀系統可以沒有出射狹縫。圖 1為光譜儀的結構示意圖。
[0003] 利用光譜儀可以對光譜進行分析和測量，人們也研制出了用于不同波長范圍的光 譜儀。同時，為了滿足不同的光譜測量需要，在光譜儀前端增加特定的光學結構。比如光譜 輻射亮度計、光譜輻射照度計、紫外可見光譜分析系統、照明光源測量系統等等，這些光學 結構或是與光譜儀設計為一個整體，或是與光譜儀分離式設計，中間通過光纖等光路連接 器件進行連接。
[0004] 利用光譜儀，人們設計發(fā)明了不同的光輻射測量儀器，以滿足不同功能的測量需 要。如圖2為一種成像式彩色光譜亮度計的結構示意圖。圖3為利用光譜儀和積分球，用 以測量各種光源光色參數的裝置。還有其他一些利用光譜儀設計發(fā)明的用以不同光輻射測 量功能的儀器，不再一一舉例。
[0005] 這些不同功能的測量儀器，不管是光學結構與光譜儀設計為一體，還是光學結構 與光譜儀分離設計通過光路連接器連接到光譜儀，一旦其設計制造出來以后，功能就已經 被限定于某一種或某一類參數的測量，功能也不再會通過改變一些附件而得到擴充或改 變。
[0006] 這些儀器的測量功能可以通過數學形式表示：
[0007] Φ (λ ) · Μ(λ ) = S(A ) (1)
[0008] 其中為測量的光譜信號，為測量儀器的光譜響應函數，為光譜儀的響應信號。通過 一定的校準方法可以得到，則由可以得到被測量的光譜：
[0009] Φ(λ) = S(A)/M(A) (2)
[0010] 為了測量不同的參數，需要購置不同的光譜儀，費用昂貴且需要很多空間放置，造 成極大的浪費。


【發(fā)明內容】

[0011] 鑒于上述的問題，本發(fā)明旨在提出一種模塊化設計的多功能光譜儀，其通過可替 換模塊，擴展光譜儀的功能，使得一臺光譜儀可以測量多種光學參數。
[0012] 本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀，其包括主機和光學附件，光學附件與主機 是分立的且可拆除地連接至所述主機；其中所述主機包括光譜儀和電子系統；所述光學附 件包括光學接收器和存儲器；光學附件的光學接收器通過光路連接至所述光譜儀主機的光 譜儀；光學附件的存儲器連接至所述光譜儀主機的電子系統，以便主機讀取光學附件的存 儲器的數據。
[0013] 優(yōu)選地，所述電子系統根據Φ(λ)=5(λ)/Μ(λ) ·Ν(λ)計算被測量的光譜； [0014] 其中，Φ(λ)為被測量的光譜，SU)為光譜儀的響應信號，Μ(λ)為光譜儀的光 譜響應函數，Ν( λ)為光學附件的光譜響應函數。
[0015] 優(yōu)選地，光學附件的存儲器的數據包括類型數據和校準數據。
[0016] 優(yōu)選地，所述光學附件的光譜響應函數來自于光學附件的存儲器中的校準數據。
[0017] 優(yōu)選地，所述光譜儀的光譜響應函數為電子系統內部存儲的參數。
[0018] 優(yōu)選地，所述電子系統根據所述光學附件的存儲器中的類型數據識別光學附件的 功能，相應地對φ (λ)進行處理，得到與所述光學附件的功能相應的處理結果。
[0019] 優(yōu)選地，所述光學附件是積分球、帶余弦修正的光學接收器、或成像式亮度計。
[0020] 本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀，由于光譜儀和功能性的光學附件分離式設 計，光譜儀和功能性的光學附件通過標準的光學接口進行光學連接，光譜儀和功能性的光 學附件可分別進行光學參數的校準，其校準數據分別存儲于各自的存儲芯片，功能性的光 學附件的存儲芯片里還保存有附件類型等數據，光譜儀作為主機和功能性的光學附件通過 標準的數據接口連接，當光譜儀和功能性附件連接后，主機會自動讀取功能性附件存儲芯 片里的類型和校準數據，重新對整機進行校準并根據類型數據對測量數據進行數據處理， 這樣就可以自動組合成一個特定測量功能的儀器。光譜儀主機和不同的功能性附件相組 合，即可實現不同的測量功能，實現多功能性，同時，由于光譜儀和功能性附件分別進行了 校準，因此，附件和光譜儀主機具有標準化性，功能具有靈活的擴充性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是現有技術的光譜儀的結構示意圖；
[0022] 圖2是現有的成像式彩色光譜亮度計的結構示意圖；
[0023] 圖3是現有的光源光色參數測量裝置的示意圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀的系統結構示意圖；
[0025] 圖5是本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀的主機的電子系統的功能結構示意 圖；
[0026] 圖6是本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀的一個實施例示意圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
[0028] 如圖4所示，本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀主要包括主機10和光學附件 20。主機10包括光譜儀和電子系統，光學附件20包括光學接收器和存儲器。光學附件20 與主機10是分立的且可拆除地連接至主機10。
[0029] 如圖5所示，電子系統包括輸入控制部，用于從輸入裝置接收輸入指令；光譜儀信 號測量部，用于從CCD讀取電信號；光學附件通信部，用于與光學附件進行通信，讀取光學 附件的存儲器中的數據；數據處理部，用于進行數據處理和計算；顯示部，用于顯示處理結 果以及進行人機交互；通信部，用于與外部設備進行通信。光譜儀主機的電子系統，其功能 主要為輸入控制、光譜儀信號的測量、與光學附件的數據通信、數據處理、結果顯示以及與 其它電子設備的通信（比如電腦)。
[0030] 光學附件20與主機10的光譜儀通過標準的光學接口進行光學連接，比如采用標 準的SMA光纖接口（但不限于光纖接口），同時光學附件與主機還通過標準的數據接口（即光 學附件通信部）進行連接，以便主機可以通過數據接口讀取光學附件存儲器里面的數據，數 據包括類型數據、校準數據以及一些其他信息數據，主機讀取這些數據后，可以自動識別光 學附件的功能類型，從而確定多功能光譜儀的測量功能。
[0031] 假設Φ (λ)為測量的光輻射信號，Ν(λ)為光學附件的光譜響應函數，Μ(λ)為 光譜儀的光譜響應函數，S(A)為光譜儀的響應信號。通過一定的校準方法可以預先得到 N ( λ )、Μ ( λ )，則由S ( λ )可以得到被測量的光譜：
[0032] Φ (λ ) · Μ(λ ) · Ν(λ )=S〇 ) (3)
[0033] 則有 Φ (λ )=SU )/Μ(λ ) · Ν(λ ) (4)
[0034] 在這里，光譜儀的校準數據Μ( λ)存儲于主機的存儲芯片里，光學附件的光譜響 應校準數據Ν( λ)存儲于光學附件的存儲芯片里。
[0035] 如圖6所示為本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀的一個具體實例。
[0036] 光譜儀為具有標準SMA光纖接口的微型光譜儀，探測器為CCD，電子系統采用以 ARM芯片為主要處理芯片的嵌入式系統。光學附件為一個具有余弦修正器的光纖光學接收 器。光學附件的存儲器的芯片采用AT24C08,光學附件的光譜校準數據Ν(λ)以及類型數據 和其他信息數據存儲在存儲芯片里。
[0037] 光學接收器接收到待測量的光信號后，通過標準光纖接口由光纖將光信號傳輸到 CCD微型光譜儀。CCD微型光譜儀中的分光元件將光信號分光為單色光信號后照射到CCD 探測器表面，CCD探測器將光信號轉換為電信號S ( λ )，電子系統通過光譜儀信號測量部讀 取電信號S ( λ )，以對電信號S ( λ )進行相應處理。
[0038] 在儀器上電時，主機的電子系統通過標準的數據接口（例如，I2C接口）與光學附件 里的存儲芯片進行通信，讀取存儲芯片里的附件類型數據，用以確定光譜儀的功能，讀取光 學附件的校準數據Ν ( λ )，以便同光譜儀信號S ( λ )以及光譜儀校準數據Μ ( λ )進行運算得 到Φ (λ)，然后根據類型數據對Φ (λ)進行相應處理，得到最終的結果。此處，對Φ (λ) 的處理方法是本領域技術人員所熟知的技術內容(如亮度、色度的計算)，這里不再贅述。 Μ( λ )存儲于主機中電子系統的相應的存儲單元中。在本實例中，由主機和光學附件組合成 的儀器，可以用來測量光照度、光譜輻射照度、色度、色坐標等參數。
[0039] 在進行其他功能的光譜測量時，只需要將相應的光學附件連接到主機即可。
[0040] 本發(fā)明的模塊化設計的多功能光譜儀，將光譜儀和功能性附件分離式設計，主機 與不同的功能性附件相組合，即可實現不同的測量功能，實現多功能性，同時，由于光譜儀 和功能性附件分別進行了校準，因此，附件和主機具有標準化性，功能具有靈活的擴展性。
【權利要求】
1. 一種模塊化設計的多功能光譜儀，其包括主機和光學附件，光學附件與主機是分立 的且可拆除地連接至所述主機；其中所述主機包括光譜儀和電子系統；所述光學附件包括 光學接收器和存儲器；光學附件的光學接收器通過光路連接至所述主機的光譜儀；光學附 件的存儲器連接至所述主機的電子系統，以便主機讀取光學附件的存儲器的數據。
2. 如權利要求1所述的多功能光譜儀，其特征在于： 所述電子系統根據Φ(λ)=5(λ)/Μ(λ) ·Ν(λ)計算被測量的光譜； 其中，Φ(λ)為被測量的光譜，SU)為光譜儀的響應信號，Μ(λ)為光譜儀的光譜響 應函數，Ν( λ)為光學附件的光譜響應函數。
3. 如權利要求1或2所述的多功能光譜儀，其特征在于：光學附件的存儲器的數據包 括類型數據和校準數據。
4. 如權利要求3所述的所述的多功能光譜儀，其特征在于：所述光學附件的光譜響應 函數來自于光學附件的存儲器中的校準數據。
5. 如權利要求2所述的多功能光譜儀，其特征在于：所述光譜儀的光譜響應函數為電 子系統內部存儲的數據。
6. 如權利要求3所述的多功能光譜儀，其特征在于：所述電子系統根據所述光學附件 的存儲器中的類型數據識別光學附件的功能，相應地對Φ (λ)進行處理，得到與所述光學 附件的功能相應的處理結果。
7. 如權利要求6所述的多功能光譜儀，其特征在于：所述光學附件是積分球、帶余弦修 正的光學接收器、或成像式亮度計。
【文檔編號】G01J3/28GK104154994SQ201310624933
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權日:2013年11月27日
【發(fā)明者】劉金元 申請人:中國計量科學研究院