近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院聯(lián)合廈門奧譜天成光電科技有限公司的研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際知名期刊《Measurement》的研究成果。該研究創(chuàng)新性地將藍(lán)牙控制多濾光片輪與智能手機(jī)的拍攝、計(jì)算功能深度集成，首次實(shí)現(xiàn)同一便攜式平臺(tái)對(duì)發(fā)光源輻射計(jì)量與非發(fā)光體反射特性分析的一體化檢測(cè)，并完成二維光譜空間信息可視化輸出，為便攜式光譜技術(shù)向“口袋實(shí)驗(yàn)室”升級(jí)提供了關(guān)鍵解決方案。

    一、研究背景與核心挑戰(zhàn)：便攜式光譜技術(shù)的應(yīng)用瓶頸
    隨著顯示制造、智慧農(nóng)業(yè)、食品質(zhì)檢等領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，便攜式光譜分析技術(shù)因其移動(dòng)性優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。然而，當(dāng)前技術(shù)方案存在顯著局限：傳統(tǒng)大型光譜儀器（如分光光度計(jì)）雖精度較高，但體積龐大（約500×500×200mm）、重量達(dá)15kg、成本超50萬(wàn)元，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求；現(xiàn)有基于智能手機(jī)的光譜方案多聚焦于反射或透射單一維度，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光源（如LED顯示屏）的輻射計(jì)量（輻亮度、色度）與非發(fā)光體（如農(nóng)產(chǎn)品、色卡）的反射率、成分分析，且面臨三大核心技術(shù)挑戰(zhàn)：
    1.多波段獲取與穩(wěn)定性平衡：移動(dòng)終端空間資源受限，需在狹小結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬波段（380780nm）覆蓋，同時(shí)保證機(jī)械轉(zhuǎn)位與曝光的一致性；
    2.標(biāo)定溯源與數(shù)據(jù)可靠性：智能手機(jī)硬件差異大（攝像頭傳感器、光學(xué)系統(tǒng)），需建立統(tǒng)一的標(biāo)定模型，確保檢測(cè)結(jié)果可溯源、誤差可控；
    3.光譜空間信息融合：需同步處理波長(zhǎng)維度的光譜數(shù)據(jù)與二維空間的圖像信息，實(shí)現(xiàn)“光譜數(shù)據(jù)立方”構(gòu)建與可視化輸出，為檢測(cè)結(jié)果提供直觀支撐。
    針對(duì)上述痛點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)以“低成本、全流程、一體化”為目標(biāo)，開(kāi)展智能手機(jī)多光譜成像系統(tǒng)（SMSIS）的研發(fā)與驗(yàn)證。

    二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)創(chuàng)新：硬件極簡(jiǎn)架構(gòu)與算法精準(zhǔn)支撐
    SMSIS系統(tǒng)采用“手機(jī)中樞+微型模塊+軟件協(xié)同”的架構(gòu)設(shè)計(jì)，核心組件包括智能手機(jī)、藍(lán)牙控制濾光片輪模塊（含21片窄帶濾光片、舵機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換板、供電單元）及配套APP，整體尺寸僅62×28×25mm，重量30g，實(shí)現(xiàn)“口袋級(jí)”便攜性。其技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在三方面：
    1.硬件集成創(chuàng)新：多濾光片輪與藍(lán)牙舵機(jī)的高精度協(xié)同
    系統(tǒng)核心硬件模塊搭載21片窄帶濾光片，覆蓋380780nm可見(jiàn)光波段（步進(jìn)20/40nm），可滿足發(fā)光源與非發(fā)光體檢測(cè)的多波長(zhǎng)需求。濾光片輪由低功耗藍(lán)牙舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，智能手機(jī)通過(guò)APP發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)濾光片的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)位——經(jīng)測(cè)試，舵機(jī)最大機(jī)械角度誤差僅0.26°（步距17.14°，誤差占比1.5%），有效保障濾光片與手機(jī)攝像頭的對(duì)準(zhǔn)精度，避免機(jī)械偏差導(dǎo)致的光譜數(shù)據(jù)失真。同時(shí)，模塊集成小型供電單元與信號(hào)轉(zhuǎn)換板，無(wú)需外接大功率電源，進(jìn)一步提升現(xiàn)場(chǎng)適用性。
    2.標(biāo)定模型創(chuàng)新：多維度標(biāo)定確保數(shù)據(jù)可溯源
    為解決智能手機(jī)硬件差異導(dǎo)致的檢測(cè)一致性問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)建立多維度標(biāo)定體系：
    輻射源標(biāo)定：基于標(biāo)準(zhǔn)鹵素光源，通過(guò)積分球、高精度光譜儀（InstrumentSystemsISP150）獲取系統(tǒng)在各波段的響應(yīng)系數(shù)S(λ)，結(jié)合濾光片透過(guò)率與帶寬，計(jì)算每一波段的系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)K；
    反射率標(biāo)定：采用“白板暗場(chǎng)三點(diǎn)法”，通過(guò)拍攝標(biāo)準(zhǔn)白板（已知反射率）、暗場(chǎng)（無(wú)入射光）與待測(cè)樣品，消除環(huán)境光與系統(tǒng)暗電流干擾，實(shí)現(xiàn)反射率精準(zhǔn)計(jì)算；
    數(shù)據(jù)反演算法：結(jié)合手機(jī)攝像頭曝光時(shí)間記錄，對(duì)采集的圖像像素值進(jìn)行線性歸一化處理，反演出光譜輻亮度L與亮度L(λ)=683·L·V(λ)（V(λ)為視見(jiàn)函數(shù)），最終構(gòu)建包含“波長(zhǎng)空間強(qiáng)度”的光譜數(shù)據(jù)立方。
    3.軟件功能創(chuàng)新：手機(jī)端全流程自動(dòng)化與可視化
    配套APP實(shí)現(xiàn)“端到端”全流程功能集成，包括藍(lán)牙設(shè)備連接、濾光片輪控制、序列圖像采集、暗電流扣除、標(biāo)定系數(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理與可視化輸出。用戶無(wú)需外接計(jì)算機(jī)，即可實(shí)時(shí)獲取輻亮度曲線、亮度二維分布圖、反射率曲線及農(nóng)產(chǎn)品成分（如糖度）空間映射圖，實(shí)現(xiàn)“即采即算即分析”。

    三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能分析：多場(chǎng)景檢測(cè)精度達(dá)行業(yè)實(shí)用水平
    為驗(yàn)證SMSIS系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)分別針對(duì)發(fā)光源（LED顯示屏）與非發(fā)光體（標(biāo)準(zhǔn)色卡、圣女果、香蕉）開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以行業(yè)標(biāo)桿儀器（TOP100分光輻射計(jì)、ISP150積分球）為參考，結(jié)果表明系統(tǒng)檢測(cè)精度與實(shí)用性均達(dá)行業(yè)實(shí)用水平。
    1.發(fā)光源檢測(cè)：LED顯示屏的輻射計(jì)量與色域評(píng)估
    針對(duì)LED顯示屏的輻亮度、色度、色域檢測(cè)，SMSIS系統(tǒng)表現(xiàn)如下：
    輻亮度精度：與TOP100分光輻射計(jì)對(duì)比，白光、藍(lán)光、綠光、紅光的集成輻亮度誤差分別為13.9%、11.0%、15.6%、7.5%，光譜曲線一致性良好；
    色域覆蓋：測(cè)得LED顯示屏對(duì)Rec.2020色域覆蓋76.9%、DCIP3色域覆蓋107.2%、NTSC色域覆蓋103.0%，與參考儀器誤差僅11.1%；
    色度參數(shù)：峰值波長(zhǎng)最大誤差0.9%，主波長(zhǎng)最大誤差0.8%，CIEx/y坐標(biāo)最大誤差3.4%/11.5%，滿足顯示屏出廠質(zhì)檢與老化監(jiān)測(cè)需求；
    可視化輸出：生成的二維峰值波長(zhǎng)與亮度分布圖，可直觀揭示屏幕像素級(jí)的均勻性差異（如邊緣亮度衰減、局部色度偏移），為顯示屏缺陷定位提供支撐。
    2.非發(fā)光體分析：反射率與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)評(píng)估
    針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)色卡與農(nóng)產(chǎn)品（圣女果、香蕉）的反射率及成分分析，系統(tǒng)性能如下：
    反射率精度：檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)色卡時(shí)，與ISP150積分球?qū)Ρ?，總體誤差7.43%，滿足工業(yè)級(jí)反射率檢測(cè)要求；
    圣女果糖度預(yù)測(cè)：圣女果糖度與640nm、660nm波段反射率呈顯著線性相關(guān)（R²分別為0.915、0.921），獨(dú)立驗(yàn)證樣本的糖度預(yù)測(cè)最大誤差3.84%，且可輸出糖度二維分布，實(shí)現(xiàn)果實(shí)不同部位甜度差異的直觀呈現(xiàn)；
    香蕉成熟度監(jiān)測(cè)：創(chuàng)新提出成熟度指數(shù)BRI=(R580+R680)/(R540+R620)，七天縱向?qū)嶒?yàn)表明，該指數(shù)對(duì)距離、光照擾動(dòng)不敏感，在第5天達(dá)到峰值，可精準(zhǔn)指示香蕉最佳食用期，為農(nóng)產(chǎn)品非接觸式品質(zhì)監(jiān)測(cè)提供新范式。

    四、學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)與應(yīng)用價(jià)值：構(gòu)建一體化便攜式光譜分析框架
    該研究的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在三方面：
    1.提出并驗(yàn)證“發(fā)射+反射”一體化的智能手機(jī)多光譜成像計(jì)量框架，涵蓋標(biāo)定、數(shù)據(jù)反演與二維可視化，填補(bǔ)現(xiàn)有手機(jī)光譜方案的功能空白；
    2.實(shí)現(xiàn)硬件電控算法的協(xié)同設(shè)計(jì)（濾光片輪+藍(lán)牙舵機(jī)+曝光歸一化），提供低成本、可復(fù)現(xiàn)的便攜式光譜系統(tǒng)構(gòu)建方案，為行業(yè)技術(shù)推廣奠定基礎(chǔ)；
    3.提出距離/光照魯棒的成熟度指數(shù)BRI，為農(nóng)產(chǎn)品非接觸品質(zhì)監(jiān)測(cè)提供新方法，拓展光譜技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景。
    從應(yīng)用價(jià)值來(lái)看，SMSIS系統(tǒng)顯著降低光譜檢測(cè)門檻：與傳統(tǒng)分光光度計(jì)（>50萬(wàn)元）、光纖光譜儀（>3萬(wàn)元）相比，其成本<0.3萬(wàn)元，且保持相近的檢測(cè)精度，同時(shí)具備便攜性與智能化優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于三大領(lǐng)域：
    工業(yè)檢測(cè)：LED/OLED顯示屏的現(xiàn)場(chǎng)均勻性檢測(cè)、面板缺陷定位；
    智慧農(nóng)業(yè)：農(nóng)產(chǎn)品采摘前的糖度、成熟度篩選，減少破壞性檢測(cè)損耗；
    消費(fèi)與環(huán)保：食品新鮮度評(píng)估、環(huán)境污染物快速篩查，助力基層檢測(cè)能力提升。

    五、局限性與未來(lái)展望
    當(dāng)前系統(tǒng)仍存在待優(yōu)化方向：光譜分辨率受限于21片固定濾光片的帶寬，700nm以上波段信噪比偏低；跨品牌智能手機(jī)的硬件差異導(dǎo)致系統(tǒng)一致性需進(jìn)一步提升；長(zhǎng)期使用中的溫漂影響尚未完全消除。
    未來(lái)研究將圍繞三方面展開(kāi)：
    1.引入深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)少量波段數(shù)據(jù)重建近似高光譜信息，提升光譜分辨率；
    2.開(kāi)發(fā)跨機(jī)型自校準(zhǔn)算法與溫漂補(bǔ)償模型，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與通用性；
    3.結(jié)合偏最小二乘回歸（PLSR）與小樣本學(xué)習(xí)，提升農(nóng)產(chǎn)品成分（如糖分、水分）預(yù)測(cè)精度，拓展實(shí)時(shí)目標(biāo)識(shí)別與缺陷檢測(cè)功能。

    廈門大學(xué)研發(fā)的智能手機(jī)多光譜成像系統(tǒng)，通過(guò)硬件極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)與算法精準(zhǔn)優(yōu)化，突破傳統(tǒng)光譜技術(shù)“體積大、成本高、功能單一”的瓶頸，首次實(shí)現(xiàn)“發(fā)光源+非發(fā)光體”一體化便攜式檢測(cè)。該成果不僅為光譜分析技術(shù)的便攜化發(fā)展提供了新路徑，更推動(dòng)精準(zhǔn)檢測(cè)從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)場(chǎng)，為工業(yè)制造、智慧農(nóng)業(yè)、民生檢測(cè)等領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。