一种基于智能手机的便携式光谱仪

1.本发明涉及无线电能传输设备的技术领域，尤其涉及一种基于智能手机的便携式光谱仪。


背景技术：

2.分光光度计，又称光谱仪(spectrometer)，是科研中不可缺少的分析仪器之一，其在众多领域的定性和定量分析中有较高利用价值。但常见的传统光谱分析仪器体积大、价格昂贵、设备无法随时移动，并且其只是一个光谱信号采集系统，数据处理和显示还要通过有线串口或者usb接口与电脑端之间通信而实现，且占用空间较大，不能达到即时测量分析和便携的需求。因此，过去的几十年里，低成本、简单、便携的光谱仪的发展引起了人们的极大关注。
3.随着移动互联网时代的到来，手机已成为人们随身必备品，有着相当高的普及率。因此与智能手机相关联的研究也越来越广泛。这主要是因为它的普遍性、不断增长的计算能力、相对较低的成本以及同时获取和处理数据的能力。此外，智能手机中集成了许多固有元件，例如摄像头、传感器、光源以及高性能处理器等，可实现减少背景噪声，达到提高传感精度的目的。因此结合智能手机而开发的装置凭借着微型轻巧的优势将有巨大的发展空间。在现如今的研究中，借助外部传感装置配合智能手机上定制的应用程序，已经可以实现例如大气质量检测、水质检测、心跳检测、疾病诊断等方面的应用。
4.而在光学传感研究方面，将智能手机与光谱仪器结合的技术方案在现有技术中却鲜有记载。事实上，利用智能手机与光谱仪器结合具有体积小、交互良好、操作简易、处理能力强等优势，彻底脱离电脑端能够进行实时、快速的光谱数据采样、鉴定分析等工作，这有利于光谱仪器的普及，使之成为人们常用的通用型设备。因此，集微型化、集成化、智能化于一体的手机光谱仪具有十分广阔的发展空间和应用前景。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种基于智能手机的便携式光谱仪，相比于传统光谱仪器而言，其体积小、成本底、可扩展性强，能够适用于各种试样，并能广泛运用于各种场景中，有利于光谱仪器的推广和普及。
6.为实现上述目的，本发明首先提供了一种基于智能手机的便携式光谱仪，其关键在于：包括壳体及手机固定架，所述壳体上开设有探照孔和采光孔，所述探照孔和所述采光孔之间能够利用光学元件组成光路，在所述光路中还可拆卸式安装有待测样品容器；在光谱检测时，由探照孔进入的光束在光路的引导下穿透所述待测样品容器，产生的分光影像由智能手机摄像头通过所述采光孔采集，采集的分光影像再利用智能手机的芯片进行分析，以计算出分光影像强度，从而获得待测样品的吸收光谱。
7.更进一步地，所述探照孔和所述采光孔位于所述壳体的同一侧，且所述智能手机的闪光灯作为向所述探照孔发射光束的光源。
8.更进一步地，在所述壳体中还设置有连接所述探照孔和所述采光孔的迂回通道，在所述迂回通道的通道壁上按预定位置开设有光学元件卡槽和待测样品容器卡槽。
9.更进一步地，在所述壳体上还可拆卸式安装有用于遮蔽所述迂回通道的壳盖。
10.更进一步地，所述待测样品容器为比色皿或气室。
11.更进一步地，所述气室包括第一仓体和第二仓体，所述第一仓体的仓壁上预留有气体进出口，所述第一仓体中设置有风扇放置位和传感基片放置位，所述第二仓体与所述第一仓体之间的仓壁上预留有穿线口，所述第二仓体中设置有电池盒放置位，在所述第一仓体一侧还形成有一段外凸腔室，所述外凸腔室用于嵌入所述迂回通道中，且在所述外凸腔室的腔壁上还设置有供光束贯穿的探照窗。
12.更进一步地，所述气室的外轮廓与所述迂回通道的围合区域轮廓相适应。
13.与现有技术相比，本发明的显著效果如下：
14.1、体积大幅减小：可将光路压缩至烟盒相当大小的体积；
15.2、成本低廉：只需承担光路实体部分的硬件成本集和一部智能手机的成本即可，无需另行购买cmos感光元件、运算芯片和显示屏等等；
16.3、与智能手机联接，可扩展性强：手机发展日新月异，摄像头以及内置感光元件更新换代迅速，算力也日趋强大，这也在硬件和软件两个层面大大提高了可扩展性；
17.4、应用场景广泛：本产品目标市场不仅可涉及高校、医疗及科研机构大众市场，还包括大众家庭，范围较广。
18.总之，本发明可以很好的解决传统光谱仪器成本高昂、过于臃肿、应用范围受局限等问题，并且依托快速发展的软件技术和互联网技术，可在竞争中发挥体积小、交互良好、操作简易、处理能力强等优势，彻底脱离电脑端能够进行实时、快速的光谱数据采样、鉴定分析等工作，这有利于光谱仪器的普及，使之成为人们常用的通用型设备。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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。
20.图1是实施例一中壳体的结构示意图；
21.图2是实施例一中手机固定架的结构示意；
22.图3是实施例一中迂回通道的平面图；
23.图4是实施例一中迂回通道的细部结构图；
24.图5是实施例一中壳盖的结构示意图；
25.图6是实施例一中气室的结构示意图；
26.图中标号：1-壳体、2-手机固定架、3-探照孔、4-采光孔、5-迂回通道、6-光学元件卡槽、7-待测样品容器卡槽、8-壳盖、9-气室、10-第一仓体、11-第二仓体、12-气体进出口、13-风扇放置位、14-传感基片放置位、15-穿线口、16-电池盒放置位、17-外凸腔室、18-探照窗。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.请参阅图1和图2，作为本技术实施例一，提供一种基于智能手机的便携式光谱仪，包括壳体1及手机固定架2，所述壳体1上开设有探照孔3和采光孔4，所述探照孔3和所述采光孔4之间能够利用光学元件组成光路，在所述光路中还可拆卸式安装有待测样品容器；在光谱检测时，由探照孔3进入的光束在光路的引导下穿透所述待测样品容器，产生的分光影像由智能手机摄像头通过所述采光孔4采集，采集的分光影像再利用智能手机的芯片进行分析，以计算出分光影像强度，从而获得待测样品的吸收光谱。
30.其中：在手机固定架2的一侧设置有智能手机卡接位2a，另一侧设置有壳体卡接位2b(如图2所示)，安装时首先将固定架2的手机卡接位2a和智能手机固定在一起，智能手机此时可以在固定架2中上下滑动，然后可以将光谱仪固定在固定架2的壳体卡接位2b上，此时光谱仪可以在固定架2中左右滑动。通过进行滑动校准，最终可以确保智能手机摄像头与光谱仪的采光孔4对准。
31.组成光路的光学元件包括光栅、平面反射镜、柱面反射镜和狭缝，光栅是光路中最为重要的部件，光栅的主要作用是将复合光分解成有一定宽度的谱带，方便我们获得可以分析的分光影像；平面反射镜的作用主要是让光束在光路中可以弯折，并最终达到智能手机的摄像头；柱面透镜的作用是在狭缝后面对光束进行准直并在摄像头前对光束进行汇聚；狭缝是由两片经过精密加工，且具有锐利边缘的金属片组成，其两边必须保持互相平行，并且处于同一平面上。
32.从图1可以看出，具体实施时，所述探照孔3和所述采光孔4位于所述壳体1的同一侧，且所述智能手机的闪光灯作为向所述探照孔3发射光束的光源。可以理解的是，考虑到每部智能手机的摄像头和闪光灯相对位置并非一致，在采光孔4对齐摄像头后若探照孔3无法对齐闪光灯，可利用外部led灯作为光源，作为优选，外部led灯可安装在探照孔3中。在实际使用时，便携式光谱仪可由3d打印得来，整个装置的体积为86mm
×
75mm
×
23mm，装置的体积大小是由手机型号、内部光学镜片大小以及光学镜片参数规定的光程所决定。在不同光学元件以及不同手机型号的条件下，光谱仪的大小会随之改变。
33.如图3所示，为了在满足壳体1紧凑性的同时实现分光效果，在所述壳体1中还设置有连接所述探照孔3和所述采光孔4的迂回通道5，在所述迂回通道5的通道壁上按预定位置开设有光学元件卡槽6和待测样品容器卡槽7。具体地，光学元件卡槽6包括光栅卡槽6a、平面反射镜卡槽6b、柱面透镜卡槽6c和狭缝卡槽6d。如图4所示，迂回通道5中共设置有五个平面反射镜卡槽(6b1、6b2、6b3、6b4、6b5)，其中平面反射镜卡槽6b1靠近探照孔3设置，用于卡接平面反射镜以将探照孔3进入的光束反射成平行于壳体1横截面的光束；平面反射镜卡槽
6b2、平面反射镜卡槽6b3和平面反射镜卡槽6b4分别设置在迂回通道5右侧的两个拐角处，用于卡接平面反射镜以引导光束沿迂回通道5的迂回路径行进；平面反射镜卡槽6b5靠近采光孔4设置，用于卡接平面反射镜以将光束反射成垂直于壳体1横截面的光束，并引导光束从采光孔4进入智能手机摄像头。光束依次经过平面反射镜卡槽6b1、平面反射镜卡槽6b2以及平面反射镜卡槽6b3中卡接平面发射镜的反射后抵达狭缝卡槽6d，狭缝6d中卡接的光学狭缝将光束转化为线光源，之后线光源经过柱面透镜卡槽6c中卡接的柱面透镜转化为平行光，平行光穿透待测样品容器卡槽7中卡接的待测样品容器，并进一步通过光栅卡槽6a中卡接的闪耀光栅形成分光影像，之后分光影像经过平面反射镜卡槽6b4、平面反射镜卡槽6b5中卡接平面发射镜的反射后进入智能手机摄像头，智能手机摄像头采集到分光影像后便可通过软件和算法进行下一步工作。
34.如图5所示，为了减少曝光，已达到更显著的分光效果，在所述壳体1上还可拆卸式安装有用于遮蔽所述迂回通道5的壳盖8。
35.根据不同的应用场景，所述待测样品容器为比色皿或气室9。当待测样品容器采用比色皿时，使用于对液体试样进行检测；当待测样品容器采用气室9时，适用于对气体试样进行检测。
36.请参照图6，作为优选，在对气体试样进行检测的应用场景下，所述气室9包括第一仓体10和第二仓体11，所述第一仓体10的仓壁上预留有气体进出口12，所述第一仓体10中设置有风扇放置位13和传感基片放置位14，所述第二仓体11与所述第一仓体10之间的仓壁上预留有穿线口15，所述第二仓体11中设置有电池盒放置位16，在所述第一仓体10一侧还形成有一段外凸腔室17，所述外凸腔室17用于嵌入所述迂回通道5中，且在所述外凸腔室17的腔壁上还设置有供光束贯穿的探照窗18。
37.本实施方式中，风扇可以保证第一仓体10内气体的顺畅流通，并使得气体充分附着在传感芯片上，传感芯片的作用是用来放大透射率的变化，而电池则用于实现供电功能。作为优选，为了实现气室9的稳定安装，所述气室9的外轮廓与所述迂回通道5的围合区域轮廓相适应。
38.综上所述，本发明相对于传统光谱仪器而言：
39.体积大幅减小：可将光路压缩至烟盒相当大小的体积；
40.成本低廉：只需承担光路实体部分的硬件成本集和一部智能手机的成本即可，无需另行购买cmos感光元件、运算芯片和显示屏等等；
41.与智能手机联接，可扩展性强：手机发展日新月异，摄像头以及内置感光元件更新换代迅速，算力也日趋强大，这也在硬件和软件两个层面大大提高了可扩展性；
42.应用场景广泛：本产品目标市场不仅可涉及高校、医疗及科研机构大众市场，还包括大众家庭，范围较广。
43.总之，本发明可以很好的解决传统光谱仪器成本高昂、过于臃肿、应用范围受局限等问题，并且依托快速发展的软件技术和互联网技术，可在竞争中发挥体积小、交互良好、操作简易、处理能力强等优势，彻底脱离电脑端能够进行实时、快速的光谱数据采样、鉴定分析等工作，这有利于光谱仪器的普及，使之成为人们常用的通用型设备。
44.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权
利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。