光谱仪校准制造技术

校准光谱仪模块包括：使用光谱仪模块执行测量，以产生光谱仪模块的波长对操作参数校准数据；使用光谱仪模块执行测量，以产生光谱仪模块的光学串扰和暗噪声校准数据；以及使用光谱仪模块执行测量，以产生光谱仪模块的针对已知反射率标准的全系统响应校准数据。该方法可以进一步包括将包含波长对操作参数校准数据、光学串扰和暗噪声校准数据以及全系统响应校准数据的校准记录存储在耦接至光谱仪模块的存储器中，并将校准记录应用于由光谱仪模块进行的测量中。

Spectrometer calibration

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光谱仪校准相关申请的交叉引用本申请要求于2017年5月3日递交的美国临时专利申请第62/500,601号的优先权的权益。该较早申请的全部内容通过引用并入本文。
本公开涉及光谱仪校准。
技术介绍
光学光谱仪是一种用于测量电磁光谱的特定部分内的光的性质的仪器。光谱仪可以用于例如识别材料。在独立变量是光的波长的情况下，测量的变量有时是光的强度。一些光谱仪测量电磁光谱的可见部分中或附近的光谱区域，不过一些光谱仪也可以测量其他波长，诸如光谱的红外(IR)或紫外(UV)部分。在反射光谱仪中，光谱仪测量根据波长从表面反射的光的部分。反射率测量可以用于确定例如样品的颜色、或检查对象之间的差异以进行分类或质量控制。在一些情况下，光谱仪被制造为小型、紧凑的模块，其包含位于盖玻片下方的壳体中的所需的光电部件(例如，光源和光学传感器)。光源产生的光从该模块向待测试的样品发射。待测试的样品反射的光被传感器检测到。光谱仪模块的制造过程有时导致系统的多个部件在加工、容差和可变性方面的变化。这样的变化可能导致模块之间的意想不到的变化。
技术实现思路
本公开描述了光谱仪校准。在一个方面，例如，本公开描述了一种校准光谱仪模块的方法。该方法包括使用光谱仪模块执行测量，以产生光谱仪模块的波长对操作参数校准数据；使用光谱仪模块执行测量，以产生光谱仪模块的光学串扰和暗噪声校准数据；并使用光谱仪模块执行测量，以产生光谱仪模块的针对已知反射率标准的全系统响应校准数据。该方法进一步包括将包含波长对操作参数校准数据、光学串扰和暗噪声校准数据以及全系统响应校准数据的校准记录存储在耦接至光谱仪模块的存储器中。下面更详细描述的具体示例将MEMS可调滤波器的操作电压用作波长校准的工作参数。然而，其他实施方式将不同的操作参数用于波长校准。例如，在一些情况下，操作参数可以是不同的物理控制机制。一些实施方式包括以下特征中的一个或多个。例如，该方法还可以包括将校准记录应用于由光谱仪模块进行的测量。在一些情况下，将校准记录应用于光谱仪模块对样品进行的测量，以获得一个或多个校准的波长相关的反射率值(RMUT(λ))。在一些实施方式中，一个或多个校准的波长相关的反射率值(RMUT(λ))根据以下公式计算：其中Rreference(λ)是已知参考材料的波长相关的反射率，Sinfinitemeasured(λ)是指示光学串扰强度和暗噪声的校准的波长相关的强度值，Sreferencemeasured(λ)是校准的波长相关的系统响应强度值，以及SMUTmeasured(λ)是光谱仪模块响应于待测样品而测得的强度值。在另一个方面，本公开描述了一种存储计算机指令的非暂时性存储介质，计算机指令可操作为使一个或多个计算机执行操作，操作包括将校准记录应用于光谱仪模块对样品进行的测量，以获得一个或多个校准的波长相关的反射率值(RMUT(λ))。一个或多个校准的波长相关反射率值(RMUT(λ))基于以下计算：已知参考材料的波长相关的反射率，指示光学串扰强度和暗噪声的校准的波长相关的强度值，光谱仪模块的系统响应的校准的波长相关的强度值，以及光谱仪模块响应于待测样品而测得的强度值。在一些情况下，校准技术可以帮助确保每个光谱仪模块均按预期操作，并减少光谱仪模块之间的变化。根据以下具体实施方式、附图和权利要求书，其他方面、特征和优点将变得显而易见。附图说明图1示出光谱仪模块的示例。图2是示出校准光谱仪模块的示例的流程图。图3是示出电压-波长校准的示例的流程图。图4是示出使用校准的光谱仪模块测试已知样品的示例的流程图。图5是示出使用校准的光谱仪模块测试未知样品的示例的流程图。具体实施方式如图1所示，光谱仪模块100包括传输通道102和收集通道104。传输通道102可操作以产生在较宽的带宽范围内的多个波长(或窄波段)的光。传输通道102可以包括可调谐的窄波段光源103，其可以被实施为例如可调谐激光器、与单色仪结合的灯或与可调谐光滤波器组合的灯。在一些实施方式中，光源包括灯以及可调法布里-珀罗干涉仪(FPI)，在一些情况下，可调法布里-珀罗干涉仪基于硅微机电系统(MEMs)技术。基于MEMS的FPI通常包括由间隔开一气隙的两个反射镜组成垂直集成结构。波长调谐是通过在这两个反射镜之间施加电压来实现的，这会导致将反射镜彼此拉近的静电力。作为特定示例，可以在诸如1350nm–1650nm的指定波长范围扫描滤波器。针对其他实施方式，其他波长范围可能是适当的。在一些实施方式中，单个宽波段光源(例如，灯)被设置在传输通道102中，并且基于MEMS的FPI被设置在收集通道104中。从传输通道102传输的光120通过诸如位于光电模块100和样品112之间的盖玻片的透明固体窗122被引导至样品112。在示出的示例中，样品112被定位在相距模块的距离114处。根据样品112的性质，入射在样品112上的各个波长的光可以被不同量地反射。从样品112反射的光124C中的一些可以被接收在收集通道104中。光学串扰126C(例如，从盖玻片122反射的光)也可以被接收在收集通道104中。在一些情况下，透过模块壁或其他通道的光也可以被检测器接收，并导致光学串扰。收集通道104包括光学传感器110，诸如光电二极管，其可操作以检测由样品112反射的光以及由盖玻片122反射的光。如上所述，在一些情况下，收集通道104还包括MEMS-FPI。如图1所示，非暂时性计算机可读介质106(例如，存储器和寄存器)和微控制器或其他处理器108被耦接至模块100。非暂时性计算机可读介质106和微控制器108可以例如与模块100安装在同一印刷电路板(PCB)上。在一些情况下，微控制器被实施为模块中的ASIC。计算机可读介质106可以包括存储用于控制光源103和传感器110的操作的计算机可读指令的只读存储器(ROM)106A，以及用于存储校准或其他参数的随机存取存储器(RAM)106B和各种寄存器106C。微控制器108可操作以接收并处理来自传感器110的输出信号，并确定样品112在各个波长处的反射率。例如，微控制器108可操作以确定待测试的朗伯体或其他样品122的、随波长变化的反射率。如上所述，制造过程通常导致模块的部件在加工、容差和可变性方面的变化。因此，为了确保适当和准确的测量，重要的是在使用模块测量未知样品的反射率之前校准模块。以下段落描述了可以用于诸如模块100的光谱仪模块的校准技术。校准可以例如由模块的制造商、模块的终端用户或某一其他实体来执行。通常，校准方法的方面包括：随着施加到滤波器(例如，基于MEMS的FPI)的电压改变，校准波长对电压；校准暗电流(即，光学噪声)和光学串扰；以及校准针对已知反射率标准的全系统响应。校准值可以被应用于诸如样品112的待测材料(MUT)的测量光谱。如图2所示，可以通过给模块100加电(202)并等待直到模块的温度变得稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种校准光谱仪模块的方法，所述方法包括：/n使用所述光谱仪模块执行测量，以产生所述光谱仪模块的波长对操作参数校准数据；/n使用所述光谱仪模块执行测量，以产生所述光谱仪模块的光学串扰和暗噪声校准数据；/n使用所述光谱仪模块执行测量，以产生所述光谱仪模块的针对已知反射率标准的全系统响应校准数据；以及/n将包含所述波长对操作参数校准数据、所述光学串扰和暗噪声校准数据以及所述全系统响应校准数据的校准记录存储在耦接至所述光谱仪模块的存储器中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170503 US 62/500,6011.一种校准光谱仪模块的方法，所述方法包括：
使用所述光谱仪模块执行测量，以产生所述光谱仪模块的波长对操作参数校准数据；
使用所述光谱仪模块执行测量，以产生所述光谱仪模块的光学串扰和暗噪声校准数据；
使用所述光谱仪模块执行测量，以产生所述光谱仪模块的针对已知反射率标准的全系统响应校准数据；以及
将包含所述波长对操作参数校准数据、所述光学串扰和暗噪声校准数据以及所述全系统响应校准数据的校准记录存储在耦接至所述光谱仪模块的存储器中。


2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将所述校准记录应用于由所述光谱仪模块进行的测量。


3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将所述校准记录应用于所述光谱仪模块对样品进行的测量，以获得一个或多个校准的波长相关的反射率值(RMUT(λ))。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述一个或多个校准的波长相关的反射率值(RMUT(λ))根据以下公式计算：



其中Rreference(λ)是已知参考材料的波长相关的反射率，Sinfinitemeasured(λ)是指示光学串扰强度和暗噪声的校准的波长相关的强度值，Sreferencemeasured(λ)是校准的波长相关的系统响应强度值，并且SMUTmeasured(λ)是所述光谱仪模块响应于待测样品而测得的强度值。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，包括作为同一操作序列的一部分同时：产生特定波长下的所述光学串扰的校准数据，并且产生所述特定波长下的所述暗噪声的校准数据。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，使用所述光谱仪模块执行测量以产生所述光谱仪模块的光学串扰和暗噪声校准数据包括：
使所述光谱仪模块可操作为检测或过滤由宽带光源产生的光的指定波长或波段；并且
测量所述光谱仪模块对所述指定波长或波段中的每一个的响应，其中所述光谱仪模块的响应是在所述光谱仪模块发射的光的光路中不存在样品的情况下获得的。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，使用所述光谱仪模块执行测量以产生所述光谱仪模块的光学串扰和暗噪声校准数据包括：
使所述光谱仪模块接连地发射指定波长范围内的指定波长或波段的序列；并且
测量所述光谱仪模块对所述指定波长或波段中的每一个的响应，其中所述光谱仪模块的响应是在所述光谱仪模块发射的光的光路中不存在样品的情况下获得的。


8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，使用所述光谱仪模块执行测量以产生所述光谱仪模块的光学串扰和暗噪声校准数据包括：
使所述光谱仪模块可操作为检测或过滤由宽带光源产生的光的指定波长或波段；并且
测量所述光谱仪模块对所述指定波长或波段中的每一个的响应，其中所述光谱仪模块的响应是在所述光谱仪模块发射的光朝向远处的暗目标传播时获得的。


9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，使用所述光谱仪模块执行测量以产生所述光谱仪模块的光学串扰和暗噪声校准数据包括：
使所述光谱仪模块发射指定波长范围内的指定波长或波段的序列；并且
测量所述光谱仪模块对所述指定波长或波段中的每一个的响应，其中所述光谱仪模块的响应是在所述光谱仪模块发射的光朝向远处的暗目标传播时获得的。

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【专利技术属性】
技术研发人员：石崎幸太郎，哈维尔·米格尔桑切斯，彼得·伦琴，
申请(专利权)人：赫普塔冈微光有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG