CN114295558A - 便携式光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及便携式光谱仪，属于光谱仪领域。便携式光谱仪，包括主体，主体包括第二主体及与第二主体连接的第三主体，第二主体内设有第二空腔，第三主体内设有第三空腔，第二空腔与第三空腔相连通，第二空腔在第一基准面的投影面积沿第一方向逐渐增大；还包括光谱传感器及透镜组；第二主体上还设置有光源容纳孔，光源容纳孔与第二空腔连通，光源容纳孔中还固定设置有光源。光源发出照射光后，本发明的第二主体可使一次、甚至多次反射光束不能进入第三空腔，第二主体内壁的反射特性较好，一次反射光束经第二主体内壁的二次反射光束仍然能够透过窗口片而照明样品池内的样品；而未照明样品的光束约束在第二空腔而不进入第三空腔腔成为干扰光、杂散光。
Description
技术领域
本发明涉及便携式光谱仪，属于光谱仪领域。
背景技术
MEMS-FPI光谱探测器是以MEMS光谱传感器为核心制备稳定、可靠的便携式近红外光谱仪，MEMS光谱传感器具有高度集成、结构紧凑以及光谱扫描方便等显著优点，非常适合便携式仪器的设计。MEMS-FPI光谱探测器也面临自身的挑战，它对入射光束的入射角度和光束孔径角都有较高的要求，而近红外光谱分析应用中多数是样品的漫反射光谱，因此便携式近红外光谱仪的光路设计面临严苛的挑战，即：覆盖近红外波段的高性价比卤钨灯光源方向性很差，大量未被样品吸收的光可能通过反射直接进入传感器，而被样品吸收的漫反射信号光反而较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种减小未被样品吸收的光通过反射进入光谱传感器的风险的便携式光谱仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：便携式光谱仪，包括主体，主体包括第二主体及与第二主体连接的第三主体，第二主体内设有第二空腔，第三主体内设有第三空腔，第二空腔与第三空腔相连通，第二空腔远离第三空腔的一侧设有开口，第二空腔在第一基准面的投影面积沿第一方向逐渐增大；其中，第一基准面为与主体的轴线方向垂直的面，第一方向为第三空腔靠近第二空腔的方向，且第一方向与主体的轴线方向平行；
还包括第一电路板及设置在第一电路板上的光谱传感器，光谱传感器设置于第三空腔内，且光谱传感器朝向第二空腔，第一电路板固定设置在第三主体上，第三空腔内还设置有透镜组，透镜组位于光谱传感器与第二空腔之间，透镜组通过透镜支架固定设置在第三主体上，透镜组的设置位置与光谱传感器的设置位置相适配；
第二主体上还设置有光源容纳孔，光源容纳孔与第二空腔相连通，光源容纳孔中还固定设置有光源，光源容纳孔在第二基准面的投影面积沿第二方向逐渐增大，光源容纳孔相对于第一基准面倾斜设置；其中，第二基准面为与光源容纳孔轴线垂直的面，第二方向为光源容纳孔靠近第二空腔的方向，且第二方向与光源容纳孔的轴线方向平行；光源容纳孔用于使光源发出的光照射于样品池上。
进一步的，第二空腔为圆台形空腔，第二主体内周壁的母线与第一基准面间的夹角为45°。
进一步的，光源容纳孔为圆台形孔，光源容纳孔的轴线与第一基准面的夹角为45°。
进一步的，第三空腔为圆柱形空腔，光谱传感器的数量为若干个，且光谱传感器沿第三主体的内周壁的周向均匀间隔设置；光源的数量为若干个，每相邻的两个光谱传感器间设有一个光源，且光源沿第二主体的内周壁的周向均匀间隔设置。
进一步的，光谱传感器为圆柱形；在第一基准面上的投影：光源的轴线与两个相邻的光谱传感器的圆心的连线的中垂线位于同一条直线上。
进一步的，光谱传感器为圆柱形；在第一基准面上的投影：相邻两个光谱传感器的圆心距为dsa，光谱传感器的圆心与第三空腔的圆心的距离为dss，相邻两个光谱传感器间的最小圆心距为d00，光谱传感器的半径为rc，光谱传感器距第三主体内周壁的最小间距为da，第三主体的最小内径为d0，dss及dsa同光谱传感器的数量No的关系如下所示，
当光谱传感器的数量为3个时，d0表达为(a)式；当光谱传感器的数量为4个时，d0表达为(b)式；当光谱传感器的数量为5个时，d0表达为(c)式；当光谱传感器的数量为6个时，d0表达为(d)式；
其中，da＝d00/2-rc。
进一步的，光源容纳孔的轴线与光源容纳孔内周壁的母线之间的夹角为θ，第二空腔靠近第三空腔的一侧距主体的底部的最小距离为h0，光源容纳孔大直径端的圆心距所述第二空腔小直径端的圆心的垂直距离为h1；
h0＝d0 tanα,
其中，α＝45°+θ。
进一步的，光源容纳孔的大直径端的半径为r1，主体还包括与第二主体连接的第一主体，第一主体内设有与第二空腔连通的第一空腔，第一空腔为圆柱形空腔，第一空腔远离第二空腔的一侧设置有开口，第一空腔靠近第二空腔的一侧距主体的底部的最大距离为h2，第一主体内周壁的直径为d1；
其中，β＝45°-θ。
进一步的，透镜组包括在第一方向上隔开设置的凹透镜及第一凸透镜，凹透镜位于靠近光谱传感器的一侧，凹透镜与所述光谱传感器之间还设置有光阑，凹透镜靠近所述光谱传感器一侧的焦平面为A面，所述第一凸透镜靠近所述凹透镜一侧的焦平面为B面，所述A面与所述B面重合、且焦点重合，所述光阑设于所述重合焦平面的焦点处。
进一步的，透镜支架包括支架本体，支架本体的形状与第三空腔的形状相适配，支架本体与第三主体连接，支架本体的顶面上开设有用于安装透镜组的螺纹孔，支架本体的底面开设有容纳光谱传感器的容纳孔，螺纹孔与容纳孔同轴，且螺纹孔与容纳孔相连通，螺纹孔的内周壁上沿其周向设置有环形凸起，或容纳孔的内周壁上沿其周向设置有环形凸起。
本发明的有益效果是：
1、光源发出照射光后，本发明的第二主体可使一次(甚至多次)反射光束不能进入第三空腔，第二主体内壁的反射特性较好，一次反射光束经第二主体内壁的二次反射光束仍然能够透过窗口片而照明样品池内的样品；而未照明样品的光束约束在第二空腔而不进入第三空腔成为干扰光、杂散光；如图18所示，只有很少的照明光线(一共追迹20万条光线)能够通过多次反射进入透镜组的入射光曈。通过透镜组内部的光阑阻挡以及传感器本身受限的入射孔径隔离，这些未达到样品的多次反射光线虽然能够进入透镜组，但几乎不能进入传感器内部。简而言之，本发明所设计的照明光路和采样光路分离得以实现。
2、本发明通过设置多个光谱传感器实现了多模态、大光斑采样，通过透镜组平行光束压缩设计实现了高准直采样。多模态采样是指多个传感器同时分区域采样，通过时序旋转光谱仪得到多模态、均衡采样光谱信号，多模态采样不仅包含空间位置多模态，也包含不同波段组合的波段多模态。多模态采样显著提高了光谱采样效率、光谱数据重复性、稳定性和信息量，尤其对不均匀混合物样品效果显著。高准直采样能够显著提升光谱传感器探测精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明主体的设计示意图；
图3为本发明光谱传感器的第一种排布示意图；
图4为本发明光谱传感器的第二种排布示意图；
图5为本发明光谱传感器的第三种排布示意图；
图6为本发明光谱传感器的第四种排布示意图；
图7为本发明透镜组的第一种结构示意图；
图8为本发明透镜组的第二种结构示意图；
图9为本发明透镜组的第一种装配示意图；
图10为本发明透镜组的第二种装配示意图；
图11为本发明透镜支架的第一种结构示意图；
图12为本发明挡板结构示意图；
图13为本发明仿真分析的模型示意图；
图14为本发明第一光强度分布示意图；
图15为本发明第二光强度分布示意图；
图16为本发明第三光强度分布示意图；
图17为本发明归一化光强分布示意图；
图18为本发明光路分析示意图；
图19为光谱传感器的第五种排布示意图。
图中标记为：1-1是第一主体，1-2是第二主体，1-3是第三主体，2-1是第二电路板，2-2是光源，2-3是光源容纳孔，3-1是第一电路板，3-2是光谱传感器，3-3是透镜组，3-4是支架本体，3-4-1是螺纹孔，3-4-2是环形凸起，3-5是挡板，3-5-1是第一通孔，3-6是转接套筒，4-1是终端，4-2是云端，5-1是凹透镜，5-2是第一凸透镜，5-3是第二凸透镜，5-4是第三凸透镜，5-5是光阑，7-1是样品池，8-1是供电部件，9-1是窗口片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的便携式光谱仪，包括主体，主体包括第二主体1-2及与第二主体1-2连接的第三主体1-3，第二主体1-2内设有第二空腔，第三主体1-3内设有第三空腔，第二空腔与第三空腔相连通，第二空腔远离第三空腔的一侧设有开口，第二空腔在第一基准面的投影面积沿第一方向逐渐增大；其中，第一基准面为与主体的轴线方向垂直的面，第一方向为第三空腔靠近第二空腔的方向，且第一方向与主体的轴线方向平行；
还包括第一电路板3-1及设置在第一电路板3-1上的光谱传感器3-2，光谱传感器3-2设置于第三空腔内，且光谱传感器3-2朝向第二空腔，第一电路板3-1固定设置在第三主体1-3上，第三空腔内还设置有透镜组3-3，透镜组3-3位于光谱传感器3-2与第二空腔之间，透镜组3-3通过透镜支架固定设置在第三主体1-3上，透镜组3-3的设置位置与光谱传感器3-2的设置位置相适配；
第二主体1-2上还设置有光源容纳孔2-3，光源容纳孔2-3与第二空腔相连通，光源容纳孔2-3中还固定设置有光源2-2，光源容纳孔2-3在第二基准面的投影面积沿第二方向逐渐增大，光源容纳孔2-3相对于第一基准面倾斜设置；其中，第二基准面为与光源容纳孔2-3轴线垂直的面，第二方向为光源容纳孔2-3靠近第二空腔的方向，且第二方向与光源容纳孔2-3的轴线方向平行；光源容纳孔2-3用于使光源2-2发出的光照射于样品池7-1上。
具体的，第一空腔的轴线与第二空腔的轴线位于同一条直线上，透镜组3-3的轴线与光谱传感器3-2的轴线位于同一条直线上。
第三空腔远离第二空腔的底端设有开口，第一电路板3-1设置在第三主体1-3的顶部，并用于遮盖第三空腔的开口，第一电路板3-1可以通过螺丝紧固或胶粘等方式连接在第三主体1-3上；另外，第一电路板3-1也可设置在第三空腔中；光谱传感器可选用基于可调微法布里-帕罗腔干涉仪(FPI)原理的MEMS光谱探测器件，也可以采用基于MEMS微镜扫描原理的光谱探测器件；光源2-2为卤钨灯，卤钨灯是综合考虑体积、稳定性、功率和散热等因素的平衡优选方案，光源2-2也可以根据实际需要选择卤素灯、LED灯等。本装置还包括窗口片9-1，窗口片9-1需选择传感器测量波段范围内的高透过率材料，窗口片9-1设置于第二主体1-2的底部，用于密封第二空腔远离第三空腔的一侧的开口。
还可在主体上设置供电部件8-1，供电部件8-1为蓄电池，供电部件8-1与第一电路板3-1电连接，另外还可在主体上设置第二电路板2-1，第二电路板2-1与光源2-2电连接，且第一电路板3-1与第二电路板2-1电连接；需要说明的是，可将第一电路板3-1与第二电路板2-1隔开设置，如此可减小光源2-2工作时发出的热量对第一电路板3-1的影响。除此之外，还可将光源2-2直接与第一电路板3-1电连接。第一主体及第二主体的内表面为抛光金属面；
优选的，第二空腔为圆台形空腔，第二主体1-2内周壁的母线与第一基准面间的夹角为45°。如此可使窗口片9-1内面的镜面反射光在第二空腔内部来回反射而不进入光谱传感器3-2中，第二空腔不局限于圆台形，还可为棱台形等；另外，第二主体1-2内周壁的母线与第一基准面间的夹角不局限于45°，还可根据实际情况选取不同的角度，如30°。
优选的，光源容纳孔2-3为圆台形孔，光源容纳孔2-3的轴线与第一基准面的夹角为45°。光源容纳孔2-3并不局限于圆台形孔，其面型还可为抛物面形、琢面形等；光源容纳孔2-3的轴线与第一基准面的夹角不局限于45°，还可根据实际情况选取不同的角度，如30°。
此处光源容纳孔2-3的加工方式有两种，以圆台形光源容纳孔2-3为例，其中一种加工方式为：直接在第二主体1-2的内壁上开设圆台形孔；另一种加工方式为：先在第二主体1-2的内壁上开设圆柱形孔，再将已独立成型的包含有圆台形光源容纳孔2-3的灯壳安装于该圆柱形孔中；第一种加工方式的难度高于第二种加工方式的难度，因此第二种加工方式为本发明优选的方案。
优选的，第三空腔为圆柱形空腔，光谱传感器3-2的数量为若干个，且光谱传感器3-2沿第三主体1-3的内周壁的周向均匀间隔设置；光源2-2的数量为若干个，每相邻的两个光谱传感器3-2间设有一个光源2-2，且光源2-2沿第二主体1-2的内周壁的周向均匀间隔设置。第三空腔的形状不局限于圆柱形，还可为棱柱形等。
具体的，的光源容纳孔2-3数量以3～6为宜，光源容纳孔2-3数量越多，照明光斑越均匀，照明强度越高，但是供电***的压力也越大，在保证供电稳定性和续航性前提下尽可能提高照明光强，以得到更好的信噪比。光源容纳孔2-3的锥角、深度和开口大小以光源2-2的发光特性和尺寸优化而定，目标是将光源2-2的照明光约束为粗略准直光束且光强分布均匀。
设置多个光谱传感器3-2实现了多模态、大光斑采样，通过透镜组3-3平行光束压缩设计实现了高准直采样。多模态采样是指多个传感器同时分区域采样，通过时序旋转光谱仪得到多模态、均衡采样光谱信号，多模态采样不仅包含空间位置多模态，也包含不同波段组合的波段多模态。多模态采样显著提高了光谱采样效率、光谱数据重复性、稳定性和信息量，尤其对不均匀混合物样品效果显著。大光斑采样提升了便携式光谱仪对不均匀混合物的光谱测量能力，但是又明显限制了高准直采样，因为光谱传感器3-2本身的收光孔径和孔径角是受限的。实际应用中依据样品均匀性而采取权衡的折中方案，通常，样品均匀性越差要求单个光谱传感器3-2采样光斑越大。一般而言，光谱传感器3-2数量越多，采样效率越高、重复性越好，而能够覆盖采样波段越宽，采样信息越丰富、可用光谱预测模型越多。
优选的，光谱传感器3-2为圆柱形；在第一基准面上的投影：光源2-2的轴线与两个相邻的光谱传感器3-2的圆心的连线的中垂线位于同一条直线上。
具体的，这种设计较为有效的保证了光谱传感器3-2采样光斑的强度分布均匀性，同时光谱传感器3-2能够接收到的杂散光得到一定程度的抑制；本方案中光谱传感器3-2为圆柱形是指：将光谱传感器3-2封装圆柱形外壳。
如图3至6所示，优选的，光谱传感器3-2为圆柱形；在第一基准面上的投影：相邻两个光谱传感器3-2的圆心距为dsa，光谱传感器3-2的圆心与第三空腔的圆心的距离为dss，相邻两个光谱传感器3-2间的最小圆心距为d00，光谱传感器3-2的半径为rc，光谱传感器3-2距第三主体1-3内周壁的最小间距为da，第三主体1-3的最小内径为d0，dss及dsa同光谱传感器3-2的数量No的关系如下所示，
优选的，光谱传感器3-2的数量为3、4、5、6个，当光谱传感器3-2的数量为3个时，d0表达为(a)式；当光谱传感器3-2的数量为4个时，d0表达为(b)式；当光谱传感器3-2的数量为5个时，d0表达为(c)式；当光谱传感器3-2的数量为6个时，d0表达为(d)式；
其中，da＝d00/2-rc。
具体的，如图19所示，上述光谱传感器3-2是围绕虚拟点均布，该虚拟点在第一基准面上的投影与第三空腔的圆心重合，可根据实际情况，在该虚拟点的位置再设置一个光谱传感器3-2。
在第一电路板3-1上，对于封装好固定尺寸的光谱传感器3-2而言，相邻两个光谱传感器3-2最小圆心距依据电路设计要求可以确定下来，以直径8.2mm、八引脚光谱传感器封装为例，d00优选取值约为13mm；da是为透镜组3-3预留的安装空间。
如图2所示，优选的，光源容纳孔2-3的轴线与光源容纳孔2-3内周壁的母线之间的夹角为θ，第二空腔靠近第三空腔的一侧距主体的底部的最小距离为h0，光源容纳孔2-3大直径端的圆心距第二空腔小直径端的圆心的垂直距离为h1；
h0＝d0tanα，
其中，α＝45°+θ。
优选的，光源容纳孔2-3的大直径端的半径为r1，主体还包括与第二主体1-2连接的第一主体1-1，第一主体1-1内设有与第二空腔连通的第一空腔，第一空腔为圆柱形空腔，第一空腔远离第二空腔的一侧设置有开口，第一空腔靠近第二空腔的一侧距主体的底部的最大距离为h2，第一主体1-1内周壁的直径为d1；
其中，β＝45°-θ。
具体的，第一空腔的轴线与第二空腔的轴线位于同一条直线；设置第一主体1-1可缩减便携式光谱仪的体积，便于携带；另外，设置了第一主体1-1后，窗口片9-1设置于第一主体1-1的底部，并用于密封第一空腔远离第二空腔的一侧的开口。
根据图3至6所示，第三主体1-3在第一基准面上的投影的最小内径为d0，d0由光谱传感器3-2的数量和排布方案确定。
光源容纳孔2-3的轴线与光源容纳孔2-3内周壁的母线之间的夹角为锥面张角θ，而光源容纳孔2-3的锥面张角θ和光源容纳孔2-3的大直径端的半径的r1由光源2-2的尺寸和发光特性确定，光源容纳孔2-3约束的入射光束发散角近似看作光源容纳孔2-3的锥面张角θ，根据镜面反射规律，窗口片9-1内面反射回第二主体壁的第一次反射光束发散角仍然为θ。根据本发明照明光路和采样光路尽可能隔离的原则，且只考虑一次反射的情况下，反射光束上下边界刚好在第二空腔下沿和第一空腔上沿，如图2所示。这是主体最小尺寸设计，实际应用中可以适当放宽，保证一次(甚至多次)反射光束不能进入第三空腔。第二主体1-2内壁的反射特性较好，一次反射光束经第二主体1-2内壁的二次反射光束仍然能够透过窗口片9-1而照明样品池1-3内的样品，而未照明样品的光束约束在第二空腔而不进入第三空腔成为干扰光、杂散光。第二主体的材料优选为金属材料(近红外波段几乎没有光谱吸收)，且第二主体的内表面作镜面抛光。金属结构具有较好的支撑强度，保证了光谱仪整机结构强度和稳定性，考虑成本等因素，采用其他材料进行金属电镀也不失为一个好的选择。将光谱仪倒置进行黑屋测试，照明光束透过窗口片进入无边界、无反射的空气介质中，此时光谱传感器3-2测得的平均光谱强度基本反映了未接触样品照明光反射形成的干扰光、杂散光大小。光谱仪对空黑屋测试光强越低，表明本发明设计的照明光路与采样光路之间的隔离度越高，光谱仪获取样品散射光谱数据的能力越强。
如图7所示，优选的，透镜组3-3包括在第一方向上隔开设置的凹透镜5-1及第一凸透镜5-2，凹透镜5-1位于靠近光谱传感器3-2的一侧，凹透镜5-1与光谱传感器3-2之间还设置有光阑5-5，凹透镜5-1靠近光谱传感器3-2一侧的焦平面为A面，第一凸透镜5-2靠近凹透镜5-1一侧的焦平面为B面，A面与B面重合、且焦点重合，光阑5-5设于重合焦平面的焦点处。
具体的，图7至图8为本发明实施例的透镜组采样光路设计示意图，以双透镜***举例，透镜组3-3的设计目的是实现准直光束到准直光束的变换，即透镜组3-3设计为采样准直光束实现压缩。这样设计的原因是基于FPI原理的光谱传感器3-2对入射光角度敏感，(准直光束)垂直入射时传感器灵敏度最高、波长准确性最好。因此，图7至图8所示的透镜组光学***就是经典的望远镜成像光学***，图7是伽利略型，图8是开普勒型。上述方案叙述了伽利略型；下述方案为开普勒型，如图8所示，透镜组3-3包括在第一方向上隔开设置的第二凸透镜5-3及第三凸透镜5-4，第二凸透镜5-3位于靠近光谱传感器3-2的一侧，第二凸透镜5-3与第三凸透镜5-4之间还设置有光阑5-5。第二凸透镜5-3靠近第三凸透镜5-4一侧的焦平面为C面，第三凸透镜5-4靠近第二凸透镜5-3一侧的焦平面为D面，焦平面C面和D面重合且焦点重合，光阑5-5设置在重合焦面的焦点上。显然，准直光束压缩比等于透镜组3-3的两个透镜焦距比f2/f1，受限于透镜的直径和曲率半径，相同焦距比时，伽利略型设计可以得到更结构紧凑的透镜组，这对于便携式设备相当关键。相比而言，开普勒型设计能够更好地实现杂散光屏蔽。
的透镜组3-3主要设计为样品漫反射信号光收集和准直，同时屏蔽杂散光。考虑到样品吸收性和非均匀性(大光斑采样)，并且受限于便携式设计可用于采光的透镜口径，透镜组3-3的设计一般匹配于光谱传感器3-2通光孔径和孔径角，更优地，在光谱传感器3-2通光孔径和孔径角范围内尽量准直。
事实上，完全意义上的准直垂直入射只是理想情况，光谱传感器3-2有一个小角度的接收孔径角，如图7至图8所示。根据光路可逆原理，光谱传感器3-2接收窗口片9-1的发散光束经透镜组3-3变换后的光束必然受限于透镜组的入射光曈5-6。因此，透镜组3-3靠近传感器一侧的左透镜与光谱传感器3-2接收窗口面的距离ds需要有效控制，以免影响光谱传感器3-2的收光效率。图中所示的透镜组3-3设计是以双透镜设计方案进行举例说明，在实际应用中，三片式甚至更多片透镜组合的优化设计能够进一步提升透镜组3-3的性能：结构更紧凑、像差更小、有效采样光斑更大等。
优选的，透镜支架包括支架本体3-4，支架本体3-4的形状与第三空腔的形状相适配，支架本体3-4与第三主体1-3连接，支架本体3-4的顶面上开设有用于安装透镜组3-3的螺纹孔3-4-1，支架本体3-4的底面开设有容纳光谱传感器3-2的容纳孔，螺纹孔3-4-1与容纳孔同轴，且螺纹孔3-4-1与容纳孔相连通，螺纹孔3-4-1的内周壁上沿其周向设置有环形凸起3-4-2，或容纳孔的内周壁上沿其周向设置有环形凸起3-4-2。
图9至12为本发明实施例的透镜组3-3与光谱传感器3-2的装配示意图。结构精巧的光谱传感器3-2对光路设计精准度要求很高，因此，本发明需要保证传感器3-2的光轴与透镜组3-3的光轴高度一致。通常，光谱传感器3-2外壳与透镜组3-3之间不能直接装配，还需要精细控制传感器3-2与透镜组3-3之间的安装间距ds进行。图9所描述的实施方式是通过透镜组具3-4统一安装透镜组3-3，具体而言：透镜组3-3先全部安装于透镜组具3-4，通常通过细牙螺纹装配再辅助点胶固化；环形凸起3-4-2保证了光谱传感器3-2与透镜组3-3之间的安装间距ds，然后透镜组3-3和透镜组具3-4作为一个整体安装在第三主体上；最后，焊接了光谱传感器3-2的第一电路板3-1再跟透镜组具3-4对接配合。由于需要优先保证传感器与透镜组的装配同轴性，因此透镜组3-3、透镜组具3-4和传感器3-2三者之间是紧配合；而透镜组具3-4与第三主体1-3之间、传感器3-2与第一电路板3-1之间、第一电路板3-1与第三主体1-3之间，这三种配合应该是松配合。实施过程中，为保证传感器3-2与透镜组具3-4之间的紧配合，需要先将传感器3-2***透镜组具3-4中配合好，再将传感器3-2焊接至第一电路板3-1上。
图10给出了另一种透镜支架的方案，包括转接套筒3-6，转接套筒3-6的顶面上开设有用于安装透镜组3-3的第二螺纹孔，转接套筒3-6的底面开设有容纳光谱传感器3-2的第二容纳孔，第二螺纹孔的轴线与第二容纳孔的轴线位于同一条直线，第二螺纹孔的内周壁上沿其周向设置有第二环形凸起；还包括与第三主体1-3连接的挡板3-5，挡板3-5上开设有第一通孔3-5-1，转接套筒3-6设置在挡板3-5上，且第一通孔3-5-1的轴线与第二螺纹孔的轴线同轴，且第二螺纹孔位于靠近挡板3-5的一侧，转接套筒3-6用于传感器3-2与透镜组3-3之间的同轴安装，转接套筒3-6一端以紧配合的方式套在传感器3-2的外壳上，通常可以点胶进行固化；转接套筒3-6另一端与透镜组3-3以紧配合的方式安装，通常通过细牙螺纹装配再辅助点胶固化。第二环形凸起保证了传感器3-2与透镜组3-3之间的安装间距ds，挡板3-5可降低杂散光和防止透镜组3-3脱落。挡板3-5开孔位置对应于透镜组3-3采光口位置，且开孔的数量与光谱传感器3-2的数量相适配，且第一通孔3-5-1的直径略大于透镜组3-3的入射光曈。挡板3-5安装精度要求比较高，其上面贴着透镜组下沿防止透镜组脱落，其下面可以作抛光处理，将透镜组3-3采光口径外的杂散光反射回样品，一定程度上增加了光照利用率。进一步地，转接套筒3-6的上下承接功能可以直接整合改进到传感器3-2的封装外壳上，即封装外壳本身凸起一部分壳体，突出壳体内细牙螺纹可以直接与透镜组3-3组装。
下述是对本发明的原理进行详细解释：主体是金属结构，它将光谱仪的照明光路和采样光路尽量隔离，同时主体也是支撑结构，其他各个功能单元依序组装和固定于主体。打开光源2-2，照明光束经过光源容纳孔2-3粗略准直后以45°角斜入射到窗口片9-1，窗口片9-1中心区域形成光强均匀分布的照明光斑，照明光透过窗口片9-1进入样品池7-1，经过多次反射、折射、散射和吸收后返回样品表面成为漫反射信号光，信号光透过窗口片9-1进入第二空腔及第三空腔，透镜组3-3将信号光方向性筛选、汇聚和准直后输入光谱传感器3-2，得到测量光谱数据。测量的光谱数据通过光谱仪终端集成的蓝牙或WIFI模块传输给终端4-1，终端4-1可以实时显示多条测量光谱曲线并设置异常光谱监控报警，测量光谱数据可以在终端上进行简单的数据处理(比如均值、平滑和归一化等)后通过移动数据网络传输给云端4-2进行光谱分析模型计算，然后终端下载云端4-2计算结果并显示在终端APP中。为保证便携性，光谱仪终端依靠供电部件8-1供电，供电部件8-1容量依据具体应用案例对续航时长和照明光强度的要求而定。上述实施例描述中，只对照明光束透射窗口片9-1部分作了说明，事实上，照明光束在窗口片9-1内面上的反射光、多个表面的多次反射光以及它们带来的其他杂散光依据第二空腔的特殊设计尽可能地实现了对采样光路的屏蔽。上述实施例描述中，云端4-2作为光谱分析模型的计算单元，当然，性能愈加强大的终端4-1也可以，因此终端本地可以进行光谱数据存储、光谱分析计算模型调用和模型更新等。上述实施例描述中，终端4-1、云端4-2分离于光谱仪终端，在某些特殊的应用场景中，可以将它们都整合或者部分整合到光谱仪终端上，当然这一定程度上牺牲了光谱仪终端的便携性，增加了其独立性。上述实施例描述中，未提及第一电路板3-1和第二电路板2-1进行空间隔离设计，主要是降低光源2-2工作过程中产生的热量对第一电路板3-1和光谱传感器3-2的影响。上述实施例描述中，未提及第三空腔的高度，其长度下限是透镜组3-3的下沿与第三空腔的下沿平齐，即透镜组3-3不能介入第二空腔。终端4-1为手机或平板电脑等。
窗口片9-1可以选择为石英、蓝宝石、K9玻璃、染色玻璃等材料，其光学特性是在所有光谱传感器3-2带通波段必须具有高透过率，其机械特性优选为耐磨、机械强度高。
样品池7-1用于收集光源发出光束与样品内部分子相互作用(反射、折射、散射和吸收)后返回样品表面的漫反射信号光，携带有样品结构和组织信息。样品池7-1要求采样面有良好的均匀性和合适的疏松度，过度紧实的制样会增加镜面反射(不携带有样品结构和组织信息)而抑制与样品相互作用的漫反射信号光。
图13为本发明的实施例光源容纳孔2-3设计示意图和光路仿真分析图。根据所采用的光源2-2本身的发光特性，可以确定光源容纳孔2-3的基础尺寸，包括光源容纳孔2-3深度，光源容纳孔2-3小直径端开口半径，光源容纳孔2-3大直径端开口半径r1和锥面张角θ。图13给出了仿真分析的模型示意图，以此确定光源容纳孔2-3的基础尺寸，光源容纳孔2-3主轴线与观察面呈45°夹角，多个光源容纳孔2-3绕y轴旋转对称并呈正多边形分布。观察面平行于xoz平面(笛卡尔坐标系如图所示)，离开光源容纳孔2-3一段距离。光源容纳孔2-3深度和锥面张角θ一同决定了照明光斑分布情况。以图13所示的照明光源容纳孔2-3为例，其主轴在观察面的投影方向重合于z轴，图14给出了该光源2-2照明在观察面的光强度分布，其中光源辐射源以小球型(近似点光源)灯丝模拟。图14是一个优化后的结果，观察面上照明光斑基本上沿x轴对称，而中心照明区轻微偏离z轴零点。这样的优化结果才能使得正多边形分布的多个光源容纳孔2-3照明的总光斑呈现出中心强度高而周围相对均匀的光强分布。小球型灯丝辐射源显然不符合实际情况，图15给出了单个灯孔、螺旋型灯丝的优化照明光斑分布，可以看出其中心照明区仍然偏离z轴零点且呈现强度接近的双峰分布。图16给出了五个光源容纳孔2-3中的光源2-2一同照明的照明光斑强度分布，整体来看，实现了比较均匀的照明，其x轴和z轴线上归一化光强分布如图17所示。以螺旋型灯丝仿真模型为例，灯丝直径0.1mm，螺旋直径0.2mm，灯丝长度2.4mm，灯管直径3.0mm，形状为圆柱灯管加半球顶。仿真优化结果显示：光源容纳孔2-3深度13.2mm，光源容纳孔2-3锥面角θ＝14.44°，开口半径r1＝6.8mm。采用International Light Technologies公司的1088-9A型光源照明验证实验基本符合仿真结果。连同主体整体设计后，照明光路和采样光路的叠加程度也需要考察，如图18所示，只有很少的照明光线(一共追迹20万条光线)能够通过多次反射进入透镜组3-3的入射光曈。通过透镜组3-3内部的光阑阻挡以及传感器本身受限的入射孔径隔离，这些未达到样品的多次反射光线虽然能够进入透镜组3-3，但几乎不能进入传感器内部。简而言之，本发明所设计的照明光路和采样光路分离得以实现。
由上述实施例可以看出本发明便携式光谱仪具有低成本、低功耗、高集成、便携、智能化、操作简便、实时快速测量和测量精度较高等优点，可用于医疗食品、环境监测、农业生产以及石油化工等领域。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，本发明所有技术方案均可进行组合。“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。在本文中，“平行”、“垂直”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。
Claims (10)
1.便携式光谱仪，其特征在于：包括主体，所述主体包括第二主体(1-2)及与所述第二主体(1-2)连接的第三主体(1-3)，所述第二主体(1-2)内设有第二空腔，所述第三主体(1-3)内设有第三空腔，所述第二空腔与所述第三空腔相连通，所述第二空腔远离所述第三空腔的一侧设有开口，所述第二空腔在第一基准面的投影面积沿第一方向逐渐增大；其中，第一基准面为与所述主体的轴线方向垂直的面，第一方向为所述第三空腔靠近所述第二空腔的方向，且所述第一方向与所述主体的轴线方向平行；
还包括第一电路板(3-1)及设置在第一电路板(3-1)上的光谱传感器(3-2)，所述光谱传感器(3-2)设置于所述第三空腔内，且所述光谱传感器(3-2)朝向所述第二空腔，第一电路板(3-1)固定设置在所述第三主体(1-3)上，所述第三空腔内还设置有透镜组(3-3)，所述透镜组(3-3)位于所述光谱传感器(3-2)与所述第二空腔之间，所述透镜组(3-3)通过透镜支架固定设置在第三主体(1-3)上，所述透镜组(3-3)的设置位置与所述光谱传感器(3-2)的设置位置相适配；
所述第二主体(1-2)上还设置有光源容纳孔(2-3)，所述光源容纳孔(2-3)与所述第二空腔相连通，所述光源容纳孔(2-3)中还固定设置有光源(2-2)，所述光源容纳孔(2-3)在第二基准面的投影面积沿第二方向逐渐增大，所述光源容纳孔(2-3)相对于第一基准面倾斜设置；其中，第二基准面为与所述光源容纳孔(2-3)轴线垂直的面，所述第二方向为所述光源容纳孔(2-3)靠近所述第二空腔的方向，且所述第二方向与所述光源容纳孔(2-3)的轴线方向平行；所述光源容纳孔(2-3)用于使所述光源(2-2)发出的光照射于样品池(7-1)上。
2.根据权利要求1所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述第二空腔为圆台形空腔，所述第二主体(1-2)内周壁的母线与所述第一基准面间的夹角为45°。
3.根据权利要求2所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述光源容纳孔(2-3)为圆台形孔，所述光源容纳孔(2-3)的轴线与所述第一基准面的夹角为45°。
4.根据权利要求3所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述第三空腔为圆柱形空腔，所述光谱传感器(3-2)的数量为若干个，且所述光谱传感器(3-2)沿所述第三主体(1-3)的内周壁的周向均匀间隔设置；所述光源(2-2)的数量为若干个，每相邻的两个所述光谱传感器(3-2)间设有一个所述光源(2-2)，且所述光源(2-2)沿所述第二主体(1-2)的内周壁的周向均匀间隔设置。
5.根据权利要求4所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述光谱传感器(3-2)为圆柱形；在所述第一基准面上的投影：所述光源(2-2)的轴线与两个相邻的所述光谱传感器(3-2)的圆心的连线的中垂线位于同一条直线上。
6.根据权利要求4或5所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述光谱传感器(3-2)为圆柱形；在所述第一基准面上的投影：相邻两个所述光谱传感器(3-2)的圆心距为dsa，所述光谱传感器(3-2)的圆心与所述第三空腔的圆心的距离为dss，相邻两个光谱传感器(3-2)间的最小圆心距为d00，所述光谱传感器(3-2)的半径为rc，所述光谱传感器(3-2)距所述第三主体(1-3)内周壁的最小间距为da，所述第三主体(1-3)的最小内径为d0，dss及dsa同所述光谱传感器(3-2)的数量No的关系如下所示，
当所述光谱传感器(3-2)的数量为3个时，所述d0表达为(a)式；当所述光谱传感器(3-2)的数量为4个时，所述d0表达为(b)式；当所述光谱传感器(3-2)的数量为5个时，所述d0表达为(c)式；当所述光谱传感器(3-2)的数量为6个时，所述d0表达为(d)式；
其中，da＝d00/2-rc。
7.根据权利要求6所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述光源容纳孔(2-3)的轴线与所述光源容纳孔(2-3)内周壁的母线之间的夹角为θ，所述第二空腔靠近所述第三空腔的一侧距所述主体的底部的最小距离为h0，所述光源容纳孔(2-3)大直径端的圆心距所述第二空腔小直径端的圆心的垂直距离为h1；
h0＝d0 tanα,
其中，α＝45°+θ。
8.根据权利要求7所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述光源容纳孔(2-3)的大直径端的半径为r1，所述主体还包括与所述第二主体(1-2)连接的第一主体(1-1)，所述第一主体(1-1)内设有与所述第二空腔连通的第一空腔，所述第一空腔为圆柱形空腔，所述第一空腔远离所述第二空腔的一侧设置有开口，所述第一空腔靠近所述第二空腔的一侧距所述主体的底部的最大距离为h2，所述第一主体(1-1)内周壁的直径为d1；
其中，β＝45°-θ。
9.根据权利要求1至5任一权利要求所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述透镜组(3-3)包括在第一方向上隔开设置的凹透镜(5-1)及第一凸透镜(5-2)，所述凹透镜(5-1)位于靠近所述光谱传感器(3-2)的一侧，所述凹透镜(5-1)与所述光谱传感器(3-2)之间还设置有光阑(5-5)，所述凹透镜(5-1)靠近所述光谱传感器(3-2)一侧的焦平面为A面，所述第一凸透镜(5-2)靠近所述凹透镜(5-1)一侧的焦平面为B面，所述A面与所述B面重合、且焦点重合，所述光阑(5-5)设于所述重合焦平面的焦点处。
10.根据权利要求1至5任一权利要求所述的便携式光谱仪，其特征在于：所述透镜支架包括支架本体(3-4)，所述支架本体(3-4)的形状与所述第三空腔的形状相适配，所述支架本体(3-4)与所述第三主体(1-3)连接，所述支架本体(3-4)的顶面上开设有用于安装透镜组(3-3)的螺纹孔(3-4-1)，所述支架本体(3-4)的底面开设有容纳光谱传感器(3-2)的容纳孔，所述螺纹孔(3-4-1)与所述容纳孔同轴，且所述螺纹孔(3-4-1)与所述容纳孔相连通，所述螺纹孔(3-4-1)的内周壁上沿其周向设置有环形凸起(3-4-2)，或所述容纳孔的内周壁上沿其周向设置有环形凸起(3-4-2)。
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