[发明专利]一种测量的光谱的方法和装置及其用途

说明书

一种测量光谱的方法：使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱。该方法可以用于平面状样本的光谱检测和颜色测量，其优势在于可以用于现场检测，不需要采集样本，可以一次性检测所有波长的散射光强，光谱分辨率可以精确到1nm。基于该方法的光谱仪便于做到小型化，并可以借助手机等智能硬件的图像传感器实现检测。该方法还可以用于吸收光谱的测量，并应用于光谱分析和即时检测。

技术领域

本发明属于光谱测量、光谱分析领域，涉及光谱仪器的制造及检测应用。

背景技术

光谱的测量在物质分析中发挥着非常重要的作用。传统的光谱测量设备，包括用于测量吸收光谱、反射光谱、荧光光谱或拉曼光谱的许多数仪器装置，它们的测量方法大多是：先收集样本的反射、透射或散射光信号，再进行色散，然后用探测器探测各个频率的光强（参考专利：CN201310401610.8，CN200410051216.7，CN201380019174.6，CN201410113837.7，CN201280018232.9）。为了获得较高的灵敏度，这种方法需要对对样本发出的光进行有效的收集。例如通过使用大口径的透镜对光进行聚焦可以增加光通量，然而这种方法增加了仪器的体积，往往用于大型光谱仪中。

在小型化的光谱仪中，需要使用狭缝限制光束的直径，以获得较高的光谱分辨率。狭缝宽度一般在几十到几百微米之间。然而，狭缝越窄，透过的光越少，检测信号越弱，导致灵敏度的下降。此外，现有光谱仪使用的线阵CCD的长度和像元数量有限，为了增加光谱分辨率，需要增加光栅与探测器之间的距离，并增加CCD的长度，这些方案与仪器的小型化背道而驰。

除了色散型光谱仪之外，傅立叶光谱仪通过干涉的原理来检测光谱，这种方法不需要狭缝，具有较高的光通量，然而环境振动对仪器干扰显著，不利于户外即时检测。

综上所述，现有的光谱仪很难同时做到成本低、体积小、精度高、性能稳定。

发明内容

为了使光谱仪更加廉价、小型化，本发明公开一种光谱测量方法，基于这种方法的光谱测量设备可以用于平面状样本的反射、透射或散射光谱的测量。

平面状样本是指样本为平面状，或者具有平面结构，例如：平板、平铺的薄膜、纸张、布料、微粒或液体、具有平面的立方体等。本专利中，用“样本平面”代指上述各种平面状样本的平面。

本发明公开的样本平面的光谱测量方法如下：

使用色散元件将光源色散为不同波长的光，并照射在样本平面上；

使用图像传感器对样本平面进行拍照，记录散射光信号的图像；

用图像各个像素点的灰度值代表各种波长的光强，以光强对波长作图，即得到样本平面的光谱。

该方法测量光谱的原理如下：由于不同波长的光照射在样本平面的不同区域，并且这些区域在图像传感器中被不同的像元所探测，即单个像元探测的是单一波长的光强；因而在照片中，像素点的灰度值即反映了某个波长的光强，也就是照片上不同区域的亮度即反映了该样本对不同波长光的散射强度。

以光强对频率或波长作图，即得到一种光谱图，本专利中，定义这种光谱为绝对光谱。

如果忽略样本的荧光、拉曼散射和非线性光学效应，同一样本区域上，散射光强度近似正比于入射光的强度。在实际的测量中，用的激发光较弱，因而非线性光学效应可以忽略，此外拉曼散射相对于弹性散射非常弱，因而也可以忽略。因而这个方法适用于非荧光的样本的光谱测量。

当照射在样本平面上各波长的光强大致相等，且探测器检测不同波长光子的灵敏度一致时，上述测得的绝对光谱即可以代表样本的光谱性质。