光谱仪校准的制作方法

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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定(204)来开始校准过程200。一旦模块的温度稳定，就使用例如设置在模块100中的温度传感器来测量模块的温度(206)。然后，可以将测量得到的温度存储在存储器106b中(208)。

根据过程200，清除校准寄存器106c(210)，并且该过程继续对模块100执行电压-波长校准(212)。图3示出了根据一些实施方式的电压-波长校准212的各个细节。如302指示的，电压-波长校准开始于将校准配置参数和值加载至适当的寄存器106c中。该过程还配置用于校准和/或测试的外部光源。外部光源可以是校准和测试设备的一部分，并且应当覆盖传感器110的波长范围。因此，各种类型的光源可以被用作校准和测试的外部光源。配置外部光源可以包括例如将光源设置为在特定波长下(或窄波段)操作(306)。例如，外部光源可以被初始配置为发射以大约1350nm为中心的窄带(例如3nm)。然后，从低电压值(vn1)至高电压值(vn2)扫描光滤波器(例如，基于mems的fpi)上的电压，反之亦然(308)。微控制器108识别由传感器110检测到的峰值输出值(310)，并将与峰值相关联的波长和对应的电压存储在适当的寄存器106c中(312)。假定未检测到操作异常或其他异常，则过程212继续进行以检查是否已经获取了指定范围内的所有指定波长(或窄波段)的数据(314)。如果已经获取了所有波长(或窄波段)的数据，则电压-波长校准212结束。另外，该过程继续进行，以例如通过将波长增加预定量(例如，增加10nm)来将外部光源的波长设置为关注范围内的下一个波长。这一迭代过程通过框306-314重复地循环，直到已经获取了指定范围内的所有波长(或窄波段)的数据。以这种方式，施加至基于mems的fpi的电压被校准，以在波长域中产生线性扫描间隔。

当图3的电压-波长校准过程212结束时，图2的过程200继续进行，以适用于待使用的特定微控制器108的格式产生校准的电压-波长值的记录(214)。例如，校准的电压-波长记录可以被转换为微控制器或其他处理器108识别的格式。然后，可以将转换后的电压-波长记录存储在适当的寄存器106c中(216)，并且可以重启微控制器或其他处理器108(218)，以确保校准后的电压-波长记录被正常地加载。

然后，图2的过程200继续进行以执行光学串扰和暗噪声校准。通常，当光由光源103产生并从模块100发射时，并非所有产生的光都传播并到达待测样品112。相反，光的一部分可以被盖玻片122的一侧或两侧反射，并且可以被光电二极管或其他传感器110检测到。类似地，穿过将传输通道102和收集通道104分开的壁的光可以被传感器110检测，或者传感器110可以检测伪反射。这样的信号表示光学串扰(sxtalk(λ))，其通常是波长相关的。为了校准光学串扰，在光路中不存在样品112的情况下操作模块100(220)。例如，从模块发射的光可以被引导至很远的暗目标或基本上不反射的目标。在这样的条件下，由传感器110检测到的信号(sinfinitemeasured(λ))可以被认为是以下两个分量的和：(i)光学串扰(sxtalk(λ))，以及(ii)暗噪声(sdark)。暗噪声(sdark)表示例如在跨阻抗或其他类型的放大器和偏移补偿电路之后的传感器110中产生的暗电流。可以通过关闭光源103并测量传感器110测得的强度来确定暗噪声(sdark)，其通常在扫描的所有波长下存在并且基本恒定。然后，可以执行光学串扰校准测量(222)。如下面更详细地描述的，给定波长(λ)下的暗噪声和光学串扰校准的测量可以被同时并且作为同一操作序列的一部分来执行。

为了校准光学串扰，针对串扰的默认校准配置值可以被加载到适当的寄存器106c中。然后，在光路中不存在样品或其他材料的情况下操作模块100，并使模块100排序通过关注的指定范围(例如，1350nm-1650nm，步长10nm)内的各个指定波长(或窄波段)。这可以例如通过改变基于mems的fpi上的电压使得模块100被配置为一次发射具有一个波长(或窄波段)的光来实现。可替代地，收集通道104中的基于mems的fpi可以收集由传输通道中的宽带光源产生的各个波长的光。在任一种情况下，当针对每个波长(λ)进行测量时，由传感器110测量的光强度值对应于(sinfinitemeasured(λ))，(sinfinitemeasured(λ))包括波长相关的光学串扰(sxtalk(λ))以及暗噪声(sdark)。表示校准的串扰和暗噪声配置值的值(sinfinitemeasured(λ))可以被存储在适当的寄存器106c中(224)。在一些情况下，串扰(sxtalk(λ))和/或暗噪声(sdark)的值也被存储在寄存器106c中。

然后，图2的过程200继续进行，以使用先前获得的电压-波长校准数据(即，在216处存储的数据)，校准针对已知的反射率标准(例如，99％反射率)的全系统响应。这里也一样，针对系统响应的默认校准配置值可以被加载到适当的寄存器106c中。具有已知反射率(rreference(λ))的参考材料被放置在模块100发射的光的光路中、模块外部(例如，盖玻片上)的指定位置，以向传感器110反射回光的至少一部分(226)。参考材料的示例包括满足或漫反射标准的材料。然后，通过排序通过关注的指定范围(例如，1350nm-1650nm，步长1nm)内的各个指定的波长(或窄波段)，来测量系统响应(228)。这可以例如通过改变基于mems的fpi上的电压使得模块100被配置为一次发射具有一个波长(或窄波段)的光来实现。可替代地，如上所述，传输通道102可以包括宽带源，其中基于mems的fpi位于收集通道104中。在任一种情况下，由传感器110针对给定波长(λ)测量的光强度可以被指定为sreferencemeasured(λ)，其表示在特定波长的校准系统响应值。这些值可以被存储在适当的寄存器106c中(230)。

然后，过程200以适用于待使用的特定微控制器108的格式产生全校准记录(232)。例如，校准的波长值、串扰值和系统响应值可以被转换为由微控制器或其他处理器108识别的格式。然后，转换后的记录可以被存储在适当的寄存器106c中(234)，这完成了校准过程200。

然后，存储的校准值可以用于获得样品112的校准的波长相关的反射率值rmut(λ)。具体而言，以下等式可以用于计算校准的波长相关的反射率值rmut(λ)：

其中rreference(λ)是参考材料的已知波长相关的反射率，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)是将待测样品112放置在模块的光路中时传感器测得的强度值。

校准的模块100可以使用已知材料的样品(即，测试目标)来测试，以确保系统的部件正确地操作。图4示出了测试过程400的示例。如402指示的，已知材料的样品被放置在测试位置。优选地，样品被放置在与先前测试的参考材料相同的相距模块的距离114处。如果不是，则微控制器108应当被配置为通过适当的缩放来解决该差异。该过程包括将先前存储的校准的数据(即，rreference(λ)、sinfinitemeasured(λ)、sreferencemeasured(λ))加载到适当的寄存器106c中(404)。如406指示的，测量温度。这个温度值可以与在208处存储的温度值进行比较，并且如果需要，该温度值可以被用于补偿温度漂移(参见410)。

接下来，过程400执行测量循环(408)，其中使模块100排序通过关注的指定范围(例如，1350nm-1650nm，步长1nm)内的各个指定波长(或窄波段)。这可以例如通过改变基于mems的fpi上的电压使得模块100被配置为一次发射具有一个波长(或窄波段)的光来实现。可替代地，如上所述，传输通道102可以包括宽带源，其中基于mems的fpi位于收集通道104中。在任一种情况下，当针对每个波长(λ)进行测量时，由传感器110测量的光强度值对应于smutmeasured(λ)。测量值(smutmeasured(λ))可以被存储在例如存储器106b中(412)。在414，微控制器108基于上面的等式(1)计算校准的波长相关的反射率值(rmut(λ))。然后，微控制器108提供计算的值(rmut(λ))作为输出(416)。输出可以与期望值进行比较(418)，并且如果存在足够接近的匹配，则假定系统部件正在被正常地操作。然后，测试模块100可以被用于测试未知样品112的光学性质(例如，反射率)。

当使用经校准、测试的模块100来确定未知样品112的光学性质(例如，反射率)时，类似于图4的过程可以被实施。如图5指示的，过程500包括将未知材料的样品112放置在测试位置(502)。优选地，样品被放置在与先前测试的参考材料相同的、相距模块的距离114处。如果不是，则微控制器108应当被配置为解决该差异(例如，通过缩放)。过程500包括将先前存储的校准的数据(即，rreference(λ)、sinfinitemeasured(λ)、sreferencemeasured(λ))加载到适当的寄存器106c(504)中。如506指示的，测量温度。这个温度值与在208处存储的温度值进行比较，并且如果需要，该温度值可以用于温度补偿(参见510)。

接下来，过程500执行测量循环(508)，其中使模块100排序通过关注的指定范围(例如，1350nm-1650nm，步长1nm)内的各个指定波长(或窄波段)。这可以例如通过改变基于mems的fpi上的电压使得模块100被配置为一次发射具有一个波长(或窄波段)的光来实现。可替代地，如上所述，传输通道102可以包括宽带源，其中基于mems的fpi位于收集通道104中。在任一种情况下，当针对每个波长(λ)进行测量时，由传感器110测量的光强度值对应于smutmeasured(λ)。测量值(smutmeasured(λ))可以被存储在例如存储器106b(512)中。在514，微控制器108基于上面的等式(1)计算校准的波长相关的反射率值(rmut(λ))。然后，微控制器108提供计算的值(rmut(λ))作为输出(516)。在一些实施方式中，计算的值(rmut(λ))可以被提供至耦接至微控制器108的显示屏。

尽管在前述实施方式中描述的具体示例使用mems可调滤波器的操作电压作为用于波长校准的操作参数，但是一些实施方式可以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(例如，电流、温度或压力)。在一些情况下，关注的参数是阵列检测器中像素的地址。

因此，更一般地，校准光谱仪模块的方法可以包括：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。

本说明书中描述的主题和功能操作的各个方面可以被实施在数字电子电路中，或实施在包括在本说明书中公开的结构及其结构等同物的计算机软件、固件或硬件中，或者实施在它们中的一种或多种的组合中。本说明书中描述的主题的实施例可以被实施为一种或多种计算机程序产品，即，编码在例如非暂时性计算机可读介质上的计算机程序指令中的一个或多个模块，以供数据处理装置执行或用于控制数据处理处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储设备、影响机器可读传播信号的物质组成或它们中的一个或多个的组合。词语“数据处理装置”和“计算机”涵盖用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括作为示例的可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，装置还可以包括针对所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个组合的代码。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)来写入，并且可以以任何形式进行部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子程序或适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序不一定与文件系统中的文件相对应。程序可以以专用于所讨论程序的单个文件或多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)的形式，而被存储在保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中。计算机程序可以被部署为在一个计算机上执行，或者在位于一个站点上或分布在多个站点上并通过通信网络互连的多个计算机上执行。

本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程处理器来执行，一个或多个可编程处理器执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并产生输出来执行功能。处理和逻辑流程也可以由专用逻辑电路执行，并且装置也可以被实施为专用逻辑电路，例如fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)。

例如，适合于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)，或可操作地耦接以从一个或多个大容量存储设备接收数据和/或将数据传输至一个或多个大容量存储设备。但是，计算机不必具有此类设备。此外，计算机可以被嵌入在另一个设备中，例如，移动电话、个人数字助理(pda)、移动音频播放器、全球定位系统(gps)接收器等。适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储设备，包括例如半导体存储设备，例如eprom、eeprom和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及cdrom和dvd-rom磁盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或被并入专用逻辑电路中。

为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施例可以被实施在计算机上，该计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，crt(阴极射线管)或lcd(液晶显示器)监视器)以及用户可以通过其向计算机提供输入的键盘和指示设备(例如鼠标或轨迹球)。其他种类的设备也可以被用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且来自用户的输入可以以任何形式接收，包括声音、语音或触觉输入。

可以对前述实施方式进行各种修改，并且可以将不同实施方式中的上述特征组合在相同的实施方式中。此外，除非明确说明或暗含要求，否则可以以与前述示例中阐述的顺序不同的顺序执行各种操作。一些实施方式可以省略一些操作和/或可以包括另外的操作。因此，其他实施方式处于权利要求书的范围内。