基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法、系统及光谱仪

摘要

本发明提供一种基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法、系统及光谱仪，该方法通过获取若干组扫描光栅微镜的扫描速度和单管探测器的检测光强，根据各个扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定各个扫描速度所对应的初始光强积分时间，并对该初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间，根据归一化光强积分时间和与该归一化光强积分时间所对应的检测光强确定校准光强，以实现检测光强的校准，增强了基于扫描光栅微镜的光谱仪光强信号准确性、一致性。

说明书

技术领域

本发明涉及微光机电领域，特别是涉及一种基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法、系统及光谱仪。

背景技术

在基于扫描光栅微镜的光谱仪系统中，驱动扫描光栅微镜做往复扫描，同时通过光纤耦合和相应光路调整之后的光，进入扫描光栅微镜表面并完成分光，分光后不同波长的单色光会依次经聚焦透镜聚焦后通过出射狭缝进入到单管探测器。当驱动扫描光栅微镜转动时，通过设计合理的机械转角，可实现该不同波长范围内的光谱探测需求，从而实现单管探测器替代昂贵的阵列探测器，降低了设计成本。

但因为扫描光栅微镜在做往复扫描的过程中，其速度并非匀速运动，因此导致了单管探测器积分时间的不均匀，从而影响了光强信号的准确性和一致性，导致光强信号准确性和一致性低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法、系统及光谱仪，用于解决相关技术中基于扫描光栅微镜的光谱仪光强信号准确性、一致性低的技术问题。

本发明提供了一种基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法，所述方法包括：

依次获取若干组待校准信息，所述待校准信息包括扫描光栅微镜的扫描速度和单管探测器的检测光强；

根据各所述扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定所述扫描速度所对应的初始光强积分时间；

对所述初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间；

根据所述归一化光强积分时间、检测光强确定校准光强，以实现检测光强的校准。

可选的，所述初始光强积分时间的确定方式包括：

其中，δ为预设出射狭缝宽度，V

可选的，所述对所述初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间包括：

从各初始光强积分时间中确定最大时间和最小时间，根据所述初始光强积分时间、最大时间、最小时间确定归一化光强积分时间。

可选的，所述归一化光强积分时间的确定方式包括：

其中，T

可选的，所述根据所述归一化光强积分时间、检测光强确定校准光强包括：

从各所述检测光强中确定最小光强；

根据最小光强、检测光强确定参考光强；

根据所述参考光强、归一化光强积分时间和所述最小光强确定校准光强。

可选的，所述校准光强的确定方式包括：

S1

S2

S3

其中，S

可选的，所述根据各所述扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定所述扫描速度所对应的初始光强积分时间之前，所述方法还包括：对各所述扫描速度进行滤波处理。

可选的，所述对各所述扫描速度进行滤波处理包括：

获取待滤波扫描速度、前一扫描速度和下一扫描速度，其中，所述前一扫描速度为所述待滤波扫描速度之前的一个扫描速度，所述下一扫描速度为所述待滤波扫描速度之后的一个扫描速度；

获取所述待滤波扫描速度与下一扫描速度的差值；

若所述差值大于预设差值阈值，获取前一扫描速度与下一扫描速度的平均值，并将所述待滤波扫描速度替换为所述平均值。

本发明还提供了一种基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统，包括：

信息采集模块，用于依次获取若干组待校准信息，所述待校准信息包括扫描光栅微镜的扫描速度和单管探测器的检测光强；

初始光强积分时间确定模块，用于根据各所述扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定所述扫描速度所对应的初始光强积分时间；

归一化处理模块，用于对所述初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间；

校准模块，用于根据所述归一化光强积分时间、检测光强确定校准光强，以实现检测光强的校准。

本发明还提供了一种基于扫描光栅微镜的光谱仪，所述光谱仪包括如上述任一实施例所述的基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统、入射狭缝、准直透镜、扫描光栅微镜、聚焦透镜、出射狭缝和单管光电探测器；

至少一部分入射的复合光通过所述入射狭缝经所述准直透镜反射至所述扫描光栅微镜；

所述扫描光栅微镜将所述复合光衍射分光为单色光；

当扫描光栅微镜在进行周期性扫描时，不同波长的单色光经过所述聚焦透镜聚焦依次通过所述出射狭缝成像于所述单管光电探测器，实现了对不同波长的单色光连续扫描探测；

所述基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统用于对所述单管光电探测器所扫描探测到的检测光强进行校准。

如上所述，本发明提供的一种基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法、系统及光谱仪具有以下有益效果：

该方法通过获取若干组扫描光栅微镜的扫描速度和单管探测器的检测光强，根据各个扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定各个扫描速度所对应的初始光强积分时间，并对该初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间，根据归一化光强积分时间和与该归一化光强积分时间所对应的检测光强确定校准光强，以实现检测光强的校准，增强了基于扫描光栅微镜的光谱仪光强信号准确性、一致性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法的一种流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的基于扫描光栅微镜的光谱仪的一种结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统的一种结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的基于扫描光栅微镜的光谱仪的一种结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的终端的一种结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明实施例提供一种光强校准方法方法，包括：

S101：依次获取若干组待校准信息。

其中，待校准信息包括扫描光栅微镜的扫描速度和单管探测器的检测光强。

参见图2，图2为本发明实施例所示例的一种基于扫描光栅微镜的光谱仪结构示意图。该基于扫描光栅微镜的光谱仪包括信号采集板1，单管探测器2，出射狭缝3，准直透镜4，聚焦透镜5，入射狭缝6以及扫描光栅微镜7。可以使用如正弦波信号等信号驱动扫描光栅微镜7做相应周期的往复扫描，通过光纤耦合和相应光路调整之后的光，进入扫描光栅微镜7表面并完成分光，分光后不同波长的单色光会一次经聚焦透镜5聚焦后，经出射狭缝3进入到单管探测器2。由于扫描光栅微镜7在做往复扫描的过程中，其速度为正弦波变化，并非是匀速运动，导致单管探测器2积分时间不均匀，从而影响了光强信号的准确性和一致性。为解决上述问题，提出了本实施例中的光强校准方法。

需要说明的是，波长的不同也可能导致光强数据的偏差，这是另一个维度的光强校准，且关于该类型(波长不同导致的)偏差可以通过本领域技术人员所知晓的方式进行克服，在此不做限定。

继续参见图2，待校准信息可以通过信号采集板1来实现采集。需要说明的是，图2中的信号采集板仅是一个示例性的说明，本领域技术人员可以通过相应的设备控制两个设备同时采集扫描光栅微镜的扫描速度和单管探测器的检测光强。

可选的，每一组待校准信息中，扫描速度与检测光强均是基于同一时刻所采集的。此处的同一时刻忽略了设备的误差等原因所导致扫描速度与检测光强的采集时间的不一致。

可选的，每一次采集的待校准信息可以为2047组或本领域技术人员所设定的组数。

可选的，各组待校准信息的采集时间间隔可以是相同的，也可以是不同的。当采集时间间隔不同时，需要对扫描速度阈值做适应性调整。

S102：根据各扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定扫描速度所对应的初始光强积分时间。

其中，继续参见图2，预设出射狭缝宽度可以是出射狭缝3的宽度，该预设出射狭缝宽度可以是通过对当前方法所应用的光谱仪的出射狭缝的测量所得到的，也可以是由本领域技术人员根据需要所设定的，或采用其他方式所得到的。

在一些实施例中，初始光强积分时间的确定方式包括：

其中，δ为预设出射狭缝宽度，V

S103：对初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间。

在一些实施例中，对初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间包括：

从各初始光强积分时间中确定最大时间和最小时间，根据初始光强积分时间、最大时间最小时间确定归一化光强积分时间。

可选的，一种归一化光强积分时间的确定方式包括：

其中，T

可选的，最大时间为各初始光强积分时间中数值最大的一个初始光强积分时间，最小时间为各初始光强积分时间中数值最小的一个初始光强积分时间，上式中的n大于零且不大于所采集的待校准信息的总组数。

可选的，对于初始光强积分时间的归一化还可以采用本领域技术人员所知晓的其他方式。

S104：根据归一化光强积分时间、检测光强确定校准光强，以实现检测光强的校准。

可选的，可以根据单管光电探测器光强与其积分时间成正比例的关系，即在相同光强的条件下，单管光电探测器的积分时间越长，其转换后的光强信号也随之越强的原理，对光强进行统一校准和标定。

在一些实施例中，可以根据各个检测光强以及该检测光强所对应的归一化光强积分时间确定单位时间光强，以得到的若干个单位时间光强的平均值作为标准光强，再根据标准光强和归一化光强积分时间确定校准光强，以该校准光强更新检测光强，实现检测光强的校准。

可选的，一种单位时间光强的确定方式包括：

Q

其中，Q

需要说明的是，归一化光强积分时间T

在一些实施例中，在确定得到若干个单位时间光强之后，得到标准光强之前，还包括：

确定各个单位时间光强的标准差；

若标准差小于预设标准差阈值，则直接将若干个单位时间光强的平均值作为标准光强；

若标准差大于预设标准差阈值，则对各单位时间光强中的极值进行筛除后，将剩下的若干个单位时间光强的平均值作为标准光强。

其中，单位时间光强中的极值可以采用本领域技术人员所知晓的方式来确定。

在一些实施例中，根据归一化光强积分时间、检测光强确定校准光强包括：

从各检测光强中确定最小光强；

根据最小光强、检测光强确定参考光强；

根据参考光强、归一化光强积分时间和最小光强确定校准光强。

其中，最小光强为各个检测光强中数值最小的检测光强。

可选的，根据最小光强、检测光强确定参考光强包括，根据检测光强与最小光强之差确定参考光强。

可选的，根据参考光强、归一化光强积分时间和最小光强确定校准光强包括，根据参考光强和归一化光强积分时间确定比例光强，根据比例光强和最小光强确定校准光强。

可选的，校准光强的确定方式包括：

S1

S2

S3

其中，S

需要说明的是归一化光强积分时间T

可选的，利用校准光强替换检测光强，以实现对检测光强的校准与标定。

在一些实施例中，根据各扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定扫描速度所对应的初始光强积分时间之前，方法还包括：对各扫描速度进行滤波处理。

在一些实施例中，对各扫描速度进行滤波处理包括：

获取待滤波扫描速度、前一扫描速度和下一扫描速度，其中，前一扫描速度为待滤波扫描速度之前的一个扫描速度，下一扫描速度为待滤波扫描速度之后的一个扫描速度，待滤波扫描速度不是第一个扫描速度；

获取待滤波扫描速度与下一扫描速度的差值；

若差值大于预设差值阈值，获取前一扫描速度与下一扫描速度的平均值，并将待滤波扫描速度替换为平均值。

由于在获取待校准信息时是按照时间顺序依次获取若干组待校准信息，相应的所获取到的若干个扫描速度也是具有顺序时间顺序排序的，因此，在若干个扫描速度中确定其中一个个扫描速度作为待滤波扫描速度，并获取在该待滤波扫描速度之前一个扫描速度作为前一扫描速度，获取在该待滤波扫描速度之后一个扫描速度作为下一扫描速度。例如，依次获取到扫描速度V

在一些实施例中，以依次获取到2047个扫描速度为例，对各扫描速度进行滤波处理的一种实现方式如下示例所示：

获取相邻之间速度信号的差值为

ΔV

当ΔV

当ΔV

其中，V

本实施例提供了一种基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法，通过获取若干组扫描光栅微镜的扫描速度和单管探测器的检测光强，根据各个扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定各个扫描速度所对应的初始光强积分时间，并对该初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间，根据归一化光强积分时间和与该归一化光强积分时间所对应的检测光强确定校准光强，以实现检测光强的校准，增强了基于扫描光栅微镜的光谱仪光强信号准确性、一致性。

下面通过一个具体的示例说明上述基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法，继续参见图2，以图2所示的基于扫描光栅微镜的光谱仪为例，该具体的基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法包括：

首先，利用信号采集板分别对单管光电探测器的检测光强信号和扫描光栅微镜的扫描速度反馈信号进行采集。

利用信号采集板对单管光电探测器的检测光强信号和扫描光栅微镜的扫描速度反馈信号进行采集，并将采集后的信号进行分别存储，分别记录为检测光强S

其次，对扫描光栅微镜的扫描速度反馈信号进行滤波处理，去除无效信号。

可选的，一种滤波处理的方法为：利用两个相邻扫描速度信号之间的差值进行判断，设两个相邻之间扫描速度信号的差值为ΔV

当ΔV

当ΔV

其中，V

再次，根据滤波处理后的扫描光栅微镜的扫描速度反馈信号，对单色光透过出射狭缝的初始光强积分时间进行归一化处理。

可选的，一种归一化处理的方法为：

设光谱仪系统出射狭缝的宽度为δ，当扫描光栅微镜进行往复扫描运动时，系统分光后不同波段的光会依次透过出射狭缝，则与出射狭缝宽度相同的一定波段内的光通过该狭缝的时间，也即单管探测器的响应时间，即初始光强积分时间可约为

查找出该初始光强积分时间序列中的最大值和最小值，分别记为最大时间t

归一化后的归一化光强积分时间为

最后，根据单管光电探测器检测光强信号与其积分时间之间所存在的正比例相关关系，对采集后的检测光强信号进行校准和标定。

可选的，根据单管光电探测器检测光强信号与其积分时间成正比例的关系，即在相同光强的条件下，单管光电探测器的积分时间越强，其转换后的光强信号也随之越强的原理，对检测光强信号进行统一校准和标定，一种对采集后的检测光强信号进行校准和标定的方法为：

找出检测光强S

将检测光强S

将生成后的参考光强序列与归一化后的归一化光强积分时间相除，得到比例光强S2

进行数据的重新组合及还原，可得到校准和标定后的校准光强为S3

利用上述方法，可以有效的解决由于扫描光栅微镜在做往复扫描的过程中，其速度并非匀速运动，因此导致了单管探测器积分时间的不均匀，从而影响了光强信号的准确性和一致性，导致光强信号准确性和一致性低的问题，通过采用上述方式对检测光强进行校准，提升了单管探测器所检测到的光强的准确性和一致性。

实施例二

请参阅图3，本发明实施例还提供了一种基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统300，该系统包括：

信息采集模块301，用于依次获取若干组待校准信息，待校准信息包括扫描光栅微镜的扫描速度和单管探测器的检测光强；

初始光强积分时间确定模块302，用于根据各扫描速度、预设出射狭缝宽度分别确定扫描速度所对应的初始光强积分时间；

归一化处理模块303，用于对初始光强积分时间进行归一化处理，得到归一化光强积分时间；

校准模块304，用于根据归一化光强积分时间、检测光强确定校准光强，以实现检测光强的校准。

在本实施例中，该基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统实质上是设置了多个模块用以执行上述实施例一的基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准方法，具体功能和技术效果参照上述实施例一即可，此处不再赘述。

请参阅图4，本发明实施例还提供了一种基于扫描光栅微镜的光谱仪400，包括上述任一实施例的基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统300、入射狭缝401、准直透镜402、扫描光栅微镜403、聚焦透镜404、出射狭缝405和单管光电探测器406，其中：

至少一部分入射的复合光通过入射狭缝401经准直透镜402反射至扫描光栅微镜403；

扫描光栅微镜403将复合光衍射分光为单色光；

当扫描光栅微镜403在进行周期性扫描时，不同波长的单色光经过聚焦透镜404聚焦依次通过出射狭缝405成像于单管光电探测器406，实现了对不同波长的单色光连续扫描探测；

基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统300用于对单管光电探测器406所扫描探测到的检测光强进行校准。

在本实施例中，该基于扫描光栅微镜的光谱仪具体功能和技术效果参照上述实施例中的基于扫描光栅微镜光谱仪的光强校准系统即可，此处不再赘述。

参见图5，本发明实施例还提供了一种电子设备800，包括处理器801、存储器802和通信总线803；

通信总线803用于将处理器801和存储器连接802；

处理器801用于执行存储器802中存储的计算机程序，以实现如上述实施例一中的任意一项所述的方法。

本申请实施例还提供了一种非易失性可读存储介质，该存储介质中存储有一个或多个模块(programs)，该一个或多个模块被应用在设备时，可以使得该设备执行本申请实施例的实施例一所包含步骤的指令(instructions)。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序该计算机程序用于使计算机执行如上述实施例一中的任一项所述的方法。

需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。