用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源及融合方法与流程

1.本发明涉及一种用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源及融合方法，尤其适用于精密仪器制造，薄膜、玻璃、电路板等样品的测量。


背景技术：

2.随着精密制造业的发展，对工件的检测要求越来越高。由共焦测量技术发展而来的光谱共焦测量技术，因其高效的检测效率，在工业检测中有着广泛的应用，尤其在薄膜、玻璃基板等透明材质的测量上。
3.光谱共焦传感器利用纵向色差，将波长信息与空间位置编码对应。通过光谱仪检测反射的波长进而确定空间位置。典型的光谱共焦传感器主要包括：光源，色散物镜，光谱仪三部分。为了实现同时产生多个焦点，所选用的照明光源应该为宽光谱光源。
4.目前常用的光源主要有：卤钨灯，氙灯，“白光”led，超连续谱光源。卤钨灯和氙灯不仅发光强度高，而且产生的光谱范围也很宽，但是卤灯和氙灯灯泡体积大，照明效率低。“白光”led因其便宜的造价，长久的使用寿命，成为了最常使用的一种光源，但是它提供的光谱范围比卤灯和氙灯要窄很多，在一定程度上限制了光谱共焦传感器的扫描范围。超连续谱光源可以提供较宽且强度稳定的光谱，是一种较为理想的光源，但是它的成本昂贵，不利于产品化。此外，以上常用光源具有相同的特点，它们所出射的光谱呈现相对固定且非均的分布规律。因此光源出射光谱形成了一条非均匀包络线，对光谱仪所检测到的信号分值产生非均匀调制。从而整个光谱范围内，由于光源光谱分布的非均匀性导致所测波峰信号的信噪比均匀性差，部分波长的信噪比低，严重影响了测量结果的准确性。
5.此外，色散物镜通常会选用至少三种阿贝数差别较大的玻璃材料，以确保产生线性色散。这也就意味着，色散物镜会对照明光源中不同的波长造成不同程度的吸收，从而改变光源初始的光谱分布。在薄膜测量中，由于长波信号需要穿过薄膜，能量会有严重损耗，薄膜下表面的反射信号强度会急剧降低，信噪比低。这些影响因素都会对光谱仪所检测的信号造成影响。


技术实现要素：

6.本发明为了克服现有照明光源的不足，提出一种用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源及融合方法，以期降低光源、色散物镜对测量信号的影响，从而提升测量信号的信噪比和稳定性。
7.本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：
8.本发明一种用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源的特点包括：直流开关电源、恒流驱动电路、led阵列、n个光纤耦合法兰和光纤分路器；
9.所述led阵列由n个不同主波长的单色led和散热器构成，第i个单色led通过散热硅胶与第i个散热器固定；第i个光纤耦合法兰通过螺丝与第i个散热器固定，由所述第i个单色led、第i个散热器和第i个光纤耦合法兰构成第i个光通道；i＝1,2,
…
,n；
10.所述恒流驱动电路设置有n个电流输出通道，并分别与所述led阵列中的n个单色led连接，从而使得第i个电流输出通道为第i个单色led提供可调节的恒定驱动电流；
11.所述第i个光纤耦合法兰的内部设置有第i个椭球镜，且所述第i个椭球镜的长轴与第i个光纤耦合法兰中轴线重合，第i个椭球镜的上焦点和下焦点为一对共轭点，且均落在第i个光纤耦合法兰的中轴线上；第i个单色led与第i个椭球镜的下焦点重合；
12.所述光纤分路器的第i个支路光纤通过第i个光纤耦合接口与第i个光纤耦合法兰连接，第i个支路光纤的纤芯的入射端口与第i个椭球镜的上焦点重合；
13.第i个光通道中的第i个单色led的出射光经过第i个椭球镜的反射后汇聚于所述上焦点并耦合进入所述第i个支路光纤的纤芯的内部，并在n个支路纤芯的熔接处与其他光通道中的出射光进行融合，最终从总路光纤输出融合后的宽光谱光源。
14.本发明所述的用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源的融合方法的特点按照如下步骤进行：
15.步骤1、建立n个主波长单色led的光谱分布特性数学模型并建立最大光强比例系数表：
16.步骤1.1、利用光谱仪测定n个主波长单色led的光谱分布数据并进行归一化处理；
17.步骤1.2、根据归一化后的光谱数据，计算n个主波长单色led的峰值波长和光谱带宽；
18.步骤1.3、以光谱带宽最大的单色led光强为参考值，建立n个主波长的单色led的最大光强比例系数表；
19.步骤1.4、根据g种拟合模型来拟合n个主波长的光谱分布特性{s
g,i
(λ)|λ∈[λ
min
,λ
max
]}，λ表示波长，[λ
min
,λ
max
]表示光源输出的光谱范围，s
g,i
(λ)表示第g种拟合模型拟合的第i个主波长的单色led光谱分布特性；g＝1,2,
…
,g；i＝1,2,
…
,n；
[0020]
步骤1.5、以决定系数作为第g种拟合模型对第i个主波长的单色led光谱特性拟合效果的评价指标；
[0021]
步骤1.6、根据第i个主波长的评价指标选取最大评价指标所对应的拟合模型作为第i个主波长的单色led对应的最优拟合模型；
[0022]
步骤2、设定目标光源的光谱分布特性：
[0023]
步骤2.1、获取色散物镜的波长透过率特性：
[0024]
若色散物镜内部结构已知，则根据色散物镜所使用的玻璃材料和各光学表面的镀膜情况，构建色散物镜对光源输出光谱范围内的光谱透过率特性t
lens
(λ)；
[0025]
若色散物镜内部结构未知，则以已知光谱分布特性的光源作为照明光源，将已知反射率的反射镜作为测量对象，并在测量范围内，采样测量x个波峰光谱，并记录波峰的中心波长及光强，再利用多项式拟合得到光源分布特性，再去除反射镜的光谱反射率影响，从而得到照明光源在通过色散物镜后的光谱曲线，并与未通过色散物镜的光谱曲线进行比较，从而得到色散物镜对光谱的透过率特性t
lens
(λ)；
[0026]
步骤2.2、获得待测表面的光谱反射特性；
[0027]
若待测表面的光谱反射特性已知，则使用函数表达式来表征待测表面的光谱反射特性r
surf
(λ)；
[0028]
若待测表面的光谱反射特性未知，则以已知光谱分布特性的光源作为照明光源，测量经过待测表面反射后的光谱分布特性，并与未经过待测表面反射后的光谱分布特性进行比较，从而得到待测表面的光谱反射特性r
surf
(λ)；
[0029]
步骤2.3、利用式(1)计算融合后的宽光谱光源的光谱分布特性s
t
(λ)：
[0030][0031]
式(3)中，s
′
t
(λ)是光源输出光谱范围内测量所需的光源光谱能量分布特性；
[0032]
步骤3、利用式(2)～式(6)建立目标光源光谱分布特性求解方程并，并求解各通道的驱动电流相关参数：
[0033]
s
τ
＝s
×
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0034]
s
t
＝[s
t
(λ1)s
t
(λ2)
…
s
t
(λ
k
)
…
s
t
(λ
k
)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0035]
s＝[s1(λ)s2(λ)
…
s
i
(λ)
…
s
n
(λ)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0036]
s
i
(λ)＝[s
i
(λ1)s
i
(λ2)
…
s
i
(λ
k
)
…
s
i
(λ
k
)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0037]
a＝[a1a2…
a
i
…
a
n
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0038]
式(4)～式(7)中，s
t
表示融合后的宽光谱光源的光谱分布特性，s
t
(λ
k
)表示融合后的宽光谱光源在第k种波长λ
k
的光强，s表示所有单色led灯输出的光谱分布特性合集，s
i
(λ)表示第i种主波长的单色led光谱分布特性，s
i
(λ
k
)表示第i种主波长的单色led在第k种波长λ
k
的光强，a是与电流输出通道所输出的恒定驱动电流相关的参数合集，a
i
表示与第i种主波长的单色led的恒定驱动电流相关的参数；
[0039]
以min(s
τ
‑
s
×
a)为优化目标，并利用遗传算法进行求解，得到一组最优恒定驱动电流相关参数a
*
；
[0040]
步骤4、根据最优恒定驱动电流相关参数a
*
和所述单色led的最大光强比例系数表，求解n个主波长单色led对应的驱动电流{i1,i2,
…
,i
n
}，再根据n个主波长单色led所能承受的最大驱动电流，计算n个主波长单色led的数量之和并作为所述合成的宽光谱光源的通道数；
[0041]
步骤5、根据所述驱动电流{i1,i2,
…
,i
n
}驱动n个光通道的单色led产生稳定照明，并从所述光纤分路器的总路光纤输出融合的宽光谱光源，以传入色散物镜完成相关测量工作。
[0042]
若待测样品为透明薄膜时，则在步骤2.2之后，按如下过程调整光谱特性后再执行步骤3；
[0043]
步骤a、按照步骤2.2的过程测量待测薄膜的表面光谱反射特性r
film
(λ)；
[0044]
步骤b、以已知光谱分布特性的光源为照明光源，采用透射法测量光源穿过薄膜后的光谱分布特性，并与未穿过薄膜的光谱分布特性进行比较，从而得到薄膜的光谱透过率特性t
film
(λ)；
[0045]
步骤c、利用式(1)计算调整后的光源光谱分布特性s
film
(λ)。
[0046]
若待测样品为透明薄膜时，则在步骤5的初次测量工作结束后，按如下过程进行二次光源光谱特性的调整：
[0047]
步骤6.1、初步测量待测测样品各表面对应的峰值波长，令λ
′
p1
代表薄膜上表面对应的波峰的峰值波长，令λ
′
p2
代表薄膜下表面的对应的波峰的峰值波长；
[0048]
步骤6.2、调整分别以峰值波长λ
′
p1
和λ
′
p2
为中心，δλ带宽范围内的波长对应的光强和从而得到新的宽光谱光源的光谱分布特性s
tfilm2
(λ)；
[0049]
步骤6.3、重复所述步骤3、步骤4、步骤5，完成薄膜样品的测量。
[0050]
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0051]
1、本发明采用多个单色led组合构造成光谱可调节的宽光谱光源，可以根据不同的测试需求更改光源出射的光谱分布，克服了传统光源光谱能量分布不可调的缺陷，拓展了光谱共焦传感器的应用范围。
[0052]
2、本发明采用光谱可调节光源作为光谱共焦传感器的照明光源，克服了传统光源出射光谱分布不可调的缺陷，消除了传统光源出射光谱形成的非均匀包络对所测信号峰值的调制作用，降低了光源光谱分布的不均匀性对测量信号信噪比的影响。
[0053]
3、本发明采用光谱可调节光源作为光谱共焦传感器的照明光源，可有效消除色散物镜对光源出射光谱内不同波长光波透过率不一致的影响，降低因色散物镜对不同波长透过率不一致而引发的光源光谱能量分布的改变，继而提高测量信号信噪比。
[0054]
4、本发明采用光谱可调节光源作为光谱共焦传感器的照明光源，在薄膜测量应用中，可根据测试情况，及时调整光源输出的光谱分布，补偿长波波长能量在膜层内部的吸收损耗，提高长波测量信号的强度，进而提升测量信号信噪比。
附图说明
[0055]
图1为本发明多通道合成的光谱可调节的宽光谱光源结构示意图；
[0056]
图2为本发明所述多通道合成的光谱可调节的宽光谱光源其中一个通道的结构示意图；
[0057]
图3为本发明所述光纤耦合法兰内部椭球镜的结构示意图；
[0058]
图4为本发明所述光纤分路器结构示意图；
[0059]
图5为日亚化工的ncsc119bt
‑
v1光谱分布曲线；
[0060]
图6为ncsc119bt
‑
v1光谱特性的拟合效果比较图；
[0061]
图7为本发明所述步骤2.2测量待测表面光谱反射特性测量原理示意图；
[0062]
图8为本发明应用于薄膜测量时原理示意图；
[0063]
图9为本发明所述步骤a和步骤b测量待测薄膜表面光谱反射特性和内部光谱透过特性测量原理示意图；
[0064]
图中标号：1单色led；2散热器；3光纤耦合法兰；4光纤耦合接口；5纤芯；6椭球镜；7椭球镜上焦点；8椭球镜下焦点；9支路光纤；10总路光纤。
具体实施方式
[0065]
如图1所示，本实施例中，一种用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源由直流开关电源、恒流驱动电路、led阵列、n个光纤耦合法兰和光纤分路器构成；
[0066]
如图2所示，led阵列由n个不同主波长的单色led和散热器2构成，第i个单色led1通过散热硅胶与第i个散热器2固定，单色led1发光强度高，功率大，设置散热器2可以有效
迅速地分散单色led1产生的热量，不仅可以保证单色led1的使用寿命，也可以保证单色led1的输出光效，在单色led1基板底部涂抹散热硅胶同样是为了增加热传导，增加散热能力，同时也可以将单色led1固定在散热器2上，减少固定螺丝的使用，可减少光纤耦合法兰3的尺寸；第i个光纤耦合法兰3通过螺丝与第i个散热器2固定，光纤耦合法兰3内部与散热器紧密接触，减少单色led1光能的泄露损失，由所述第i个单色led1、第i个散热器2和第i个光纤耦合法兰3构成第i个光通道；i＝1,2,
…
,n，各通道互相独立，可根据需求更改光源通道数，分离的结构方便根据测试需求增加或者减少光源通道数，不受安装空间的限制，可根据测试环境灵活调整光源的结构和布局，具有良好的环境适应性；
[0067]
恒流驱动电路设置有n个电流输出通道，并分别与led阵列中的n个单色led连接，从而使得第i个电流输出通道为第i个单色led1提供可调节的恒定驱动电流；恒流驱动电路优选采用调光比范围宽，驱动电流大的驱动芯片，宽泛的电流调节能力可以大范围地调节光源的输出功率，满足不同的照明需求，足额的驱动电流可以保证光源的具有足够的照明光强；优选采用模拟调光方式，模拟调光可以实现电流的连续输出，不会影响光谱共焦测量的速度，pwm调光则输出脉冲电流，其电流输出频率虽不会使led产生频闪现象，但是不能满足与高速测量的需求；恒流驱动电路各通道单独供电与输出，互不干扰，方便光源的输出控制；
[0068]
如图3所示，第i个光纤耦合法兰3的内部设置有第i个椭球镜6，且第i个椭球镜6的长轴与第i个光纤耦合法兰3中轴线重合，第i个椭球镜6的上焦点7和下焦点8为一对共轭点，且均落在第i个光纤耦合法兰3的中轴线上；第i个单色led1与第i个椭球镜6的下焦点8重合；
[0069]
如图4所示，光纤分路器包含多个支路光纤9和一个总路光纤10，光纤分路器的第i个支路光纤9通过第i个光纤耦合接口4与第i个光纤耦合法兰3连接，第i个支路光纤9的纤芯5的入射端口与第i个椭球镜6的上焦点7重合；由于单色led1的尺寸和支路光纤9的端口尺寸都是已知且固定的，因此在设计光纤耦合法兰3的时候，将单色led1的等效发光点和纤芯5入射端口的位置带入椭球镜6的设计中，使这两个点分别位于椭球镜6长轴的下上两个焦点上，对于一些尺寸不同的单色led1，可以增加垫片等零件，调整单色led1处于焦点位置；
[0070]
第i个光通道中的第i个单色led1的出射光经过第i个椭球镜的反射后汇聚于上焦点7并耦合进入第i个支路光纤8的纤芯5的内部，相比于传统的透镜耦合光纤的方案，本发明中内置椭球镜6的光纤耦合法兰3整体化的结构有利于减少系统的复杂程度，同时也方便光纤耦合法兰3与单色led1的装配；椭球镜6为抛光表面，或者镀铝膜，增加光线的反射能力，尽可能多的将单色led1的出射光汇聚耦合到分路光纤9的纤芯5内，并在n个支路纤芯5的熔接处与其他光通道中的出射光进行融合，最终从总路光纤10输出融合后的宽光谱光源，支路光纤9采用多模光纤可以传送多种模式的光，具有较高的传输效率，各支路光纤9的纤芯5直径相同，并且各支路光纤8之间的分光比相同，可以确保宽光谱的融合不受支路光纤8的耦合顺序影响。
[0071]
本实施例中，一种用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源的融合方法，按照如下步骤进行：
[0072]
步骤1、建立n个主波长单色led1的光谱分布特性数学模型并建立最大光强比例系
数表：
[0073]
步骤1.1、在相同的驱动电流和积分时间下，利用光谱仪测定n个主波长单色led的光谱分布数据并进行归一化处理，在测量过程中使用多次平均的输出结果，可以将测量过程中的外界干扰和操作误差消除，保留单色led最真实的光谱数据；
[0074]
步骤1.2、根据归一化后的光谱数据，计算n个主波长单色led的峰值波长和光谱带宽；
[0075]
步骤1.3、以光谱带宽最大的单色led光强为参考值，建立n个主波长的单色led的最大光强比例系数表，单色led1虽然具有带宽窄的特点，但是不同主波长的led带宽有所不同，在光谱合成的过程中，带宽较宽的单色led通常会起到重要作用，因此以带宽最大的单色led的光强为参考值，建立各波长的最大光强比例系数表，可以更有效地求解各led在合成宽光谱时发挥的作用；
[0076]
步骤1.4、单色led的光谱分布带宽较窄，通常为10
‑
20nm，且分布特征类似高斯分布，如图5所示为日亚化工的ncsc119bt
‑
v1光谱分布曲线，该特点决定了单色led适用于光谱合成；典型的单色led光谱分布呈现类高斯分布，因此可利用高斯函数对实测光谱分布离散数据或者产品供应商提供的测量数据进行非线性拟合，得到单色led光谱分布函数s(λ)；由于高斯分布函数左右对称，因此用于拟合非对称的led光谱会产生一些误差，因此陆续提出使用高斯
‑
洛伦兹分段函数，非对称高斯函数，非对称洛伦兹函数，以及基于led材料发光特性的二维态密度函数进行单色led光谱分布的拟合；对于不同的单色led适用的拟合方法可能会有所不同，在本实施例中，对每个单色led进行拟合方法拟合度的评估，表1为本发明使用的8种拟合模型的数学表达式及名称缩写，利用这8种拟合模型来拟合n个主波长的光谱分布特性{s
g,i
(λ)|λ∈[λ
min
,λ
max
]}，λ表示波长，[λ
min
,λ
max
]表示光源输出的光谱范围，在光谱共焦测量应用中，通常使用可见光做光源，即λ
min
＝400nm，λ
max
＝700nm；s
g,i
(λ)表示第g种拟合模型拟合的第i个主波长的单色led光谱分布特性；g＝1,2,
…
,8，i＝1,2,
…
,n；
[0077]
表1.拟合模型及其数学表达
[0078][0079]
步骤1.5、以决定系数作为第g种拟合模型对第i个主波长的单色led光谱特性拟合效果的评价指标，在本例中决定系数如式(1)描述：
[0080][0081]
式(1)中，k＝1,2,
…
,k，k表示光源输出光谱范围内所设定的波长数量，k∈n
*
，λ
k
＝λ
min
(k
‑
1)
×
dλ，dλ表示波长的取值间隔，表示第i个主波长的单色led在第k种波长λ
k
上的归一化光谱强度，s
g,i
(λ
k
)表示第g种拟合模型对第i个主波长的单色led在第k种波长λ
k
上的拟合光强，表示第i个主波长的单色led在k种波长上的归一化光谱强度的数学期望；评价指标越接近1表示拟合的效果越接近实际情况，拟合效果越好；
[0082]
步骤1.6、根据第i个主波长的评价指标选取最大评价指标所对应的拟合模型作为第i个主波长的单色led对应的最优拟合模型；如图6所示为ncsc119bt
‑
v1光谱特性的拟合效果比较图，可以看出对于此款led二维态密度函数是最佳的拟合模型，其他型号的led也按照此方法选取最佳的拟合模型；
[0083]
步骤2、设定目标光源的光谱分布特性：
[0084]
步骤2.1、获取色散物镜的波长透过率特性，色散物镜是光谱共焦传感器的核心，为了把宽光谱光源均匀地在轴向散开，色散物镜通常会选用至少三种阿贝数差别较大的玻璃材质；对于某一玻璃而言，其对不同波长的透过率是不同的，同时也会因其厚度的变化而略有差异；不同种类的玻璃，它们对同一中波长的光透过率也有很大差别；因此色散物镜整体的光谱透过特性是根据波长变化的，这种光谱透过特性的不一致，会造成测量信号强度的变化，降低部分波长测量信号的信噪比，因此在设定目标光源分布特性时将色散物镜的光谱透过特性带入，以消除色散物镜自身带入的不良影响；具体可分为色散物镜内部结构已知和色散物镜内部结构未知两种情况，这里色散物镜内部结构主要各镜片使用的玻璃材料，镜片厚度及光学表面的镀膜情况：
[0085]
若色散物镜内部结构已知，则根据色散物镜所使用的玻璃材料和各光学表面的镀膜情况，不同材料的光学玻璃的光谱透过率可通过玻璃手册查询得知，但是只有一些离散的波长对应的透过率，这些离散的透过率数据的分布规律与指数函数相近，因此利用指数函数进行拟合，得到每种玻璃材质在光源输出光谱范围内的光谱透过率特性τ
l_m
(λ)，光学表面镀膜的透过率可以从制造商获取τ
s_q
(λ)，进而利用式(2)构建色散物镜对光源输出光谱范围内的光谱透过率特性t
lens
(λ)；
[0086][0087]
式(2)中，τ
l_m
(λ)表示色散物镜内的第m片透镜在光源输出光谱范围的光谱透过率特性，τ
s_q
(λ)表示色散物镜的第q个光学表面在光源输出光谱范围的光谱透过率特性；
[0088]
若色散物镜内部结构未知，则以已知光谱分布特性的光源作为照明光源，将已知反射率的反射镜作为测量对象，并在测量范围内，采样测量x个波峰光谱，并记录波峰的中心波长及光强，再利用多项式拟合得到光源分布特性，再去除反射镜的光谱反射率影响，从而得到照明光源在通过色散物镜后的光谱曲线，并与未通过色散物镜的光谱曲线进行比较，从而得到色散物镜对光谱的透过率特性t
lens
(λ)；
[0089]
步骤2.2、获得待测表面的光谱反射特性；
[0090]
若待测表面的光谱反射特性已知，则使用函数表达式来表征待测表面的光谱反射特性r
surf
(λ)；
[0091]
若待测表面的光谱反射特性未知，如图7所示，则以已知光谱分布特性的光源作为照明光源，耦合进光纤后通过光纤准直镜平行出射，光线穿过半反半透镜后，垂直入射到待测表面，经待测表面反射后通过半反半透镜反射进入光谱仪所在光路，利用光谱仪测量经过待测表面反射后的光谱分布特性，去除半反半透镜和光纤准直镜的影响后，并与以未经过待测表面反射后的光谱分布特性进行比较，从而得到待测表面对光源输出光谱范围内所设定的k种波长光{λ1,λ2,
…
,λ
k
,
…
λ
k
}的反射率集合r(λ)＝[r(λ1)r(λ2)
…
r(λ
k
)
…
r(λ
k
)]，r(λ
k
)表示待测表面对光源光谱范围内第k种波长λ
k
的反射率，再对反射率集合r(λ)进行多项
式拟合，继而得到待测表面的光谱反射特性r
surf
(λ)；
[0092]
步骤2.3、利用式(3)计算融合后的宽光谱光源的光谱分布特性s
t
(λ)：
[0093][0094]
式(3)中，s
′
t
(λ)是光源输出光谱范围内测量所需的光源光谱能量分布特性；s
′
t
(λ)可根据不同的测试环境和要求进行调整，在位移测量中s
′
t
(λ)最好设置为“等能白光”；
[0095]
若待测样品为透明薄膜时，如图8所示，光谱共焦传感器应用于薄膜测量中，会因薄膜的内部吸收降低第二峰的光强，薄膜上表面对应的波峰中心波长偏小，因为该表面距离色散物镜距离最小，下表面对应的波峰中心波长偏大，两个表面对应的峰值波长间距反映了薄膜的厚度，如果薄膜厚度较大，则第二波峰对应的中心波长也就越大，反之亦然；由于第二波峰对应波长的光会穿过薄膜在薄膜下表面汇聚，其光能有一部分被薄膜上表面反射，还有一部分被薄膜内部吸收，以及一部分被薄膜下表面透过，反射回光谱仪的能量严重损耗，严重影响了第二波峰信号的信噪比；可根据薄膜内部光谱透过特性和表面反射特性调整光源输出的光谱特性，提升第二波峰信号的强度，可按如下过程调整光谱特性；
[0096]
步骤a、如图9所示，按照步骤2.2的过程测量待测薄膜的表面光谱反射特性r
film
(λ)；
[0097]
步骤b、如图9所示，以已知光谱分布特性的光源为照明光源，采用透射法测量光源穿过薄膜后的光谱分布特性，结合步骤a测得的表面光谱反射特性，并与未穿过薄膜的光谱分布特性进行比较，从而得到薄膜的光谱透过率特性t
film
(λ)；
[0098]
步骤c、利用式(3)计算调整后的光源光谱分布特性s
film
(λ)；
[0099]
步骤3、利用式(4)～式(8)建立目标光源光谱分布特性求解方程并，并求解各通道的驱动电流相关参数：
[0100]
s
τ
＝s
×
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0101]
s
t
＝[s
t
(λ1)s
t
(λ2)
…
s
t
(λ
k
)
…
s
t
(λ
k
)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0102]
s＝[s1(λ)s2(λ)
…
s
i
(λ)
…
s
n
(λ)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0103]
s
i
(λ)＝[s
i
(λ1)s
i
(λ2)
…
s
i
(λ
k
)
…
s
i
(λ
k
)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0104]
a＝[a1a2…
a
i
…
a
n
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0105]
式(4)～式(7)中，s
t
表示融合后的宽光谱光源的光谱分布特性，s
t
(λ
k
)表示融合后的宽光谱光源在第k种波长λ
k
的光强，s表示所有单色led灯输出的光谱分布特性合集，s
i
(λ)表示第i种主波长的单色led光谱分布特性，s
i
(λ
k
)表示第i种主波长的单色led在第k种波长λ
k
的光强，a是与电流输出通道所输出的恒定驱动电流相关的参数合集，a
i
表示与第i种主波长的单色led的恒定驱动电流相关的参数；
[0106]
以min(s
τ
‑
s
×
a)为优化目标，并利用遗传算法进行求解，得到一组最优恒定驱动电流相关参数a
*
；
[0107]
步骤4、根据最优恒定驱动电流相关参数a
*
和所述单色led的最大光强比例系数表，求解n个主波长单色led对应的驱动电流{i1,i2,
…
,i
n
}，再根据n个主波长单色led所能承受的最大驱动电流，计算n个主波长单色led的数量之和并作为所述合成的宽光谱光源的通道数；
[0108]
步骤5、根据所述驱动电流{i1,i2,
…
,i
n
}驱动n个光通道的单色led产生稳定照明，
并从所述光纤分路器3的总路光纤9输出融合的宽光谱光源，以传入色散物镜完成相关测量工作；
[0109]
若待测样品为透明薄膜时，在步骤5的初次测量工作结束后，可以按如下过程进行二次光源光谱特性的调整：
[0110]
步骤6.1、初步测量待测测样品各表面对应的峰值波长，令λ
′
p1
代表薄膜上表面对应的波峰的峰值波长，令λ
′
p2
代表薄膜下表面的对应的波峰的峰值波长，在初次测量时，目标光源光谱的设定过程中只带入了薄膜表面的光谱反射特性，因为在测量之前无法确定第二波峰所对应的波长位置，因此第二波峰信号强度没有得到补偿，需要二次调整，才能进行光强补偿；
[0111]
步骤6.2、利用式(9)和式(10)分别调整以峰值波长λ
′
p1
和λ
′
p2
为中心，δλ带宽范围内的波长对应的光强和从而得到新的宽光谱光源的光谱分布特性s
tfilm2
(λ)；
[0112][0113][0114]
式(9)中，h＝1,2,
…
,h，h表示在δλ带宽范围内所设定的波长的数量，h∈n
*
，δλ表示波长的取值间隔；δλ为峰值波长λ
′
p1
和λ
′
p2
的扩展带宽，在峰值波长的基础上适当的扩展调整的波长范围，可以避免峰值波长提取过程中的误差；s
test
(λ
′
p1_h
)和s
test
(λ
′
p2_h
)分别表示波长λ
′
p1_h
和λ
′
p2_h
对应的光强，r
film
(λ
′
p1_h
)和r
film
(λ
′
p2_h
)分别表示薄膜对波长λ
′
p1_h
和λ
′
p2_h
的反射率，t
film
(λ
′
p2_h
)表示薄膜对波长λ
′
p2_h
的透过率，s
tfilm
(λ
′
p1_h
)和s
tfilm
(λ
′
p2_h
)分别表示波长λ
′
p1_h
和λ
′
p2_h
调整后对应的光强；由于第一个波峰对应波长的光在第一被测表面就被反射回光谱仪中，因此对于第一个波峰只需要补偿其在第一被测表面的透射损耗即可；对于第二个波峰，它穿过第一测量表面时因表面反射损耗一部分能量，又在薄膜内部因材料吸收损耗一部分能量，最后在第二表面因透射损耗一部分光能，从而得到新的宽光谱光源的光谱分布特性s
tfilm2
(λ)；
[0115]
步骤6.3、重复所述步骤3、步骤4、步骤5，完成薄膜样品的测量。