CN116678497B - 一种光谱仪自动校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光谱仪自动校准装置及方法，涉及光谱仪技术领域，包括：光束入射至准直器后，根据指定入射角控制入射角旋转电机的动作，使光束以指定入射角从准直器入射至光栅；通过控制光栅旋转电机的动作使光栅对入射的光束进行分光；根据指定出射角控制出射角旋转电机按照的动作，使分光后的光束以指定出射角入射至成像器，并在指定成像距离下得到光源光谱；将光源光谱与校准光谱进行比较，根据比较结果反馈控制驱动器的动作。提高调节准确性，降低人为干预，实现自动化的校准。

Description

一种光谱仪自动校准装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱仪技术领域，特别是涉及一种光谱仪自动校准装置及方法。

背景技术

光谱仪是一种用于测量光频谱分布的仪器，广泛应用于光学研究、光谱分析、天文学、光纤通信、光谱成像、光谱医学、光谱传感、材料分析、环境监测、食品安全、药物研发等领域。通过测量样品吸收、发射或散射光的频谱，可以获得样品的成分、结构和性质信息；可以帮助深入理解光的性质，研究光与物质相互作用的机制；通过分析星体的光谱，可以确定其组成、温度、速度、距离等信息；可以对光信号进行频谱分析，帮助优化光纤通信系统的性能和可靠性；光谱仪结合成像技术可以进行光谱成像，即在每个像素点上获取完整的光谱信息，通过测量组织或血液中的光谱特征，可以实现早期癌症检测、血红蛋白浓度测量等。

为确保光谱仪的准确性和可靠性，定期进行校准测试是必要的。传统的光谱仪校准测试通常需要人工干预，需要耗费大量的时间和精力，而且结果容易受到操作者技术水平的影响，需要复杂的操作流程和专业知识，对用户的要求较高，且操作人员需要具备充分的培训和经验，才能正确进行校准。

再者，光谱仪的性能随着时间和使用条件的变化而发生漂移，传统校准方法往往不能实时追踪和校正这种漂移，导致校准结果的不稳定性和不准确性。

综上所述，现有光谱仪校准方法存在复杂性高、时间和人力成本大、可变性问题、灵活性和适应性不足等缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种光谱仪自动校准装置及方法，通过指定波长范围确定入射角和出射角，然后将调节的角度转换为电机的运动距离，从而提高调节准确性，降低人为干预，实现自动化的校准。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种光谱仪自动校准装置，包括：发光器、准直器、入射角旋转平台、光栅、光栅旋转座、出射角旋转平台、成像器、驱动器和控制器；

所述发光器用于产生指定波长范围的光束，并入射至准直器；

所述准直器与入射角旋转平台连接，入射角旋转平台在驱动器的带动下转动，以使光束以指定入射角从准直器入射至光栅；

所述光栅设于光栅旋转座上，光栅旋转座在驱动器的带动下转动，以对入射的光束进行分光；

所述出射角旋转平台与入射角旋转平台连接，出射角旋转平台在驱动器的带动下转动，以使分光后的光束以指定出射角入射至成像器；

所述成像器用于在指定成像距离下接收出射的光束并成像；

所述控制器与成像器连接，用于根据成像后得到的光源光谱与校准光谱进行比较，并根据比较结果反馈控制驱动器的动作。

作为可选择的实施方式，所述发光器包括光源、光阑、光纤和波分复用器；所述光源发出的光束通过光阑上的扇形通光区域进入光纤，进入光纤的光通过波分复用器进入准直器。

作为可选择的实施方式，所述准直器通过准直器固定架固定连接在入射角旋转平台上，入射角旋转平台与光栅旋转座不接触，入射角旋转平台通过固定杆连接出射角旋转平台，出射角旋转平台带动入射角旋转平台一起旋转，但准直器不会随出射角旋转平台旋转，入射角旋转平台只能通过准直器固定架带动准直器旋转。

作为可选择的实施方式，根据指定波长范围得到指定入射角，所述指定入射角为中心波长的入射角，具体地：根据指定波长范围中最大波长和最小波长得到中心波长，且中心波长的入射角与中心波长的出射角相等；由此，通过中心波长和光栅常数得到中心波长的入射角：/>；其中，d为光栅常数，m为衍射级数，/>为中心波长。

作为可选择的实施方式，根据指定波长范围得到指定出射角，具体地：

其中，为最大波长的出射角，/>为最小波长的出射角，d为光栅常数，m为衍射级数，/>为最大波长，/>为最小波长，/>为指定入射角。

作为可选择的实施方式，所述驱动器包括用于带动入射角旋转平台转动的入射角旋转电机、用于带动出射角旋转平台转动的出射角旋转电机以及用于带动光栅旋转座转动的光栅旋转电机。

作为可选择的实施方式，根据指定入射角得到入射角旋转电机的运动距离，通过控制入射角旋转电机按照/>进行动作，从而带动入射角旋转平台转动；

其中，入射角旋转电机的运动距离为：/>，/>为指定入射角，/>为入射角旋转平台的旋转半径。

作为可选择的实施方式，根据指定出射角得到出射角旋转电机的运动距离，通过控制出射角旋转电机按照/>进行动作，从而带动出射角旋转平台转动；

其中，出射角旋转电机的运动距离为：/>；/>为指定出射角，/>为出射角旋转平台的旋转半径。

作为可选择的实施方式，所述成像器包括聚焦透镜、聚焦透镜固定架、X轴位移平台、X轴位移电机、探测器、探测器旋转平台、XYZ轴位移平台、X轴电机、Y轴电机和Z轴电机；

所述聚焦透镜用于接收以指定出射角入射的分光后的光束，聚焦透镜通过聚焦透镜固定架固定在X轴位移平台，X轴位移平台在X轴位移电机的驱动下进行移动；

所述探测器设于探测器旋转平台上，在探测器旋转平台的驱动下转动；所述探测器旋转平台设于XYZ轴位移平台上，在X轴电机、Y轴电机和Z轴电机的驱动下，通过探测器旋转平台带动探测器沿X轴、Y轴或Z轴移动；

从而调节聚焦透镜和探测器的距离，以在探测器上进行成像，得到光源光谱。

作为可选择的实施方式，调节聚焦透镜和探测器的距离的过程包括：

根据指定波长、最大波长的出射角/>、最小波长的出射角/>和聚焦透镜焦距/>得到成像探测器相机像元长度/>：

对成像探测器相机像元长度和实际探测器相机像元长度/>做差：

其中，是差值；

以最小为调节目标来调节聚焦透镜焦距，根据最终确定的聚焦透镜焦距确定最终的成像探测器相机像元长度，从而调节聚焦透镜和探测器的位置。

作为可选择的实施方式，光源光谱与校准光谱比较的过程包括：若光源光谱与校准光谱中同样波长的光出现在探测器的同一像素上，则表示二者一致，光谱仪无偏移误差；否则不一致，光谱仪出现偏移误差，且漂移误差超出误差允许范围时，判断驱动器是否运动到指定距离，由此继续进行调节校准，直至漂移误差满足误差允许范围。

第二方面，本发明提供一种光谱仪自动校准方法，采用第一方面所述的光谱仪自动校准装置，包括：

产生的光束入射至准直器后，根据指定入射角得到入射角旋转电机的运动距离，从而通过控制入射角旋转电机的动作，带动入射角旋转平台转动，使光束以指定入射角从准直器入射至光栅；

通过控制光栅旋转电机的动作带动光栅旋转座转动，使光栅对入射的光束进行分光；

根据指定出射角得到出射角旋转电机的运动距离，从而通过控制出射角旋转电机的动作，带动出射角旋转平台转动，使分光后的光束以指定出射角入射至成像器，并在指定成像距离下得到光源光谱；

将光源光谱与校准光谱进行比较，根据比较结果反馈控制驱动器的动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

传统的光谱仪校准方法需要校准光源的参数，如波长、强度和位置，以及光谱仪的相关参数才能实现准确的校准。而本发明不同于其他需要复杂操作的校准方法，通过指定波长确定入射角和出射角，然后将调节的角度转换为电机的运动距离，从而提高调节准确性，降低人为干预，实现自动化的校准。

由于光谱仪的性能随着时间和使用条件的变化而发生漂移，传统校准方法不能实时追踪和校正漂移，导致校准结果的不稳定性和不准确性。本发明通过电机的反馈来判断光谱仪的漂移，实时监测光谱仪的漂移和偏差，并在漂移超出误差允许范围之后自动进行调整，保证光谱仪时刻处于最佳工作状态。

本发明提出一种光谱仪自动校准装置及方法，实现快速、连续的校准过程，实时监测光谱仪的漂移和偏差，并根据预设的标准进行校正，通过实时追踪和校正，可以保持光谱仪的稳定性和准确性，提高长期稳定性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的光谱仪自动校准装置主视图；

图2为本发明实施例1提供的光谱仪自动校准装置立体图；

图3为本发明实施例1提供的光阑示意图；

图4为本发明实施例1提供的入射角旋转电机的运动距离示意图；

图5为本发明实施例1提供的出射角旋转电机的运动距离示意图；

图6为本发明实施例1提供的聚焦透镜与光栅和探测器间距离的示意图；

其中，1、准直器，2、准直器固定架，3、入射角旋转电机，4、入射角旋转平台，5、光栅旋转电机，6、聚焦透镜，7、聚焦透镜固定架，8、CCD探测器，9、探测器旋转平台，10、Z轴电机，11、X轴电机，12、XYZ轴位移平台，13、Y轴电机，14、X轴位移电机，15、X轴位移平台，16、出射角旋转电机，17、出射角旋转平台，18、光栅旋转座，19、固定杆，20、光阑，21、控制电机，22、波分复用器，23、光栅。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种光谱仪自动校准装置，包括：发光器、准直器、入射角旋转平台、光栅、光栅旋转座、出射角旋转平台、成像器、驱动器和控制器；

所述发光器用于产生指定波长范围的光束，并入射至准直器；

所述准直器与入射角旋转平台连接，入射角旋转平台在驱动器的带动下转动，以使光束以指定入射角从准直器入射至光栅；

所述光栅设于光栅旋转座上，光栅旋转座在驱动器的带动下转动，以对入射的光束进行分光；

所述出射角旋转平台与入射角旋转平台连接，出射角旋转平台在驱动器的带动下转动，以使分光后的光束以指定出射角入射至成像器；

所述成像器用于在指定成像距离下接收出射的光束并成像；

所述控制器与成像器连接，用于根据成像后得到的光源光谱与校准光谱进行比较，并根据比较结果反馈控制驱动器的动作。

如图1-图2所示，在本实施例中，所述发光器包括光源、光阑20、光纤、控制电机21和波分复用器22；

其中，所述光源包括用于给定波长范围的光源和校准灯的校准光源，通过控制电机21来选择光源；

所述光阑20如图3所示，具有限制光束通过的作用，光源发出的光束通过光阑20上的扇形通光区域进入光纤；然后进入光纤的光通过波分复用器22，将来自两根不同光纤的光合为一束后，进入准直器1。

作为可选择的一种实施方式，所述准直器1采用反射式准直器。

在本实施例中，所述准直器1通过准直器固定架2固定连接在入射角旋转平台4上，且入射角旋转平台4与光栅旋转座18互不接触，入射角旋转平台4通过固定杆19连接出射角旋转平台17，出射角旋转平台17可带动入射角旋转平台4一起旋转，但准直器1不会随出射角旋转平台17旋转，入射角旋转平台4只能通过准直器固定架2带动准直器1旋转。

在本实施例中，所述驱动器包括用于带动入射角旋转平台4转动的入射角旋转电机3、用于带动出射角旋转平台17转动的出射角旋转电机16、用于带动光栅旋转座18转动的光栅旋转电机5。

在本实施例中，光束入射至准直器后，根据指定波长范围[,/>]得到指定入射角/>和指定出射角/>；

所述指定入射角为中心波长的入射角/>，具体地：

其中，d为光栅常数；m为衍射级数，取±1；n为光栅刻线数，为指定的固定值；为中心波长，/>为最大波长，/>为最小波长；/>为中心波长的出射角。

所述指定出射角为：

其中，为最大波长的出射角，/>为最小波长的出射角。

在本实施例，光束通过准直器1以指定入射角进入光栅23后，通过光栅旋转电机5带动光栅旋转座18的转动，从而将通过光栅的光束分为不同波长的光。

如图4所示，根据指定入射角得到入射角旋转电机的运动距离/>，通过控制入射角旋转电机按照/>进行动作，从而带动入射角旋转平台转动，最终使光束以指定入射角从准直器入射至光栅；

具体地：

；

；

其中，为光束的入射角；/>为入射角旋转平台的旋转半径。

如图5所示，根据指定出射角得到出射角旋转电机的运动距离/>，通过控制出射角旋转电机按照/>进行动作，从而带动出射角旋转平台转动，最终使分光后的光束以指定出射角入射至成像器；

具体地：

；

；

其中，为分光后的光束的出射角；/>为出射角旋转平台的旋转半径。

在本实施例中，所述成像器包括聚焦透镜6、聚焦透镜固定架7、X轴位移平台15、X轴位移电机14、CCD探测器8、探测器旋转平台9、XYZ轴位移平台12、X轴电机11、Y轴电机13和Z轴电机10；

所述聚焦透镜6用于接收以指定出射角入射的分光后的光束，聚焦透镜6通过聚焦透镜固定架7固定在X轴位移平台15，X轴位移平台15在X轴位移电机14的驱动下进行移动；

所述CCD探测器8设于探测器旋转平台9上，在探测器旋转平台9的驱动下转动；

所述探测器旋转平台9设于XYZ轴位移平台12上，在X轴电机11、Y轴电机13和Z轴电机10的驱动下，通过探测器旋转平台9带动CCD探测器8沿X轴、Y轴或Z轴移动；

通过上述结构调节聚焦透镜6和CCD探测器8的距离L_imag，保证聚焦透镜6具有正确的工作距离和正确的成像距离；如图6所示，其中，L_cf为聚焦透镜6和光栅的距离；最终在CCD探测器8上进行成像，从而得到光源光谱。

在本实施例中，调节聚焦透镜6和CCD探测器8的距离的过程包括：

根据指定波长、最大波长的出射角/>、最小波长的出射角/>和聚焦透镜焦距/>计算得到成像探测器相机像元长度/>：

然后，对成像探测器相机像元长度和实际探测器相机像元长度/>做差：

其中，是成像探测器相机像元长度与实际探测器相机像元长度的差；

以最小为调节目标，通过调节聚焦透镜焦距/>来寻找最小的/>，最终实现成像靶面积的最优解；

最后，根据确定的聚焦透镜焦距确定最终的成像探测器相机像元长度/>，以及结合/>，调节聚焦透镜6和CCD探测器8的位置。

在本实施例中，完成给定波长范围的光源的光谱成像后，通过控制电机关闭光阑从而阻挡来自光源的光，同时控制电机打开另一个光阑，选择入射校准光源的校准光束，由CCD探测器探测得到校准光源的校准光谱。

将光源光谱与校准光谱进行比较，若光源光谱与校准光谱中同样波长的光出现在CCD探测器的同一像素上，（误差允许±2个像素），则表示二者一致，光谱仪无偏移误差；否则不一致，光谱仪出现偏移误差，且漂移误差超出误差允许范围时，判断驱动器是否运动到指定距离，由此继续进行调节校准，直至漂移误差满足误差允许范围。

实施例2

本实施例提供一种光谱仪自动校准方法，采用实施例1所述的光谱仪自动校准装置，包括：

产生的光束入射至准直器后，根据指定入射角得到入射角旋转电机的运动距离，从而通过控制入射角旋转电机的动作，带动入射角旋转平台转动，使光束以指定入射角从准直器入射至光栅；

通过控制光栅旋转电机的动作带动光栅旋转座转动，使光栅对入射的光束进行分光；

根据指定出射角得到出射角旋转电机的运动距离，从而通过控制出射角旋转电机的动作，带动出射角旋转平台转动，使分光后的光束以指定出射角入射至成像器，并在指定成像距离下得到光源光谱；

将光源光谱与校准光谱进行比较，根据比较结果反馈控制驱动器的动作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种光谱仪自动校准装置，其特征在于，包括：发光器、准直器、入射角旋转平台、光栅、光栅旋转座、出射角旋转平台、成像器、驱动器和控制器；

所述发光器用于产生指定波长范围的光束，并入射至准直器；所述发光器包括光源、光阑、光纤和波分复用器；所述光源发出的光束通过光阑上的扇形通光区域进入光纤，进入光纤的光通过波分复用器进入准直器；

所述准直器与入射角旋转平台连接，入射角旋转平台在驱动器的带动下转动，以使光束以指定入射角从准直器入射至光栅；

所述光栅设于光栅旋转座上，光栅旋转座在驱动器的带动下转动，以对入射的光束进行分光；

所述出射角旋转平台与入射角旋转平台连接，出射角旋转平台在驱动器的带动下转动，以使分光后的光束以指定出射角入射至成像器；

所述成像器用于在指定成像距离下接收出射的光束并成像；

所述成像器包括聚焦透镜、聚焦透镜固定架、X轴位移平台、X轴位移电机、探测器、探测器旋转平台、XYZ轴位移平台、X轴电机、Y轴电机和Z轴电机；

所述聚焦透镜用于接收以指定出射角入射的分光后的光束，聚焦透镜通过聚焦透镜固定架固定在X轴位移平台，X轴位移平台在X轴位移电机的驱动下进行移动；

所述探测器设于探测器旋转平台上，在探测器旋转平台的驱动下转动；所述探测器旋转平台设于XYZ轴位移平台上，在X轴电机、Y轴电机和Z轴电机的驱动下，通过探测器旋转平台带动探测器沿X轴、Y轴或Z轴移动；

从而调节聚焦透镜和探测器的距离，以在探测器上进行成像，得到光源光谱；所述调节聚焦透镜和探测器的距离的过程包括：

根据指定入射角、最大波长的出射角/>、最小波长的出射角/>和聚焦透镜焦距/>得到成像探测器相机像元长度/>：

对成像探测器相机像元长度和实际探测器相机像元长度/>做差：

其中，是差值；

以最小为调节目标来调节聚焦透镜焦距，根据最终确定的聚焦透镜焦距确定最终的成像探测器相机像元长度，从而调节聚焦透镜和探测器的位置；

所述控制器与成像器连接，用于根据成像后得到的光源光谱与校准光谱进行比较，并根据比较结果反馈控制驱动器的动作。

2.如权利要求1所述的一种光谱仪自动校准装置，其特征在于，所述准直器通过准直器固定架固定连接在入射角旋转平台上，入射角旋转平台与光栅旋转座不接触，入射角旋转平台通过固定杆连接出射角旋转平台，出射角旋转平台带动入射角旋转平台一起旋转，但准直器不会随出射角旋转平台旋转，入射角旋转平台只能通过准直器固定架带动准直器旋转。

3.如权利要求1所述的一种光谱仪自动校准装置，其特征在于，根据指定波长范围得到指定入射角，所述指定入射角为中心波长的入射角，具体地：根据指定波长范围中最大波长和最小波长得到中心波长，且中心波长的入射角与中心波长的出射角相等；由此，通过中心波长和光栅常数得到中心波长的入射角：/>；其中，d为光栅常数，m为衍射级数，/>为中心波长。

4.如权利要求1所述的一种光谱仪自动校准装置，其特征在于，根据指定波长范围得到指定出射角，具体地：

其中，为最大波长的出射角，/>为最小波长的出射角，d为光栅常数，m为衍射级数，/>为最大波长，/>为最小波长，/>为指定入射角。

5.如权利要求1所述的一种光谱仪自动校准装置，其特征在于，所述驱动器包括用于带动入射角旋转平台转动的入射角旋转电机、用于带动出射角旋转平台转动的出射角旋转电机以及用于带动光栅旋转座转动的光栅旋转电机。

6.如权利要求5所述的一种光谱仪自动校准装置，其特征在于，

根据指定入射角得到入射角旋转电机的运动距离，通过控制入射角旋转电机按照/>进行动作，从而带动入射角旋转平台转动；

其中，入射角旋转电机的运动距离为：/>，/>为指定入射角，/>为入射角旋转平台的旋转半径；

根据指定出射角得到出射角旋转电机的运动距离，通过控制出射角旋转电机按照/>进行动作，从而带动出射角旋转平台转动；

其中，出射角旋转电机的运动距离为：/>，/>为指定出射角，/>为出射角旋转平台的旋转半径。

7.如权利要求1所述的一种光谱仪自动校准装置，其特征在于，光源光谱与校准光谱比较的过程包括：若光源光谱与校准光谱中同样波长的光出现在探测器的同一像素上，则表示二者一致，光谱仪无偏移误差；否则不一致，光谱仪出现偏移误差，且漂移误差超出误差允许范围时，判断驱动器是否运动到指定距离，由此继续进行调节校准，直至漂移误差满足误差允许范围。

8.一种光谱仪自动校准方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的光谱仪自动校准装置，包括：

产生的光束入射至准直器后，根据指定入射角得到入射角旋转电机的运动距离，从而通过控制入射角旋转电机的动作，带动入射角旋转平台转动，使光束以指定入射角从准直器入射至光栅；

通过控制光栅旋转电机的动作带动光栅旋转座转动，使光栅对入射的光束进行分光；

根据指定出射角得到出射角旋转电机的运动距离，从而通过控制出射角旋转电机的动作，带动出射角旋转平台转动，使分光后的光束以指定出射角入射至成像器，并在指定成像距离下得到光源光谱；

将光源光谱与校准光谱进行比较，根据比较结果反馈控制驱动器的动作。