检测器波长校准的制作方法

1.本公开涉及检测器波长校准，并且具体地、尽管不是必须地，涉及光谱仪波长校准。


背景技术：

2.光学光谱仪是用于测量电磁光谱的特定部分上的光的性质的仪器。所测量的变量有时是光的强度，其中自变量是光的波长。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，但是一些光谱仪也可以能够测量其他波长，诸如光谱的红外(ir)或紫外(uv)部分。
3.在反射率光谱仪中，光谱仪测量作为波长的函数的从表面反射的光的比例。反射率测量可用于确定例如样本的颜色、或检查对象之间的差异，以进行分类或质量控制。反射率测量也可用于识别特定材料，因为照射不同材料将导致不同的反射轮廓。
4.在一些情况下，光谱仪被制造为小型紧凑模块，其在盖玻璃下方的壳体中包含所需的光电组件(例如，光源和光学传感器)。由光源产生的光从模块朝向被测样本发射。被测试样本反射的光由传感器检测。
5.光谱仪模块的制造过程可能导致系统的多个组件的制造、公差和可变性的变化。这种变化可能导致从一个模块到下一个模块的意外变化，例如，给定样本和给定光谱仪模块的反射光谱与相同样本和不同光谱仪模块的反射光谱相比，可能出现波长偏移。因此，通常需要在各个模块离开工厂之前或者可能在稍后阶段但在使用其测量未知样本的反射率之前执行各个模块的校准。
6.光学光谱仪可以采用硅微机电系统(mems)技术，并且特别是采用可调谐法布里-珀罗(fabry-perot)干涉仪(fpi)的mems。这些设备在这里被称为“光谱传感器”。基于mems的fpi通常包括包括垂直集成结构，该结构由两个被气隙隔开的反射镜组成。通过在两个反射镜之间施加电压来实现波长调谐，这导致静电力，该静电力将反射镜拉得彼此更靠近。这种光谱仪的校准可以涉及将窄带光引导到光谱仪的检测器上并改变控制电压以确定检测器输出为最大的电压。然后可以确定校准的串扰和暗噪声配置值。然后使用该数据并用具有已知反射率响应的参考材料测量系统响应来确定完整的校准记录。完整校准记录存储在耦合到光谱仪的存储器中。在一些情况下，必须重复这些操作以在一定温度范围内校准传感器，例如使用气候室。
7.可以使用例如选择性光源(诸如阳光、hg-ar等)、气体放电发射灯、激光器来执行校准。可替代地，宽带光源可以与选择性滤光器(诸如单色仪、法布里-珀罗滤光器、激光频率梳和气体吸收池(gas absorption cell))组合使用。这些布置的目的是向系统提供明确限定的波长，并根据所提供的偏移来校正光谱仪的响应。
8.光谱传感器的校准是生产传感器的成本的不可忽略的部分。具体地，基于mems的光谱仪传感器的校准需要在所有操作点处测量各种光谱，并将驱动电压与透射波长的对应查找表记录到存储器中。虽然这在基本上实验室仪器的小批量生产的情况下不是重要问
题，但是它确实对诸如现在所期望的光谱传感器的大规模生产构成了障碍，例如，在这种传感器被极大地小型化以部署在诸如智能电话的消费电子设备中的情况下。
9.目前用于校准的光源(其中一些已经在上面标识)不太适合在大规模生产过程中使用。此外，它们不太适合于提供低成本且易于使用的校准解决方案，诸如在设备最终用户期望在典型的商业或家庭环境中校准或重新校准设备的光谱仪的情况下将需要的校准解决方案。例如，考虑结合有光谱仪的智能电话设备，该光谱仪诸如可以由设备使用以检测呈现给设备的材料的性质(例如，织物、塑料、金属等)。智能电话设备所有者可能需要在设备拆箱之后执行光谱仪的初始校准，或者可能需要执行重新校准以考虑自工厂校准以来发生的偏移。不能期望这样的用户能够使用激光光源或气体吸收池。


技术实现要素：

10.根据本发明的第一方面，提供了一种在光学组件的操作波长范围内校准该组件的驱动参数的方法。该方法包括将材料层放置在光路中，该材料层基本上是平面的和基本上是透明的，并且具有在所述范围内的波长量级的厚度，以及操作所述组件以改变所述驱动参数，同时检测透射通过所述材料层的光，以获得驱动参数与光强度数据。然后将所获得的数据与先前针对所述材料层导出的表征数据进行比较，以便校准所述驱动参数。
11.比较的步骤可以包括将所获得的数据的一个或多个特征与表征数据的一个或多个特征对准，以便校准驱动参数。
12.所述材料层的厚度可以在光学组件的操作波长范围的最大波长的1倍与20倍之间，优选地为1倍至10倍。材料可以是塑料。
13.校准所述驱动参数的步骤可以包括创建将驱动参数映射到波长的查找表。
14.光学组件可以是光谱仪，其中所述材料层插入在光源和光谱仪之间，该方法包括操作所述光谱仪以改变所述驱动参数，同时检测透射通过所述材料层的光，以获得驱动参数与光强度数据。该方法可以包括在光路中设置反射器，以将来自光源的光经由材料层反射到光谱仪。该方法还可以包括通过在不存在材料层的情况下操作光谱仪来获得系统响应，以及使用该响应来校正检测到的光或校准过程。获得系统响应的步骤可以包括检测来自所述光源或来自另一光源的光。
15.光学组件可以是可调谐光源，并且所述材料层可以设置在所述光谱仪和光源之间。
16.根据本发明的第二方面，提供了一种包括光学组件的设备，该光学组件可借助于驱动参数在操作波长范围内操作。该设备包括材料层，该材料层可移动地设置在光路中、基本上是平面的和基本上透明的、并且具有在所述范围内的波长量级的厚度。该设备被配置为操作所述组件以改变所述驱动参数，同时检测透射通过所述材料层的光，以获得驱动参数与光强度数据，以及将所获得的数据与先前针对所述材料层导出的表征数据进行比较，以便校准所述驱动参数。
17.光学组件可以是光谱仪，其中所述材料层可滑动地设置在所述光谱仪的前面。该设备可以包括光源，并且可以与用于将来自所述光源的光重定向到所述光谱仪的光反射器组合提供。
附图说明
18.图1示出了薄层材料的透光率；
19.图2示出了包括用于校准光源的光谱仪的设备和光源的系统；
20.图3是示出校准光谱仪的方法的流程图；
21.图4和图5示意性地示出了用于使用反射目标来校准光谱仪的系统；以及
22.图6示意性地示出了用于使用反射目标校准光谱仪并且考虑系统响应的系统。
具体实施方式
23.大规模生产的光谱仪(诸如用于消费产品的光谱仪)的引入产生了对低成本且易于使用的光谱仪校准过程的需求。理想地，过程的成本应构成光谱仪和设备的成本的一小部分，并且可由不熟练的用户执行。这里描述的过程和系统旨在满足这种需要。
24.根据至少某些实施例，这里提出了实施至少利用白光源和基本上透明的薄材料层的过程。光源可以是例如日光或常用的内部照明。薄材料层可以是塑料、玻璃、硅等，并且优选地是优选地是这样一种类型，其光学特性不会随着时间的推移(例如，氧化的结果)发生任何显著的改变，或者至少在待校准的光谱仪或使用该光谱仪的设备的预期寿命期间不会发生显著的改变。
25.薄层材料的厚度被选择为与待校准的光谱仪的操作范围内的波长相当。例如，在光谱仪具有1.3μm至2.15μm的操作波长范围的情况下，10μm的厚度可能是合适的。这将在层的上反射表面和下反射表面之间引起光的多次反射，这继而将在层内引起光的相长干涉和相消干涉。结果是，离开该层的光将包含在为板厚度的整数倍的波长处的强度峰。
26.图1示出了厚度d为10μm、折射率n为1.5、上表面反射率r和下表面反射率r为9的平面材料层所计算的透射率。这假设光在上表面上的入射角θ为0。每个连续透射对之间的相位差δ由下式给出：
[0027][0028]
板的透射率函数为：
[0029][0030]
这将产生具有谷和峰的明确限定的透射率函数(图1)，其可用于光谱仪的波长校准。虽然谷和峰可以单独用于校准光谱仪，例如通过在制造时移动安装在设备中的预填充(查找)校准表中的值)，但是由于已知的数学形式，所得到的(透射率)测量的所有点都可以用于校准过程，而不仅仅是顶峰/谷位置。
[0031]
图2示意性地示出了可以如何使用该技术。该系统包括提供感兴趣范围内的电磁波长的宽带光源1、准直系统2(本发明本身不是严格要求的，但是在该特定情况下是需要的)、薄层材料板3和待校准的光谱仪4。光谱仪可以形成诸如智能电话的设备5的一部分。如果光谱仪是基于mems的法布里-珀罗光谱仪，则需要准确地驱动控制电压，该控制电压继而建立要测量的信号波长。根据光谱仪4的操作波长范围来限定和选择板3的厚度。
[0032]
该板(或基本相同的板)先前已经被表征，使得其透射率特性是已知的(即，将获得诸如图1所示的轮廓)。特性被预先存储在设备6的存储器7中(可能在设备的制造期间被安
装，或者在稍后阶段被下载)。一旦光谱仪执行其扫描，透射率曲线就被再现为所获取的光谱。由于穿过板的光的行为是公知的，因此在数学上建立了正确的响应。换句话说，整个光谱的正确位置是已知的(根据预先存储的数据)。然后可以例如通过存储到存储器7的电压-波长查找表将控制电压范围映射到波长范围。设备6包括用于执行校准过程(使用例如存储在存储器7中的代码)的处理器8。在替代布置中，光谱仪被预校准(使用薄板)，并且查找表被计算并存储在存储器7中。
[0033]
图3是示出该方法的流程图，并且包括：
[0034]
s100.在光源和光谱仪之间插入材料层。
[0035]
s200.操作光谱仪以在操作范围内改变驱动参数，例如控制电压。
[0036]
s300.检测透射光。
[0037]
s400.访问材料层的表征数据，以识别在材料层的透射率特性中的一个或多个波长处预期的一个或多个特征。
[0038]
s500.识别所述驱动参数与光强度数据中的所述一个或多个特征，以及校准所述驱动参数。
[0039]
可以使用上述方法校准的光谱仪包括用于食品分析、颜色感测、红外感测、生物医学传感器、光谱感测、伪造、化妆品分析、药物分析、过程控制、厚度测量、高温测温、led测量、反应分析、荧光分析等的传感器。
[0040]
虽然上述方法是在(微型)光谱仪的背景下，但是它可以用于校准任何适当的光检测器。它还可以用于校准可调谐光源(例如uv、可见或红外)。
[0041]
这里描述的方法可以更快、更便宜并且至少与先前已知的方法一样精确。不需要特殊的光源，不使用参考信号，并且不需要外来材料。所实现的波长响应是非常稳定的——只有材料厚度和折射率的变化才会引起偏移。这些可以极低。温度稳定性也可以是良好的(仅折射率随温度变化，热膨胀产生的尺寸变化可忽略不计)。在光谱仪结合到智能手机或其他消费者设备中的情况下，该设备可以与一小层合适的材料(例如塑料)一起提供。可以在设备的初始设置期间执行校准。该材料层甚至可以结合到设备盒中，或者可以在传感器上方提供，并附有在校准完成之后将其剥离的指令。
[0042]
当然，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。例如，图4示出了包括集成光源10和光谱仪(光电检测器)11的设备。在这种情况下，材料层12可滑动地设置在设备上以覆盖和露出光谱仪。提供反射目标13，例如作为与设备分离的组件，用于设置在光学组件的前面以将来自光源的光重定向到光谱仪。反射目标13可以是例如白色反射材料层。虽然图4示出了从光谱仪前面滑出(例如正常操作位置)的材料层12，但是图5示出了为了校准光谱仪而滑到光谱仪前面的材料层12。材料层12可以通过一些机电系统的手动操作来滑动。
[0043]
图6示出了另一替代布置，其中除了光谱仪20之外，该设备还包括一对光源21和22。只有一个光源22具有以非滑动配置设置在其上的薄材料层23。在该设备中，光源21用于获得光谱仪20的系统响应。然后使用第二光源22获得响应，其中材料层23设置在光路中。系统响应可以用于校正使用第二光源22获得的数据。