光栅光谱仪的波长校准方法

摘要

提供了一种光栅光谱仪的波长校准方法，包括：通过旋转可旋转光栅将校准光源的多个特征峰分别移动到探测器的中心位置，确定可旋转光栅的光栅转角与中心波长之间的函数关系；以及通过分析多个中心波长下获取的多幅光谱图，确定以下用于在中心波长确定时计算在探测器的成像范围内的每个像素处的对应波长的物理模型中的参数#imgabs0#、f、a、b、c，#imgabs1#其中，#imgabs2#为通过所述函数关系确定的与中心波长对应的光栅转角，#imgabs3#为光谱仪的内置角，f为光谱仪的焦距，m为光栅衍射级次，N为光栅刻线数（单位为line/mm），且nx为相应像素与中心像素之间的距离。

权利要求

1.一种用于光谱仪的波长校准方法，所述光谱仪包括可旋转光栅，所述方法包括：通过旋转所述可旋转光栅将校准光源的多个特征峰分别移动到所述光谱仪的探测器的中心位置，确定所述可旋转光栅的光栅转角与中心波长之间的函数关系；以及通过分析多个中心波长下获取的多幅光谱图，确定以下物理模型中的参数  、f、a、b、c，所述物理模型用于在所述中心波长确定时计算在所述探测器的成像范围内的每个像素处的对应波长， 其中，为通过所述函数关系确定的与所述中心波长对应的所述光栅转角，为所述光谱仪的内置角，f为所述光谱仪的焦距，m为光栅衍射级次，N为单位为line/mm的光栅刻线数，nx为相应像素与中心像素之间的距离，并且a、b、c为距离优化参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述可旋转光栅的光栅转角与中心波长之间的函数关系包括：将所述可旋转光栅旋转不同角度，以将所述校准光源的相应特征峰移动到所述探测器的中心位置；

获取相应中心波长以及用于将所述相应特征峰移动到所述探测器的中心位置的相应光栅转角；以及通过所获取的多组中心波长和光栅转角，基于以下线性函数进行拟合以确定参数k、s，其中，为相应中心波长并且 为用于将所述相应特征峰移动到所述探测器的中心位置的相应光栅转角。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过最小二乘法进行所述拟合。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述物理模型中的参数 、f、a、b、c包括：通过所述可旋转光栅将所述校准光源的多个特征峰分别移动到所述探测器的中心位置并且分别采集其光谱图；

通过相应中心波长利用所述函数关系来确定相应光栅转角 ；

获取每幅光谱图中的多个特征峰的波长值 及其像素位置nx；以及通过所获取的相应光栅转角 ，多个特征峰的波长值 及其像素位置nx，基于所述物理模型进行拟合以获得所述参数 、f、a、b、c。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过最小二乘法进行所述拟合。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过步进电机来旋转所述可旋转光栅。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准光源包括发射线谱的光源。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述光源包括汞灯，氖灯，氪灯中的任一种。

9.一种用于光谱仪的波长校准的装置，包括：

存储器，所述存储器存储有计算机程序；以及

处理器，所述处理器耦合至所述存储器，当所述计算机程序由所述处理器执行时，所述处理器被配置为执行根据权利要求1‑8中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，在其上存储有程序代码，当所述程序代码由处理器执行时，使得所述处理器执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法。

说明书

光栅光谱仪的波长校准方法

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及光谱仪技术领域，更具体而言涉及一种包括可旋转光栅的光谱仪的波长校准方法。

背景技术

[0002] 光谱仪是进行光谱研究和物质的光谱分析的仪器，它的基本作用是测量被研究光的光谱组成，包括它的波长、强度与轮廓等。光谱仪通常由光源和照明系统、准直系统、色散系统、成像系统以及信号收集系统组成。对光谱仪来说，通过色散元件（例如，可旋转光栅）将复合光分散成谱带，并且投射到CCD探测器上。因此，在利用光谱仪测量未知的光谱信息之前，需要提前对光谱仪进行波长校准。

[0003] 光谱仪的波长校准需要利用校准光源，这些校准光源发射的光谱为线谱，并且它的特征峰的波长为已知，采集CCD探测器上的光谱，标记已知的特征峰，利用这些特征峰建立适当的物理模型，进而能够根据该物理模型计算出任意像素位置的波长值。对于光栅可旋转光谱仪来说，光栅每旋转一个角度，CCD探测器上探测到的光谱发生变化，因此所建立的物理模型需要适应不同的角度。光谱仪的波长校准的精确度依赖于校准光源的特征峰的数量以及光谱仪的波长校准物理模型的精确度。在校准光源的特征峰一定的情况下，需要建立更精确的波长校准物理模型。

发明内容

[0004] 根据本公开的实施例，提供了一种用于光谱仪的波长校准方法，所述光谱仪包括可旋转光栅，所述方法包括：通过旋转所述可旋转光栅将校准光源的多个特征峰分别移动到所述光谱仪的探测器的中心位置，确定所述可旋转光栅的光栅转角与中心波长之间的函数关系；以及通过分析多个中心波长下获取的多幅光谱图，确定以下物理模型中的参数 、f、a、b、c，所述物理模型用于在所述中心波长确定时计算在所述探测器的成像范围内的每个像素处的对应波长，

[0005]

[0006] 其中，为通过所述函数关系确定的与所述中心波长对应的所述光栅转角，为所述光谱仪的内置角，f为所述光谱仪的焦距，m为光栅衍射级次，N为光栅刻线数（单位为line/mm），nx为相应像素与中心像素之间的距离，并且a、b、c为距离优化参数。

[0007] 在一些实施例中，确定所述可旋转光栅的光栅转角与中心波长之间的函数关系包括：将所述可旋转光栅旋转不同角度，以将所述校准光源的相应特征峰移动到所述探测器的中心位置；获取相应中心波长以及用于将所述相应特征峰移动到所述探测器的中心位置的相应光栅转角；以及通过所获取的多组中心波长和光栅转角，基于以下线性函数进行拟合以获得参数k、s的值，

[0008]

[0009] 其中，为相应中心波长并且 为用于将所述相应特征峰移动到所述探测器的中心位置的相应光栅转角。

[0010] 在一些实施例中，通过最小二乘法进行所述拟合。

[0011] 在一些实施例中，确定所述物理模型中的参数 、f、a、b、c包括：通过所述可旋转光栅将所述校准光源的多个特征峰分别移动到所述探测器的中心位置并且分别采集其光谱图；通过相应中心波长利用所述函数关系来确定相应光栅转角 ；获取每幅光谱图中的多个特征峰的波长值 及其像素位置nx；以及通过所获取的相应光栅转角 ，多个特征峰的波长值 及其像素位置nx，基于所述物理模型进行拟合以获得所述参数 、f、a、b、c。

[0012] 在一些实施例中，通过最小二乘法进行所述拟合。

[0013] 在一些实施例中，通过步进电机来旋转所述可旋转光栅。

[0014] 在一些实施例中，所述校准光源包括发射线谱的光源。

[0015] 在一些实施例中，所述光源包括汞灯，氖灯，氪灯中的任一种。

[0016] 根据本公开的实施例，提供了一种用于光谱仪的波长校准的装置，包括：存储器，所述存储器存储有计算机程序；以及处理器，所述处理器耦合至所述存储器，当所述计算机程序由所述处理器执行时，所述处理器被配置为执行根据本发明所述的方法。

[0017] 根据本公开的实施例，提供了一种计算机可读存储介质，在其上存储有程序代码，当所述程序代码由处理器执行时，使得所述处理器执行根据本发明所述的方法。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本公开中的技术方案，下面将对本公开一些实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例的附图，对于本领域技术人员来说，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，以下描述中的附图可以视作示意图，并非对本公开实施例所涉及的产品的实际尺寸、方法的实际流程、信号的实际时序等的限制。

[0019] 图1示出了根据本公开实施例的具有可旋转光栅的光谱仪的光路原理图。

[0020] 图2示出了根据本公开实施例的用于光谱仪的波长校准方法的流程图。

[0021] 图3示出了根据本公开实施例的光栅转角与中心波长的关系示意图。

[0022] 图4示出了根据本公开实施例的用作校准光源的氖灯的主要特征谱线及波长值。

[0023] 图5示出了根据本公开实施例的探测器平面倾斜的影响示意图。

[0024] 图6示出了根据本公开另一实施例的用于光谱仪的波长校准方法的流程图。

[0025] 图7示出了根据本公开实施例的色散校准过程中的光谱寻峰示意图。

[0026] 将参考附图描述本公开。

具体实施方式

[0027] 现在将参考示例实施例讨论本公开描述的主题。应该理解，讨论这些实施例只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本公开描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本公开的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。例如，所描述的方法可以按照与所描述的顺序不同的顺序来执行，以及各个步骤可以被添加、省略或者组合。另外，相对一些示例所描述的特征在其它示例中也可以进行组合。

[0028] 要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定的特征、结构或特性。此外，这样的措辞用语未必是指相同的实施例。另外，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其它实施例实现此类特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围之内。

[0029] 通常，可以至少部分地由使用的语境来理解术语。例如，至少部分地根据语境，文中采用的词语“一个或多个”可以用于从单数的意义上描述任何特征、结构或特性，或者可以用于从复数的意义上描述特征、结构或特性的组合。类似地，还可以将诸如“一”、“一个”或“该”的词语理解为传达单数用法或者传达复数用法，其至少部分地取决于语境。此外，可以将词语“基于”理解为未必意在传达排他的一组因素，相反可以允许存在其他的未必明确表述的因素，其还是至少部分地取决于语境。

[0030] 现在将结合附图来描述根据本公开的用于光谱仪的波长校准方法的实施例。

[0031] 图1示出了根据本公开实施例的具有可旋转光栅G的光谱仪100的光路原理图。如图1中所示，光从入射狭缝ES进入光谱仪100，被反射镜M1准直后成为平行光，再入射到反射光栅G上，光栅G对光有色散作用，部分光被反射镜M2反射并且汇聚到探测器D上。

[0032] 光谱仪100中的光栅G是可旋转的，光栅G旋转到不同角度可以采集不同范围的光谱。如图1中所示，光栅 G由水平位置旋转一角度 至当前位置，N为光栅G当前位置的法向方向，、分别为入射角和衍射角，为光谱仪的内置角，内置角 与光栅转角 可以由如下公式计算得出，

[0033]                                   （1）

[0034]              （2）。

[0035] 在图1所示的光谱仪中，汇聚在探测器D中心位置处的是中心波长，由光栅的原理可知，在光栅G旋转过程中，探测器D中心位置处的中心波长的波长值 也发生变化。在确定的中心波长 下，探测器D（包含n个像素）能够采集到包括中心波长 在内的一段光谱，行方向上的每个像素对应的波长 都会不同。

[0036] 为了能够利用图1中所示的光谱仪100测量未知的光谱信息，需要提前对光谱仪100进行波长校准。也就是说，需要精确建立在中心波长确定时能够计算在探测器的成像范围内的每个像素处的对应波长的物理模型。

[0037] 为此，需要利用校准光源对具有可旋转光栅的光谱仪进行波长校准。光栅光谱仪的波长校准通常包括两个主要步骤：中心波长校准和色散校准，其基本原理都是利用校准光源已知的特征峰的波长信息。

[0038] 图2示出了根据本公开实施例的用于光谱仪的波长校准方法200的流程图。应当理解，方法200中所示的操作并不具有排他性，可以在所示操作中的任何操作之前、之后或之间执行其他操作。

[0039] 参考图2，方法200开始于操作210，在该操作中，通过旋转可旋转光栅将校准光源的多个特征峰分别移动到光谱仪的探测器的中心位置，确定所述可旋转光栅的光栅转角与中心波长之间的函数关系。

[0040] 操作210执行的是波长校准方法200的中心波长校准，也就是确定如图1中所示的光谱仪100的可旋转光栅G的光栅转角 与中心波长 之间的函数关系。如图3中所示，光栅转角 正弦值与中心波长 具有线性函数关系。

[0041] 在一个实施例中，确定光谱仪的可旋转光栅G的光栅转角 与中心波长 之间的函数关系可以包括：将可旋转光栅G旋转不同角度，以将校准光源的相应特征峰移动到探测器D的中心位置；获取相应中心波长 以及用于将相应特征峰移动到探测器D的中心位置的相应光栅转角 ；以及通过所获取的多组中心波长 和光栅转角 ，基于以下线性函数进行拟合以获得参数k、s的值，

[0042]                                （3）。

[0043] 在一个实施例中，可以通过例如最小二乘法进行所述拟合，以使得参数k、s偏差最小。在一个实施例中，可以例如通过步进电机来旋转可旋转光栅G。

[0044] 为了精确确定光谱仪的可旋转光栅G的光栅转角 与中心波长 之间的函数关系，在光谱仪的CCD探测器的摄谱范围内，校准光源的特征峰的数量应尽可能多并且分布尽可能均匀。在一个实施例中，校准光源可以包括发射线谱的光源，例如，汞灯，氖灯，氪灯中的任一种。图4示出了根据本公开实施例的可以用作校准光源的氖灯的主要特征谱线及波长值。

[0045] 接下来方法200进行至操作220，在该操作中，在中心波长确定时根据以下物理模型计算在探测器的成像范围内的每个像素处的对应波长，

[0046]           （4）

[0047] 其中， 为将确定的中心波长代入线性函数（3）得到的光栅转角，为光谱仪的内置角，f为光谱仪的焦距，m为光栅衍射级次并且通常m=1，N为光栅刻线数（单位为line/mm），并且d为相应像素与中心像素之间的距离。

[0048] 操作220执行的是波长校准方法200的色散校准。如图1中所示，其它波长 的光投射在CCD探测器的非中心位置上，根据光栅的色散原理，每个波长有都有各自的衍射角，即[0049]                     （5）

[0050] 其中，为中心波长的衍射角，为相对中心波长衍射角偏离的角度。

[0051] 与中心波长 的距离d，并且有

[0052]                      （6）

[0053] 其中，x为像素的大小。

[0054] 根据图1中所示的几何关系，则有

[0055]                     （7）

[0056] 通过上式可得

[0057]                  （8）

[0058] 将上述式子代入光栅方程，则有

[0059] （9）。

[0060] 通过这种理论模型可以确定任意像素位置处的波长值。然而，如图1中所示，这种理论模型假定中心波长光线与CCD探测器的感光面是垂直的。实际上，很难达到理论上的垂直，如图5中所示。此外，实际CCD探测器的每个像素点之间是有间隙的，这些间隙也是有差异的，并且多个像素在水平方向上的排列也不是理想的水平。由于这些因素的影响，利用上述理论模型对实际光谱仪进行波长校正，波长准确度是不够的。因此，需要建立更精确的波长校准物理模型。

[0061] 图6示出了根据本公开另一实施例的用于光谱仪的波长校准方法600的流程图。应当理解，方法600中所示的操作并不具有排他性，可以在所示操作中的任何操作之前、之后或之间执行其他操作。

[0062] 参考图6，方法600开始于操作610，在该操作中，通过旋转可旋转光栅将校准光源的多个特征峰分别移动到光谱仪的探测器的中心位置，确定所述可旋转光栅的光栅转角与中心波长之间的函数关系。也就是说，方法600中执行中心波长校准的操作610与图2中的操作210相同，在此不再赘述。

[0063] 接下来方法600进行至操作620，在该操作中，通过分析多个中心波长下获取的多幅光谱图，确定以下物理模型中的参数 、f、a、b、c，所述物理模型用于在所述中心波长确定时计算在所述探测器的成像范围内的每个像素处的对应波长，

[0064]      （10）

[0065] 其中， 为将确定的中心波长代入线性函数（3）得到的光栅转角，为光谱仪的内置角，f为光谱仪的焦距，m为光栅衍射级次并且通常m=1，N为光栅刻线数（单位为line/mm），并且nx为相应像素与中心像素之间的距离。

[0066] 与公式（9）示出的理论模型不同的是，在公式（10）示出的波长校准物理模型中，相应像素与中心像素之间的距离不再简单表示为 ，而是表示为：

[0067]                    （11）。

[0068] 即，将原距离d表示为2次多项式，考虑了CCD探测器倾斜角度的影响、探测器像素间隙等的影响。公式（10）中的距离优化参数a、b、c以及光谱仪的内置角 、光谱仪的焦距f为可变参数，需要通过非线性优化算法求解得出。

[0069] 在一个实施例中，确定波长校准物理模型中的参数 、f、a、b、c可以包括：通过可旋转光栅G将校准光源的多个特征峰分别移动到CCD探测器的中心位置并且分别采集其光谱图；通过相应中心波长利用线性函数（3）来确定相应光栅转角 ；获取每幅光谱图中的多个特征峰的波长值 及其像素位置nx；以及通过所获取的相应光栅转角 ，多个特征峰的波长值 及其像素位置nx，基于所述物理模型进行拟合以获得参数 、f、a、b、c。

[0070] 具体的，将光谱仪转动到一个中心波长位置，采集光谱图如图7中所示，分析光谱图中的特征峰，获得其波长值和像素位置，即得到 和nx的值。记录光谱图中的所有特征峰的 和nx，能够获得一系列数值。在光谱仪的可扫描范围内，选取多个中心波长，分析与多个中心波长对应的多个光谱图并且获得 和nx的多组数值。注意在不同中心波长下，光栅转角 不同并且光栅转角 可以通过线性函数（3）确定。利用获得的多个光栅转角 以及和nx的多组数值，使用非线性优化算法，计算得到可变参数 、f、a、b、c的最佳数值。这样得到的波长校准物理模型可以用于计算在任意中心波长下任意像素位置的波长值。计算得到波长校准物理模型中的可变参数 、f、a、b、c即完成了光谱仪的波长校准。

[0071] 在一个实施例中，可以通过例如最小二乘法进行所述拟合，以使得参数 、f、a、b、c偏差最小。

[0072] 根据本公开实施例的用于光谱仪的波长校准方法，针对探测器平面倾斜、非理想平面等因素的影响，优化了用于在中心波长确定时计算在探测器的成像范围内的每个像素处的对应波长的波长校准物理模型，从而提高了光栅光谱仪的波长校准精度。

[0073] 根据一个实施例，提供了一种计算机可读存储介质，在其上存储有程序代码，当所述程序代码由处理器执行时，使得所述处理器能够执行本说明书结合图2‑7描述的各个实施例中的各种操作和功能。具体地，可以提供配有可读存储介质的系统或者装置，在该可读存储介质上存储有实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。

[0074] 可读存储介质的实施例可以包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘（如CD‑ROM、CD‑R、CD‑RW、DVD‑ROM、DVD‑RAM、DVD‑RW、DVD‑RW）、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。

[0075] 对特定实施例的上述说明将完全地展现本公开的一般性质，使得他人在不需要过度实验和不脱离本公开一般概念的情况下，能够通过运用本领域技术范围内的知识容易地对此类特定实施例的各种应用进行修改和/或调整。因此，根据本文给出的公开和指导，此类调整和修改旨在处于本文所公开实施例的等同物的含义和范围之内。应当理解，本文中的措辞或术语是出于说明的目的，而不是为了进行限制，所以本说明书的术语或措辞将由技术人员按照所述公开和指导进行解释。

[0076] 发明内容和摘要部分可以阐述发明人构思的本公开的一个或多个，但未必所有示范性实施例，因此，发明内容和摘要部分并非意在通过任何方式限制本公开和所附权利要求。

[0077] 本公开的宽度和范围不应由上述示例性实施例中的任何示例性实施例限制，而是仅根据所附权利要求及其等价方案来限定。