一种基于颜色进行光谱测量的方法及装置与流程

本发明属于光谱测量技术领域，更具体的说，涉及一种基于颜色进行光谱测量的方法及装置，本发明可用于需要基于颜色得到物理光谱的场合。

背景技术：

光谱是复色光经过棱镜、光栅等分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案，已有分光法光谱测量技术，或因棱镜与光栅的精确转动位置与实际的波长间常存在一定的偏差，或因震动、热变形等因素导致线阵CCD像元序号与实际的波长间存在偏差，每次测量时均需要重新定标，操作不便。另外，已有光谱测量技术，在测量单色光时也需要全副武装，如分光法光谱测量技术，在测量单色光时也需要分光装置。这在单色光光谱测量场合(如激光光谱等)，显著增加了仪器的重量和价格。

目前，基于颜色进行其它量的测量，国内外已有很多报导公开[1，2]，但尚无基于颜色直接对光谱进行精密测量的仪器设备和技术方案。

已有技术“一种光谱重构技术”[3，4]，该技术基于颜色对光谱进行重构，实际上是基于颜色数值估计出一种同色异谱。这种估计出的同色异谱与原始图象中该点拍摄时的真实物理光谱是不同的，如一种直接从RGB估计出光谱的量子统计方法[5]，但利用这种方法估计出的光谱不是该点的真实物理光谱，而仅仅是一种合理的估计。因此光谱重构技术难以实现对光谱进行精密测量。

已有报导“一种对入射光波长进行识别的方法”[6]，该方法为了研制智能化多功能光度计，而将光谱响应特性不同的两个光电二极管制作在一个基片上，从其信号输出差中对入射光波长进行识别。该方法表明了基于具有不同光谱响应特性的双光电管进行光波长识别的可行性。不足之处是，该方法只对单色入射光的波长进行识别，迄今为止，尚未见到将该技术用于基于颜色对光谱进行精密测量的报导。

中国专利“以颜色为基础的生化和免疫分析中的光谱测量”(专利号CN00813497)，该申请案提供了一种对分析物进行生化或免疫试验分析生物材料样品的方法，所述的方法包括处理样品使其显示与样品中分析物的量相关的颜色。在该申请案中测量至少一种选自所显颜色的色彩角、色度、饱和度和光亮度的规定颜色特性，如此测定的结果能确定分析物在样品中存在与否或者其浓度。但该申请案非基于颜色对光谱进行精密测量，不能用于基于颜色得到物理光谱。

已有技术“一种分光法光谱测量技术”，包括转动棱镜或光栅的分光光谱仪、固定棱镜或光栅分光的CCD多道光谱仪(如USB4000光谱仪)等。

转动棱镜或光栅的分光光谱仪，采用单个光电管测量光强，根据转动棱镜或光栅的精确转动位置来得到对应的波长。棱镜或光栅的精确转动位置与实际的波长间常存在一定的偏差，每次测量时需要重新定标，操作不便。如中国专利“一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法”(专利号2015101786355)，该申请案利用光栅方程推导出光波长和光学编码器读数之间的关系，建立理论标定模型；并利用两点解方程法进行光谱波长标定；最后为保证不同光谱仪测量同一波长光栅目标位置的一致性，利用标定参数进行初始波长定位。

固定棱镜或光栅分光的CCD多道光谱仪，将复合光照明的狭缝经过分光系统分解为若干个单色的狭缝像，再通过线阵CCD测量光强分布和根据线阵CCD像元序号来确定对应的波长(如USB4000光谱仪)，这种通过线阵CCD根据像元序号来确定对应的波长的方法，会因震动，热变形等因素导致像元序号与实际的波长间存在偏差。

参考文献：

[1]、Nishidate Izumi,Yoshida Keiichiro,Kawauchi Satoko,Sato Shunichi,Sato Manabu,In vivo imaging of scattering and absorption properties of exposed brain using a digital red-green-blue camera[C],Progress in Biomedical Optics and Imaging-Proceedings of SPIE,2014，8928：1-10,Optical Techniques in Neurosurgery,Neurophotonics and Optogenetics

[2]、Nishidate Izumi,Maeda Takaaki,Niizeki Kyuichi,Aizu Yoshihisa,Estimation of melanin and hemoglobin using spectral reflectance images reconstructed from a digital RGB image by the Wiener estimation method[J]，Sensors，2013，13(6)：7902-7915

[3]、Nguyen Rang M.H.,Prasad Dilip K.,Brown Michael S.,Training-based spectral reconstruction from a single RGB image[C],Computer Vision,ECCV 2014-13th European Conference,Lecture Notes in Computer Science，2014，8695(7)：186-201,

[4]、陈奕艺，徐海松，张显斗，M.Ronnier Luo，基于数码相机的光谱重构研究[J]，光学学报，2009，29(5)：1416-1419

[5]、李宏东，刘济林，叶秀清，顾伟康，直接从RGB估计出光谱的量子统计方法[J]，中国图象图形学报，1999，4(A)，No.2：115-119

[6]、武文远，龚艳春，毛益明，陈广林，颜色传感器用于光波波长测量的研究[J]，光电子·激光，2003，14(3)：285-287

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术不能基于颜色得到物理光谱的问题，本发明提供了一种基于颜色进行光谱测量的方法及装置。本发明通过分光器将待测复色光分成多个狭长频段的单色光，颜色传感器测出各单色光的颜色后，算法模块根据一定的算法对颜色传感器测量的数据进行处理，得到各单色光的光强与波长，即光谱。本发明因单色光颜色与波长的关系固定，不受精确转动位置、震动、热变形等因素影响，因此每次测量时不需要重新光谱校准，在单色光，便携、傻瓜式光谱测量场合以及重新光谱校准十分不便的场合具有显著优点。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于颜色进行光谱测量的方法，其步骤为：

1)单色光入射颜色传感器；

2)颜色传感器将颜色数据传给算法模块；

3)算法模块根据运算结果及国际照明委员会CIE1931色品图，运用查表与插值法，得到单色光的光强与波长；

4)根据光强及得到的单色光波长，显示器显示出光谱，或数据发送器发送光谱。

更进一步地，复色光入射分光器，分光器输出的单色光再入射颜色传感器。

更进一步地，颜色传感器对单色光进行分析，获得R、G、B数据，并将R、G、B数据传给算法模块；其中，获得R、G、B数据的具体过程为：颜色传感器芯片上集成了红、绿、蓝三种滤光器，单色光入射后分别得到与红、绿、蓝光强值对应的电流或电压信号，经电流频率转换或AD转换后获得R、G、B数据。

更进一步地，算法模块对R、G、B数据进行运算，得到单色光的光强I与x、y、z数据，具体算法为：

首先，根据下式由R、G、B数据得到单色光的光强I和x、y、z数据。

I＝R+G+B

其次，根据国际照明委员会CIE1931色品图，对x、y、z数据运用查表法与插值法得到单色光的波长。

更进一步地，运用查表法和插值法获得波长值λ的具体过程为：设实测单色光的红原色与绿原色的比例(x₃,y₃)介于波长间隔为1nm的两相邻(x₁,y₁)与(x₂,y₂)之间，即x₁＜x₃＜x₂和y₁＜y₃＜y₂，查表可知(x₁,y₁)和(x₂,y₂)对应的光波长λ₁与λ₁+1nm，则实测单色光的波长为或

本发明的一种基于颜色进行光谱测量的装置，包括颜色传感器、算法模块和显示器，单色光入射颜色传感器，颜色传感器将颜色数据送给算法模块，算法模块将波长和光强值送给显示器；

所述的颜色传感器，可测出可见光波长范围的颜色值，能够区分波长间隔不大于1nm的各单色光的颜色；

所述的算法模块，为数字运算电路，可进行上述运算和查表与差值算法，对颜色传感器输出的颜色数据进行处理，得到各单色光的波长和光强；

所述的显示器，可进行光谱的图形显示或数据显示。

本发明的一种基于颜色进行光谱测量的装置，包括颜色传感器、算法模块和数据发送器，单色光入射颜色传感器，颜色传感器将颜色数据送给算法模块，算法模块将波长和光强值送给数据发送器；所述的数据发送器为无线数据发送器或有线数据发送器，能够向无线网络或有线网络发送光谱数据。

更进一步地，所述光谱测量装置还包括分光器，分光器将复色光分成多个狭长频段的单色光，再入射颜色传感器；所述的分光器可选用有扫描机构的单色器，其扫描分光获得的各单色光的宽度不大于1nm，其扫描机构可扫描的波长范围覆盖可见光，也可选用固定光栅分光，其分光范围为可见光波段，其分光后的各单色光均匀排列，还可选用固定棱镜分光，其分光范围为可见光波段，其分光后的各单色光非均匀排列。

3.有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

(1)已有分光法光谱测量技术，采用分光法将复色光分成单色光，再根据转镜位置或线阵CCD像元序号与波长间的对应关系来确定对应的波长，或因棱镜与光栅的精确转动位置与实际的波长间常存在一定的偏差，或因震动、热变形等因素导致线阵CCD像元序号与实际的波长间存在偏差，每次测量时需要重新定标，操作不便；本发明首次采用颜色传感器进行光谱测量，提出了基于颜色对物理光谱进行精密测量的原理，采用分光器将复色光分成多个狭长频段的单色光，再根据一定的算法来确定光强与波长，因单色光颜色与波长的关系固定，不受精确转动位置、震动、热变形等因素影响，因此每次测量时不需要重新定标，在便携式、傻瓜式测量场合以及重新光谱校准十分不便的特殊场合(如光谱检测自动化、无人航空器等特殊场合)具有显著优点，本发明可用于单色光光谱测量；

(2)已有光谱测量技术，不能基于颜色给出真实物理光谱，本发明采用一定的算法解决了颜色传感器当单色光的光强变化时，R、G、B值会有变化，从而导致同一波长的单色光，有不同的R、G、B值问题，及如何由颜色值得到光波长的问题，从而可基于颜色给出真实物理光谱；

(3)已有光谱测量技术，在测量单色光时也需要全副武装，如分光法光谱测量技术，在测量单色光时也需要分光装置，本发明在测量单色光时不需要分光器(如图1和图3)，结构非常精简，这在单色光光谱测量场合(如激光光谱等)，具有仪器重量和价格上的显著优点。

附图说明

图1为本发明中实施例1的结构示意图；

图2为本发明中实施例2的结构示意图；

图3为本发明中实施例3的结构示意图；

图4为本发明中实施例4的结构示意图；

图5为国际照明委员会CIE1931色品图；

图6为一种棱镜单色器结构示意图；

图7为一种光栅单色器结构示意图；

图8为一种颜色传感器TCS230光谱响应曲线；

图9为一种彩色CCD的光谱响应曲线；

图中：1、分光器；2、颜色传感器；3、算法模块；4、显示器；5、数据发送器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本发明的基本思想是基于颜色对光谱进行精密测量，用一定的算法来确定单色光波长。具体来说，用分光器将待测光(复色光)分成多个狭长频段的单色光，颜色传感器测出各单色光的颜色后，算法模块根据一定的算法对颜色传感器测量的数据进行处理，得到各单色光的光强与波长，即光谱。如背景技术提到的分光法光谱测量技术，需要根据转镜位置或线阵CCD像元序号与波长间的对应关系来确定对应的波长，本发明与其有着本质区别。

实施例1

本实施例采用附图1所示结构，实现单色光的光强与波长的测量与显示。

针对附图1所示结构的实施装置，包括颜色传感器2、算法模块3和显示器4。其中，颜色传感器2采用TCS230或彩色CCD(如加拿大Lumenera公司的INFINITY4-11C)。颜色传感器2将颜色数据送给算法模块3，算法模块3采用单片机电路或计算机，为数字运算电路，可根据本实施例提出的算法，对颜色传感器2输出的颜色数据进行处理，得到各单色光的波长和光强，并输送至显示器4进行光谱的图形显示或数据显示，显示器4采用OCMJ图形液晶显示器。

基于图1所示实施装置，本实施例的光谱测量过程如下：

1)单色光入射颜色传感器2；

2)颜色传感器2对单色光进行颜色测量，获得R、G、B数据，并将R、G、B数据传给算法模块3；其中，获得R、G、B数据的具体过程为：颜色传感器芯片上集成了红、绿、蓝三种滤光器，单色光入射后分别得到与红、绿、蓝光强值对应的电流或电压信号，经电流频率转换或AD转换，获得R、G、B数据。

3)算法模块3根据一定的算法，对R、G、B数据进行运算，得到单色光的光强I与x、y、z数据，所述算法为：

首先，根据下式由R、G、B数据得到单色光的光强I和x、y、z数据。

I＝R+G+B

其次，根据国际照明委员会CIE1931色品图，对x、y、z数据运用查表法与插值法得到单色光的波长。

图5为国际照明委员会CIE1931色品图。图5中x坐标是红原色的比例，y坐标是绿原色的比例，坐标z代表蓝原色，z可由x+y+z＝1推出。CIE 1931色品图给出的是波长间隔为1nm各波长光所对应的红原色与绿原色的比例(x,y)的离散数据，实际测量中的数据常常介于这些可查表的离散数据之间，本实施例运用查表法和插值法获得波长值λ的具体过程为：设实测单色光的红原色与绿原色的比例(x₃,y₃)介于波长间隔为1nm的两相邻(x₁,y₁)与(x₂,y₂)之间，即x₁＜x₃＜x₂和y₁＜y₃＜y₂，查表可知(x₁,y₁)和(x₂,y₂)对应的光波长λ₁与λ₁+1nm。则实测单色光的波长为或光波长的测量误差小于1nm。

4)根据得到的光强及波长，显示器4显示出光谱。

本实施例的上述方案是可行的：

1.单色光的颜色与其波长一一对应，其波长分辨率可达1nm。图5为国际照明委员会CIE1931色品图。图5中x坐标是红原色的比例，y坐标是绿原色的比例，坐标z代表蓝原色(可由x+y+z＝1推出)。

图5中弧线上的各点代表纯光谱色(各单色光波长的颜色)，在这条弧线上，光波长和三原色之间是一一对应的，这表明：复色光分解成一系列单色光后，由各单色光得到的复色光光谱是唯一的，即同色同谱。

CIE1931色品坐标的波长间隔为1nm，因此查表插值法得到的光波长，其波长分辨率优于1nm。

2.已有分光技术结构简化、精度高。如转镜式光栅单色器(如图7，S1为入射狭缝)，总体尺寸仅手掌大小，单色光的带宽可达1nm以下(HIMS30系列可达0.8nm)。又如转镜式棱镜单色器(如图6，平面镜M2的表面与棱镜P的底面平行，都装在同一个基座上，基座以棱镜底边的中心O为转轴实现波长扫描)，结构上简便，单色光的带宽可达1nm(如YH.01-WDX棱镜单色器)。因此，本实施例单色光的获取技术是可行的。

3.已有颜色测量技术是可行的：

①颜色传感器的光谱响应范围能够满足测量要求。基于颜色进行光谱测量，要求颜色传感器能对整个可见光范围380nm～780nm进行颜色测量。图8中选用的TCS230的光谱响应范围约330nm～730nm，图9中选用的彩色CCD的光谱响应范围约400nm～1000nm，因此，颜色传感器的光谱响应范围能满足可见光的要求。

②颜色传感器的分辨率能够满足测量要求。图8中颜色传感器TCS230的光谱响应范围约330nm～730nm，如以1nm为最小通道，则需要分辨的波长通道数约400个，TCS230有3个彩色信道，每个彩色信道有10位的转换精度，即使以8位转换精度估计，可分辨的颜色数为256×256×256(远大于波长通道数400)，图9中的彩色CCD也是如此。这表明颜色传感器的分辨率足以满足1nm光谱测量波长分辨率的要求。

③颜色传感器所测量的光，在光谱未变而光强变化时不会对光谱测量产生影响。我们知道，当单色光的光强变化时，颜色传感器的R、G、B值会有变化，但是保持不变。因此，如基于x、y、z对光谱进行测量，则测量的光谱不受光强变化的影响。

另外，将R+G+B＝I作为光强，虽然不是光强的准确值(相对光强)，这对光谱的分布没有影响(光谱分布给出的是各波长的相对光强)。

④颜色传感器能够对均匀(或非均匀)排列单色光进行光谱检测。

采用彩色线阵或面阵CCD作为颜色传感器，对均匀(或非均匀)排列单色光进行检测，能得到与R、G、B三色对应的三个有限长序列I_R(k)、I_G(k)、I_B(k)，k＝0,1,…,N-1，k对应各光敏元。可进行以下运算：

I(k)＝I_R(k)+I_G(k)+I_B(k)

其中，I(k)为k所对应波长的光强，x(k)为k所对应波长的红原色的比例，y(k)为k所对应波长的绿原色的比例，z(k)代表蓝原色，可由x(k)+y(k)+z(k)＝1推出。

由x(k)、y(k)运用查表与插值算法，可以得到各光敏元k所对应的波长，与I(k)形成光谱。

上述分析表明，本实施例的颜色测量技术是可行的。

实施例2

本实施例采用附图2所示结构，实现任一复色光的光谱测量与显示。

针对附图2所示结构的实施装置，包括分光器1，颜色传感器2、算法模块3和显示器4。其中，分光器1选用有扫描机构的棱镜单色器YH.01-WDX或有扫描机构的光栅单色器HIMS30，分光器1将复色光分成多个狭长频段的单色光，单色光的带宽可达1nm，其扫描机构可扫描的波长范围覆盖可见光，也可选用固定光栅分光，其分光范围为可见光波段，其分光后的各单色光均匀排列，还可选用固定棱镜分光，其分光范围为可见光波段，其分光后的各单色光非均匀排列。各单色光的颜色值由颜色传感器2测量，颜色传感器2采用TCS230或彩色CCD(如加拿大Lumenera公司的INFINITY4-11C)。颜色传感器2将颜色值送给算法模块3，算法模块3采用单片机电路或计算机，为数字运算电路，可根据本发明提出的算法，对颜色传感器2输出的颜色数据进行处理，得到各单色光的波长和光强，送显示器4进行光谱的图形显示或数据显示，显示器4采用OCMJ图形液晶显示器。

本实施例的光谱测量过程基本同实施例1，所不同的是，先将复色光入射分光器1，分光器1输出各单色光，再将单色光入射颜色传感器2。

实施例3

本实施例采用附图3所示结构，实现单色光的光强与波长的测量与发送。

针对附图3所示结构的实施装置，包括颜色传感器2、算法模块3和数据发送器5。其中，颜色传感器2采用TCS230或彩色CCD(如加拿大Lumenera公司的INFINITY4-11C)。颜色传感器2将颜色值送给算法模块3，算法模块3采用单片机电路或计算机，为数字运算电路，可根据本发明提出的算法，对颜色传感器2输出的颜色数据进行处理，得到单色光的波长和光强，送数据发送器5向无线网络或有线网络进行数据发送，数据发送器5采用无线数据发送器nRF24L01或有线数据发送器RS-485。

本实施例的光谱测量过程基本同实施例1，所不同的是，算法模块3得到的单色光光强及波长，由数据发送器5向无线网络或有线网络发送光谱数据。

实施例4

本实施例采用附图4所示结构，实现任一复色光的光谱测量与发送。

针对附图4所示结构的实施装置，包括分光器1，颜色传感器2、算法模块3和数据发送器5。其中，分光器1选用有扫描机构的棱镜单色器YH.01-WDX或有扫描机构的光栅单色器HIMS30，分光器1将复色光分成多个狭长频段的单色光，窄单色光的带宽可达1nm，其扫描机构可扫描的波长范围覆盖可见光，也可选用固定光栅分光，其分光范围为可见光波段，其分光后的各单色光均匀排列，还可选用固定棱镜分光，其分光范围为可见光波段，其分光后的各单色光非均匀排列。各单色光的颜色值由颜色传感器2测量，颜色传感器2采用TCS230或彩色CCD(如加拿大Lumenera公司的INFINITY4-11C)。颜色传感器2将颜色值送给算法模块3，算法模块3采用单片机电路或计算机，为数字运算电路，可根据本发明提出的算法，对颜色传感器2输出的颜色数据进行处理，得到各单色光的波长和光强，送数据发送器5向无线网络或有线网络进行数据发送，数据发送器5采用无线数据发送器nRF24L01或有线数据发送器RS-485。

本实施例的光谱测量过程基本同实施例3，所不同的是，先将复色光入射分光器1，分光器1输出各单色光，再将单色光入射颜色传感器2。

值得说明的是，不同于背景技术提到的已有分光法光谱测量技术，采用分光法将复色光分成单色光，再根据转镜位置或线阵CCD像元序号与波长间的对应关系来确定对应的波长。本发明采用分光法将复色光分成单色光，再根据一定的算法来确定波长。已有分光法光谱测量技术，或因棱镜与光栅的精确转动位置与实际的波长间常存在一定的偏差，或因震动、热变形等因素导致线阵CCD像元序号与实际的波长间存在偏差，每次测量时需要重新定标，操作不便。本发明因单色光颜色与波长的关系固定，不受精确转动位置、震动、热变形等因素影响，因此每次测量时不需要重新定标，这在便携式、傻瓜式等测量场合具有显著优点。

另一方面，不同于已有光谱测量技术，不能基于颜色给出真实物理光谱，本发明可基于颜色给出真实物理光谱。而基于颜色给出真实物理光谱，主要存在以下难点：

首先，颜色传感器当单色光的光强变化时，R、G、B值会有变化，从而导致同一波长的单色光，有不同的R、G、B值问题，本发明采用一定的算法解决了此问题。

其次，如何由颜色值得到光波长问题。本发明利用国际照明委员会CIE1931色品图，采用查表和线性插值算法，解决了此问题，由颜色值得到了光波长，波长分辨率可达1nm。

已有光谱测量技术，在测量单色光时也需要全副武装，如分光法光谱测量技术，在测量单色光时也需要分光装置。本发明在测量单色光时不需要分光器(如图1)，结构非常精简。这在单色光光谱测量场合(如激光光谱等)，具有仪器重量和价格上的显著优点。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。