手機光譜儀模塊及具有該手機光譜儀模塊的手機光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于光譜儀【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種手機光譜儀模塊及具有該手機光譜儀模塊的手機光譜儀。手機光譜儀模塊包括具有狹縫的殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)置有用于準直從所述狹縫入射的光線的平凸準直透鏡，所述平凸準直透鏡的一側(cè)設(shè)置有用于反射經(jīng)所述平凸準直透鏡準直后的光線且將入射的復(fù)色光變?yōu)檠夭煌较虺錾涞膯紊獾姆瓷涔鈻?，所述殼體內(nèi)還設(shè)置有用于對所述反射光柵出射的單色光進行聚集的球面反射鏡，所述球面反射鏡與所述手機鏡頭接收面之間設(shè)置有雙凸透鏡。手機光譜儀包括手機和上述的手機光譜儀模塊。本發(fā)明提供的手機光譜儀模塊及具有該手機光譜儀模塊的手機光譜儀，其光譜分辨率佳、結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝及擴展外設(shè)。
【專利說明】手機光譜儀模塊及具有該手機光譜儀模塊的手機光譜儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光譜儀【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種手機光譜儀模塊及具有該手機光譜儀 模塊的手機光譜儀。

【背景技術(shù)】
[0002] 光譜儀是食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、生化分析、照明檢測等領(lǐng)域的重要工具。隨著日 常、實時檢測的需求越來越多，近二十年來光譜儀逐漸走出實驗室，向著微小型化的趨勢發(fā) 展。目前主流的微型光譜儀以美國海洋光學(xué)、荷蘭愛萬提斯、日本濱松等公司產(chǎn)品為代表， 大多基于切尼-特納光路或平場凹面光柵光路，采用CCD/CM0S線陣探測器接收光譜，光譜 數(shù)據(jù)通過USB/藍牙等接口傳輸至電腦或嵌入式工控機顯示分析。這樣的微型光譜儀可做 到手掌大小，具有緊湊便攜、使用簡便、測量快速等優(yōu)點，其光譜分辨率足以滿足一般應(yīng)用 領(lǐng)域的測量要求，價格不足萬元，因此特別適合于現(xiàn)場原位快速檢測，得到了廣泛應(yīng)用。隨 著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，以手機為代表的移動設(shè)備已發(fā)展成為智能數(shù)據(jù)終端，這對于硬 件開發(fā)的影響是深遠的，各種與手機結(jié)合的設(shè)備不斷推出，可以完成各種傳感數(shù)據(jù)的采集、 分析、上傳等。如前所述，目前的微型光譜儀仍然是一個獨立完整的硬件系統(tǒng)，包括光機、電 路、顯示外設(shè)等。對于手機而言，自帶CMOS攝像頭電路，能拍攝可見光光譜，手機屏幕則是 顯示外設(shè)，因此只需設(shè)計光機模塊與手機裝配結(jié)合，再輔以手機端軟件，即可實現(xiàn)手機光譜 儀。與現(xiàn)行主流的微型光譜儀相比，手機光譜儀實現(xiàn)了光譜儀模塊與手機的結(jié)合，具有更良 好的便攜性，無需專門的電路和專門的顯示外設(shè)，更低廉的成本（成本降低70%以上），更 快捷的數(shù)據(jù)上傳共享，直接通過移動互聯(lián)網(wǎng)，而無需像現(xiàn)在一樣從電腦或嵌入式工控機上 傳，用戶僅僅通過手機就可以實現(xiàn)光譜檢測的全部流程，從而更加容易普及應(yīng)用。
[0003] 目前，國外的一些研究人員已經(jīng)開始了對手機光譜儀的研發(fā)，具有代表性的是美 國的public lab，其設(shè)計的手機光譜儀的光路結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。這種光路結(jié)構(gòu)中只有 狹縫Γ與光柵2'兩個器件，圖1中3'為手機鏡頭接收面，光柵為透射式光柵膠片，結(jié)構(gòu)簡 單，成本低，但光譜分辨率不理想。
[0004] 相對于現(xiàn)有的微型光譜儀而言，手機光譜儀在便攜性、成本和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鏌o 疑具有很大的優(yōu)勢。然而，光譜儀作為檢測儀器，無論其結(jié)構(gòu)形式如何變化，必須具備一定 的光譜分辨率才能獲得良好的檢測精度。圖1展示的手機光譜儀模塊結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但 主要有以下不足：
[0005] 第一、光譜分辨率不理想。光路中復(fù)色光經(jīng)過狹縫，直接照射到光柵，這些光線不 是平行光，而是發(fā)散光，經(jīng)平面透射光柵衍射后難以在短距離內(nèi)聚焦成像，光譜分辨率不理 想。從圖1的光線追跡仿真可以看出，在手機鏡頭接收面上各波長的光線位置散亂，無法聚 焦，這意味著手機CMOS探測器拍下的光譜重疊嚴重，光譜分辨率差。延長成像距離（光柵 到手機鏡頭接收面的距離）可以略微改善光線的聚焦情況，但成像距離拉長使得光機模塊 體積顯著增大，便攜性變差，得不償失。
[0006] 第二、結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化。如圖1所示，當光束經(jīng)過狹縫水平入射以后，經(jīng)過光柵分光， 出射光線與入射光線之間有一個較大的夾角。從而導(dǎo)致我們在利用手機光譜儀進行測試 時，必須有較大的仰角才能夠讓手機光譜儀接收到待測光。若要擴展外設(shè)進行吸收、反射光 譜測試時，這樣的不規(guī)則外形將給設(shè)計帶來一定難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種手機光譜儀模塊及具有 該手機光譜儀模塊的手機光譜儀，其光譜分辨率佳、結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝及擴展外設(shè)。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種手機光譜儀模塊，包括殼體，所述殼體的一端開設(shè)有用 于作為光線入口的狹縫，所述殼體內(nèi)設(shè)置有用于準直從所述狹縫入射的光線的平凸準直透 鏡，所述平凸準直透鏡的一側(cè)設(shè)置有用于反射經(jīng)所述平凸準直透鏡準直后的光線且將入射 的復(fù)色光變?yōu)檠夭煌较虺錾涞膯紊獾姆瓷涔鈻牛鰵んw內(nèi)還設(shè)置有用于對所述反射 光柵出射的單色光進行聚集的球面反射鏡，所述殼體的另一端為手機鏡頭接收面，所述球 面反射鏡與所述手機鏡頭接收面之間設(shè)置有雙凸透鏡，所述球面反射鏡的聚集平面為光譜 面，所述光譜面在所述雙凸透鏡的一倍焦距內(nèi)。
[0009] 可選地，所述狹縫的寬度為10至200 μ m。
[0010] 可選地，所述狹縫的厚度為〇· 05至0· 3mm。
[0011] 可選地，所述狹縫通過蝕刻工藝或者激光切割工藝成型。
[0012] 可選地，所述反射光柵通過復(fù)制、鍍鋁膜工藝成型。
[0013] 可選地，所述反射光柵的線密度為150至1200線/mm。
[0014] 可選地，所述球面反射鏡包括凹面玻璃基底和鍍制于所述凹面玻璃基底的金屬 膜。
[0015] 可選地，所述球面反射鏡與所述雙凸透鏡連接有用于調(diào)節(jié)所述球面反射鏡與所述 雙凸透鏡之間距離的調(diào)節(jié)組件。
[0016] 本發(fā)明還提供了一種手機光譜儀，包括具有攝像頭的手機，還包括上述的手機光 譜儀模塊，所述手機光譜儀模塊連接于所述手機的攝像頭前方。
[0017] 可選地，所述手機光譜儀還包括連接件，通過連接件開設(shè)有光路通孔，所述連接件 的一端通過卡扣結(jié)構(gòu)連接于所述手機的殼體，所述手機光譜儀模塊的殼體螺紋連接于所述 連接件的另一端。
[0018] 本發(fā)明提供的手機光譜儀模塊及具有該手機光譜儀模塊的手機光譜儀，其通過引 入平凸準直透鏡和球面反射鏡聚焦，使手機光譜儀模塊具有良好的光譜分辨率；引入雙凸 透鏡成像將光譜面與手機攝像頭的距離拉遠，克服了手機拍微距物體的困難，同時又沒有 增大系統(tǒng)的尺寸，整體結(jié)構(gòu)緊湊。此外，光入射面與出射面可平行，因此光譜儀模塊的外形 結(jié)構(gòu)簡單方正，易于安裝及擴展外設(shè)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的 附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附 圖。
[0020] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中提供的手機光譜儀模塊的光路圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明實施例提供的手機光譜儀模塊的光路圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明實施例提供的手機光譜儀模塊的平面示意圖；
[0023] 圖4是本發(fā)明實施例提供的手機光譜儀的立體分解示意圖。

【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0025] 需要說明的是，當元件被稱為"固定于"或"設(shè)置于"另一個元件，它可以直接在另 一個元件上或者可能同時存在居中元件。當一個元件被稱為是"連接于"另一個元件，它可 以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。
[0026] 還需要說明的是，本實施例中的左、右、上、下等方位用語，僅是互為相對概念或是 以產(chǎn)品的正常使用狀態(tài)為參考的，而不應(yīng)該認為是具有限制性的。
[0027] 如圖2至圖4所示，本發(fā)明實施例提供的一種手機光譜儀模塊3,包括殼體30,所 述殼體30的一端開設(shè)有用于作為光線入口的狹縫31，所述殼體30內(nèi)設(shè)置有用于準直從所 述狹縫31入射的光線的平凸準直透鏡32,平凸準直透鏡32與所述狹縫31相向的一側(cè)為平 面，平凸準直透鏡32的另一側(cè)為凸球面，平凸準直透鏡32用于準直從狹縫31入射的光線， 將其變成平行光。所述平凸準直透鏡32的一側(cè)設(shè)置有用于反射經(jīng)所述平凸準直透鏡32準 直后的光線且將入射的復(fù)色光變?yōu)檠夭煌较虺錾涞膯紊獾姆瓷涔鈻?3,反射光柵33 的光軸相對平凸準直透鏡32的光軸可傾斜設(shè)置，傾斜的角度可在5至85度之間，優(yōu)選可為 30至60度，例如45度等。所述殼體30內(nèi)還設(shè)置有用于對所述反射光柵33出射的單色光 進行聚集的球面反射鏡34,球面反射鏡34的光軸可與平凸準直透鏡32的光軸傾斜設(shè)置，傾 斜的角度可在5至85度之間，優(yōu)選可為30至60度，例如45度等。反射光柵33、球面反射 鏡34兩者可以分設(shè)于平凸準直透鏡32的兩側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊。所述殼體30的另一端為手機鏡 頭接收面36,所述球面反射鏡34與所述手機鏡頭接收面36之間設(shè)置有雙凸透鏡35。所述 球面反射鏡34的聚集平面為光譜面，所述光譜面在所述雙凸透鏡35的一倍焦距內(nèi)。經(jīng)雙 凸透鏡35成虛像，虛像位于雙凸透鏡35左方較遠處；該虛像可作為手機攝像頭的物，最終 成像于手機的CMOS傳感器上，CMOS傳感器所攝圖片即為入射光的光譜分布。通過引入平 凸準直透鏡32和球面反射鏡34聚焦，使手機光譜儀模塊3具有良好的光譜分辨率；引入雙 凸透鏡35成像將光譜面與手機攝像頭的距離拉遠，克服了手機拍微距物體的困難，同時又 沒有增大系統(tǒng)的尺寸，整體結(jié)構(gòu)緊湊。此外，光入射面與出射面平行，因此光譜儀模塊的外 形結(jié)構(gòu)簡單方正，易于安裝及擴展外設(shè)。
[0028] 具體地，所述狹縫31的寬度可為10至200 μ m或其它合適寬度。
[0029] 具體地，所述狹縫31的厚度為0. 05至0. 3mm或其它合適厚度。
[0030] 具體地，所述狹縫31可以通過蝕刻工藝或者激光切割工藝成型，其成型精密度 高。具體應(yīng)用中，狹縫31可通過激光切割、化學(xué)蝕刻等工藝在不銹鋼圓片上制作出來。
[0031] 具體地，所述平凸準直透鏡32和所述雙凸透鏡35可采用光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料制 成。具體應(yīng)用中，平凸準直透鏡32和雙凸透鏡35的材料可能但不局限于K9等光學(xué)玻璃以 及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)等光學(xué)塑料。
[0032] 具體地，所述反射光柵33可通過復(fù)制、鍍鋁膜工藝成型。
[0033] 具體地，所述反射光柵33的線密度可為150至1200線/mm等。
[0034] 具體地，所述球面反射鏡34包括凹面玻璃基底和鍍制于所述凹面玻璃基底的金 屬膜。金屬膜可為鋁膜等。
[0035] 具體地，所述球面反射鏡34與所述雙凸透鏡35連接有用于調(diào)節(jié)所述球面反射鏡 34與所述雙凸透鏡35之間距離的調(diào)節(jié)組件。調(diào)節(jié)組件可通過設(shè)置螺桿等進行調(diào)節(jié)，以驅(qū)使 述球面反射鏡34或所述雙凸透鏡35進行直線運動。保證球面反射鏡34的焦平面（即光 譜面）位于雙凸透鏡35的一倍焦距以內(nèi)。
[0036] 本發(fā)明實施例還提供了一種手機光譜儀，包括具有攝像頭的手機1和上述的手機 光譜儀模塊3,所述手機光譜儀模塊3連接于所述手機1的攝像頭前方。
[0037] 具體地，如圖2至圖4所示，所述手機光譜儀還包括連接件2,通過連接件2開設(shè) 有光路通孔21，所述連接件2的一端通過卡扣結(jié)構(gòu)連接于所述手機的殼體30,所述手機光 譜儀模塊3的殼體30螺紋連接于所述連接件2的另一端。入射光通過狹縫31進入手機光 譜儀模塊3內(nèi)，經(jīng)平凸準直透鏡32后變?yōu)槠叫泄?。該?fù)色平行光束經(jīng)反射光柵33分光，不 同波長的光在出射方向上分離開來，照射到球面反射鏡34上。球面反射鏡34對光線進行 聚焦，不同波長的光聚焦點位置不同，聚焦的焦平面即為光譜面。光線在通過聚焦點以后進 入雙凸透鏡35,前述光譜面位于雙凸透鏡35的一倍焦距之內(nèi)，經(jīng)過雙凸透鏡35成放大虛 像。該放大虛像經(jīng)手機CMOS攝像頭拍攝，即可得到光譜分布圖像。通過采用平凸準直透鏡 32對入射光線進行準直，采用球面反射鏡34對分光后不同波長的光進行聚焦，能大大減小 光譜聚焦的像差，從而提高光譜分辨率。通過加入雙凸透鏡35對系統(tǒng)進行優(yōu)化。若手機攝 像頭直接拍攝球面反射鏡34所成光譜像，由于攝像頭的微距對焦限制，必須保證手機攝像 頭與光譜面大于一定距離（通常>6cm)，從而不利于模塊的微小型化。通過合理放置雙凸透 鏡35的位置，使其對光譜面成放大虛像，該虛像相當于手機攝像頭的"虛物"，位于雙凸透 鏡35左方較遠處，因此可以保證手機攝像頭清晰對焦拍攝。這樣光譜面與手機攝像頭的實 際距離可以很近，使得整個模塊的體積更為緊湊，產(chǎn)品體積小、效果好。而且，本實施例中， 采用的光路結(jié)構(gòu)能夠保證光入射面與出射面平行，因此手機光譜儀模塊3的外形結(jié)構(gòu)簡單 方正，易于安裝及擴展外設(shè)。
[0038] 本發(fā)明提供的手機光譜儀模塊3兼容IOS、Android、WP等系統(tǒng)的智能手機，當然， 該手機光譜儀模塊3也可應(yīng)用于平板電腦等具有攝像頭的智能設(shè)備中，本發(fā)明提供的手機 光譜儀模塊3,其系統(tǒng)光譜分辨率更高，檢測精度更加優(yōu)異，結(jié)構(gòu)更加緊湊，光路結(jié)構(gòu)設(shè)計更 加合理，光入射面與成像面基本平行。光譜儀模塊與手機裝配簡單，易于增加安裝測量附 件。
[0039] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種手機光譜儀模塊，包括殼體，所述殼體的一端開設(shè)有用于作為光線入口的狹縫， 其特征在于，所述殼體內(nèi)設(shè)置有用于準直從所述狹縫入射的光線的平凸準直透鏡，所述平 凸準直透鏡的一側(cè)設(shè)置有用于反射經(jīng)所述平凸準直透鏡準直后的光線且將入射的復(fù)色光 變?yōu)檠夭煌较虺錾涞膯紊獾姆瓷涔鈻牛鰵んw內(nèi)還設(shè)置有用于對所述反射光柵出射 的單色光進行聚集的球面反射鏡，所述殼體的另一端為手機鏡頭接收面，所述球面反射鏡 與所述手機鏡頭接收面之間設(shè)置有雙凸透鏡，所述球面反射鏡的聚集平面為光譜面，所述 光譜面在所述雙凸透鏡的一倍焦距內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的手機光譜儀模塊，其特征在于，所述狹縫的寬度為10至 200 μ m。
3. 如權(quán)利要求1所述的手機光譜儀模塊，其特征在于，所述狹縫的厚度為0. 05至 0. 3mm〇
4. 如權(quán)利要求1所述的手機光譜儀模塊，其特征在于，所述狹縫通過蝕刻工藝或者激 光切割工藝成型。
5. 如權(quán)利要求1所述的手機光譜儀模塊，其特征在于，所述反射光柵通過復(fù)制、鍍鋁膜 工藝成型。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項所述的手機光譜儀模塊，其特征在于，所述反射光柵的線 密度為150至1200線/mm。
7. 如權(quán)利要求1至5中任一項所述的手機光譜儀模塊，其特征在于，所述球面反射鏡包 括凹面玻璃基底和鍍制于所述凹面玻璃基底的金屬膜。
8. 如權(quán)利要求1至5中任一項所述的手機光譜儀模塊，其特征在于，所述球面反射鏡與 所述雙凸透鏡連接有用于調(diào)節(jié)所述球面反射鏡與所述雙凸透鏡之間距離的調(diào)節(jié)組件。
9. 一種手機光譜儀，包括具有攝像頭的手機，其特征在于，還包括如權(quán)利要求1至8中 任一項所述的手機光譜儀模塊，所述手機光譜儀模塊連接于所述手機的攝像頭前方。
10. 如權(quán)利要求9所述的手機光譜儀，其特征在于，所述手機光譜儀還包括連接件，通 過連接件開設(shè)有光路通孔，所述連接件的一端通過卡扣結(jié)構(gòu)連接于所述手機的殼體，所述 手機光譜儀模塊的殼體螺紋連接于所述連接件的另一端。
【文檔編號】G01J3/28GK104062007SQ201410248090
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】林慧, 張國棟 申請人:深圳先進技術(shù)研究院