自校准光谱传感器模块的制作方法

1.本公开涉及光谱仪中使用的光谱传感器模块。


背景技术：

2.光谱仪是用于测量样本光的光谱的仪器(例如，用于确定紫外光、可见光和/或红外光的光谱分量)。在一些实施方式中，光谱仪可确定作为波长或频率的函数的光的强度。
3.光谱仪可用于各种不同的应用。例如，光谱仪可用于进行环境分析、工业监测、颜色测量和药理学研究。
4.光谱可以用不同的方法测量，例如通过直接测量或间接测量。作为示例，被配置用于直接测量的光谱仪可以在空间上分离不同波长的光(例如，使用波长色散设备，例如衍射光栅或棱镜)，并且单独测量每个波长的光的功率分布(例如，关于特定波长“直接”测量光谱)。
5.作为另一个示例，配置用于间接测量的光谱仪可以根据一系列已知的光谱调制模式来调制光，并获得调制光的测量。每个测量提供由多个波长携带并根据不同权重的信息，并且可以用于重建原始光的光谱(例如，使用多路复用技术)。


技术实现要素：

6.光谱仪系统可以用于基于从样本反射和/或透射通过样本的光的属性来确定关于样本(例如，物体)的信息。例如，光谱仪系统可以包括向样本发射光(例如，具有已知光谱属性的光)的光源，以及测量从样本反射和/或透射通过样本的光的检测器。光谱仪系统可以确定反射和/或透射的光的光谱属性(例如，光关于波长范围的分布)，并基于这些测量确定有关样本的信息。例如，光谱仪系统可以确定样本的物理形状或轮廓、样本表面的特性和/或样本的组成。
7.在一些实施方式中，光谱仪系统可以根据特定波长或波长范围来测量光。例如，这可能是有用的，因为关于某些波长或波长范围的光测量在确定样本的属性时可能特别有用(例如，与关于其他波长或波长范围的光测量相比)。因此，光谱仪系统可以选择性地测量特定波长或波长范围内的光(例如，提供关于样本的更多信息和/或更期望信息的那些)，而不测量其他波长或波长范围内的光(例如，提供关于样本的更少信息和/或不太期望信息的那些)，以提高测量的效率和准确性。
8.在一些实施方式中，光谱仪系统可以使用干涉仪根据特定波长或波长范围来测量光。干涉仪是一种使用光干涉(例如，通过叠加光波)从光中提取信息的设备。例如，干涉仪可以接收来自样本的反射和/或透射光，并且通过根据不同相位对接收光进行叠加，选择性地将具有特定波长或波长范围的光的子集透射到检测器用于测量。因此，检测器不测量从样本接收的全部光，而是测量由干涉仪选择性透射的接收光的有限子集。
9.在一些实施方式中，干涉仪可以是“可调的”，使得系统或用户可以指定由干涉仪透射以用于测量的光的特定波长或波长范围。例如，可调干涉仪的输出可以取决于施加到
干涉仪的输入电压。可以改变输入电压来调节光的波长或波长范围，该光被干涉仪选择性地透射到检测器以用于测量。
10.然而，在一些实施方式中，干涉仪的输出也可以取决于其他因素，例如周围环境的温度。此外，干涉仪的输出可以在干涉仪的寿命期间变化。例如，干涉仪的输出可能由于一个或多个组件(例如，干涉仪的镜子)的氧化而变化，这可能随着时间推移改变干涉仪的性能(例如，引起干涉仪输出的标称中心标称波长的漂移，改变干涉仪的腔的有效长度等)。作为另一个示例，随着时间的推移，干涉仪材料中的水分摄入会对干涉仪的组件产生额外的应变，引起物理变化，该物理变化会随着时间的推移改变干涉仪的性能(例如，由于体积增加而弯曲)。作为另一个示例，一些材料可能会随着时间的推移而失去体积，导致干涉仪的机械配置发生变化以及性能的相应变化。
11.因此，响应于特定的输入电压，干涉仪可以输出不同波长或波长范围内的光(例如，由于周围环境的温度波动、设备的老化等)。这些变化会降低光谱仪系统的测量的准确度和/或精度，尤其是当光谱仪系统用于不同的环境和/或未调节的环境中时。
12.为了提高其性能，光谱仪系统可以校准干涉仪的输入电压以考虑这些变化。作为示例，光谱仪系统可以向干涉仪发射光(例如，使用内部光源)，测量从干涉仪反射的光的强度(例如，使用光电检测器)，并基于该测量校准干涉仪的输入电压。
13.从干涉仪反射的光的强度可以根据发射光的特性和干涉仪的透射特性而变化。例如，如果光源根据特定波长或波长范围发射光，并且干涉仪被调整成根据该波长或波长范围透射光，则从干涉仪反射的光将相对较低(例如，因为发射光基本上透射通过干涉仪，而不是从干涉仪反射)。然而，如果光源根据特定的波长或波长范围发射光，并且干涉仪被调整成根据不同的波长或波长范围透射光，则从干涉仪反射的光将相对较高(例如，因为发射光基本上不透射通过干涉仪)。
14.因此，光谱仪可以在电压范围内扫描干涉仪的输入电压，同时向干涉仪发射光并测量反射光的强度。基于测量，光谱仪可以确定干涉仪的输入电压和干涉仪输出的光的所得波长或波长范围之间的关系(例如，对应于反射光强度的所测量的降低)。光谱仪可以基于该关系校准输入电压(例如，通过修改施加的输入电压，使得干涉仪的输出被更准确地控制)。
15.在一些实施方式中，这种自校准技术使光谱仪系统能够补偿温度和性能的波动，并使光谱仪系统能够进行更准确和/或更精确的测量。此外，这种自校准技术能够使光谱仪系统在更广泛的环境范围和环境条件下使用，并延长光谱仪系统的有效工作寿命。
16.在一个方面，一种系统包括限定腔和孔的外壳、设置在腔内的光电检测器、设置在孔和光电检测器之间的腔内的电压可调干涉仪、设置在腔内的第一光源和电子控制设备。电子控制设备可操作以改变施加到干涉仪的输入电压，并且在改变施加到干涉仪的输入电压的同时，使第一光源向干涉仪发射光，以及使用光电检测器测量从干涉仪反射的光。电子控制设备还可操作以基于从干涉仪反射并由光电检测器测量的光来确定校准的输入电压。电子控制设备可操作以将校准的输入电压施加到干涉仪，并且在将校准的输入电压施加到干涉仪的同时，使用光电检测器获得一个或多个光谱测量。
17.该方面的实施方式可以包括一个或多个以下特征。
18.在一些实施方式中，电子控制设备可以通过确定对应于所测量的从干涉仪反射的
光的最小强度的输入电压的值来确定校准的输入电压。
19.在一些实施方式中，电子控制设备可以通过确定对应于所测量的从干涉仪反射的光的最小强度的输入电压的值是校准的输入电压来确定校准的输入电压。
20.在一些实施方式中，第一光源可以包括多个发光元件。
21.在一些实施方式中，电子控制设备可操作以通过使多个发光元件按顺序发射光来使第一光源向干涉仪发射光。
22.在一些实施方式中，电子控制设备可操作以通过使多个发光元件同时发射光来使第一光源向干涉仪发射光。
23.在一些实施方式中，第一光源可以包括一个或多个垂直腔表面发射激光器(vertical
‑
cavity surface
‑
emitting laser，vcsel)发射器。
24.在一些实施方式中，干涉仪可以包括法布里
‑
珀罗干涉仪(fabry
‑
perot interferometer，fpi)。
25.在一些实施方式中，该系统可以包括设置在腔外部的第二光源。电子控制设备可操作以通过使第二光源向对象发射样本光并使用光电检测器测量从对象反射的样本光来获得一个或多个光谱测量。
26.在一些实施方式中，第一光源可操作以发射第一波长范围内的光。第二光源可操作以发射第二波长范围内的光。第一波长范围可以不同于第二波长范围。
27.在一些实施方式中，第一波长范围可以比第二波长范围更窄。
28.在一些实施方式中，系统可以包括主机设备。外壳、光电检测器、干涉仪、光源和电子控制设备可以至少部分地设置在主机设备中。
29.在一些实施方式中，主机设备可以是智能电话或可穿戴设备中的至少一个。
30.在另一方面，一种方法包括改变施加到电压可调干涉仪的输入电压，并且在改变施加到干涉仪的输入电压的同时，向干涉仪发射光并且测量从干涉仪反射的光。该方法还包括基于所测量的从干涉仪反射的光确定校准的输入电压。该方法还包括向干涉仪施加校准的输入电压，并且在向干涉仪施加校准的输入电压的同时，使用光电检测器获得一个或多个光谱测量，
31.该方面的实施方式可以包括一个或多个以下特征。
32.在一些实施方式中，确定校准的输入电压可以包括确定对应于所测量的从干涉仪反射的光的最小强度的输入电压的值。
33.在一些实施方式中，确定校准的输入电压可以包括确定对应于所测量的从干涉仪反射的光的最小强度的输入电压的值是校准的输入电压。
34.在一些实施方式中，向干涉仪发射光可以包括由多个发光元件按顺序发射光。
35.在一些实施方式中，向干涉仪发射光可以包括由多个发光元件同时发射光。
36.在一些实施方式中，获得一个或多个光谱测量可以包括向对象发射样本光，以及测量从对象反射的样本光。
37.在一些实施方式中，光可以在第一波长范围内，样本光可以在第二波长范围内。第一波长范围可以不同于第二波长范围。
38.在一些实施方式中，第一波长范围可以比第二波长范围更窄。
39.一个或多个实施方式的细节在附图和下面的描述中阐述。从说明书和附图以及权
利要求中，其他特征和优点将是显而易见的。
附图说明
40.图1是示例光谱仪系统的示意图。
41.图2a是示出施加到干涉仪的输入电压和干涉仪输出的相应光波长之间的示例关系的曲线图。
42.图2b是示出关于几个不同温度，施加到干涉仪的输入电压和干涉仪输出的相应光波长之间的示例关系的曲线图。
43.图3是示例传感器模块的图。
44.图4a包括描绘由传感器模块的内部光源输出的光的波长范围和由传感器模块的干涉仪透射的光的波长范围的曲线图。
45.图4b包括描绘由传感器模块的内部光源输出的光的波长范围和由传感器模块的干涉仪透射的光的波长范围的进一步曲线图。
46.图4c包括反射光的测量强度相对于传感器模块的输入电压扫描范围的曲线图。
47.图5是另一示例传感器模块的图。
48.图6是另一示例传感器模块的图。
49.图7是用于测量从样本反射和/或透射通过样本的光的光谱分布的示例过程的流程图。
50.图8是示例计算机系统的示意图。
具体实施方式
51.本公开描述了用于测量从样本反射和/或透射通过样本的光的光谱分布的光谱仪系统的实施方式。光谱仪系统的实施方式包括电压可调干涉仪，用于选择特定波长或波长范围的光以进行测量。为了考虑干涉仪输出的变化(例如，由于环境温度的波动、系统老化等)，光谱仪系统可以自校准施加到干涉仪的输入电压。在一些实施方式中，这使得光谱仪系统能够补偿操作中的变化，并且使得光谱仪系统能够进行更准确和/或更精确的测量。此外，这种自校准技术能够使光谱仪系统在更广泛的环境范围和环境条件下使用，并延长光谱仪系统的有效操作寿命。
52.图1示出了示例光谱仪系统100。光谱仪系统100可以实现为独立设备(例如，作为单独的仪器)，或者实现为另一设备的一部分(例如，作为多用途设备的一部分)。在一些实施方式中，光谱仪系统100可以被实现为移动设备(例如智能电话、平板计算机或可穿戴计算机)的一部分。
53.如图1所示，光谱仪系统100包括光源102和传感器模块150，传感器模块150具有干涉仪104、电压源106、检测器108和电子控制设备110。在光谱仪系统100的示例使用中，光源102产生光112，光112朝向样本114(例如，位于样本区域160中的物体)发射。被样本114反射和/或透射通过样本114的样本光116中的至少一些入射到干涉仪104上。基于由电压源106产生的输入电压，干涉仪104选择性地将样本光118的子集(例如，特定波长或波长范围内的样本光)透射到检测器108。检测器108测量样本光118的子集的特性，并将测量提供给电子控制设备110。基于该测量，电子控制设备110确定关于样本114的信息(例如，表示样本光
118的子集的光谱分布的直方图120、样本114的特性等)。
54.光源102是可操作以产生光并向样本区域160发射光的组件。光源102可以包括一个或多个发光元件。作为示例，光源102可以包括一个或多个发光二极管(led)、垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)、有机发光二极管(oled)或其他选择性地产生光的设备。
55.干涉仪104是可操作以使用光干涉从光中提取信息的组件。作为示例，干涉仪可以接收样本光116，并且通过根据不同相位对样本光116进行叠加选择性地将具有特定波长或波长范围的样本光118的子集透射到检测器108以用于测量。干涉仪104是“可调的”，使得系统或用户可以指定由干涉仪104透射到检测器108的光的特定波长或波长范围。例如，干涉仪104的输出可以取决于由电压源106产生并施加到干涉仪104的输入电压v
in
。可以改变输入电压v
in
来调节由干涉仪104选择性地透射到检测器108的光的波长或波长范围。在一些实施方式中，干涉仪104可以包括一个或多个基于微机电系统(micro
‑
electro
‑
mechanical system，mems)的可调法布里
‑
珀罗(fabry
–
p
é
rot，fi)干涉仪。
56.电压源106是可操作以产生输入电压v
in
的组件。电压源106可以包括一个或多个用于产生电压的数字和/或模拟电路组件。在一些实施方式中，电压源106可以包括一个或多个电池或发电机。在一些实施方式中，电压源106可以从外部源(例如，外部电源)接收电能，并使用接收到的电能产生输入电压v
in
。在一些实施方式中，电压源106可以通信地耦合到电子控制设备110，并且可以基于从电子控制设备110接收的命令信号s
voltage
产生具有特定电压值的输入电压v
in
。尽管图1将电压源106描绘为传感器模块150的一部分，但是在一些实施方式中，电压源106可以实施为单独的组件(例如，作为光谱仪系统100或另一设备的一部分)。
57.检测器108是可操作以测量从干涉仪104接收的样本光118的子集的特性的组件。在一些实施方式中，检测器108可以包括一个或多个光电检测器或其他光敏传感器。检测器108可以测量样本光118的子集的各种特性。例如，检测器108可以测量光的强度和/或反射光关于某些波长和/或波长范围的光谱特性。在一些实施方式中，检测器108可操作以根据一个或多个离散时间点测量样本光118的子集。在一些实施方式中，检测器108可操作以连续地、周期性地、间歇地或根据一些其他模式来测量光。
58.电子控制设备110是可操作以控制光谱仪系统100的一个或多个功能的组件。例如，电子控制设备110可以通信地耦合到光源102，并且可以向光源102发送命令信号以选择性地打开或关闭光源102(例如，在选定的时间段期间(例如在测量操作期间)产生光)和/或指定所产生的光的特性(例如，根据特定图案、光谱组成等产生光)。作为另一个示例，电子控制设备110可以通信地耦合到电压源106，并且可以向电压源106发送命令信号s
voltage
以产生具有特定电压值的输入电压v
in
(例如，用于调整干涉仪104的输出)。作为另一个示例，电子控制设备110可以通信地耦合到检测器108，并且可以从检测器108获得测量。
59.此外，电子控制设备110可以基于测量来确定来自样本114的信息。例如，电子控制设备110可以产生表示样本光118的子集的光谱分布的直方图120。作为另一个示例，电子控制设备110可以基于测量来确定样本114的其他特性，例如样本的物理形状或轮廓、样本表面的特性和/或样本的组成。
60.在一些实施方式中，电子控制设备110可以结合光谱仪系统100和/或传感器模块
150的一个或多个其他组件来实施(例如，作为单个集成设备)。在一些实施方式中，电子控制设备110可以被实施为与光谱仪系统100和/或传感器模块150的一个或多个其他组件分离的设备。例如，电子控制设备110可以是与光谱仪系统100和/或传感器模块150的一个或多个其他组件分离和不同的计算机系统(例如，客户端计算机系统或服务器计算机系统)或计算机处理器。
61.如上所述，干涉仪104的输出可以取决于施加到干涉仪104的输入电压v
in
。可以改变输入电压v
in
来调节由干涉仪104选择性地透射到检测器108的光的波长或波长范围。
62.在一些实施方式中，施加到干涉仪的输入电压v
in
和干涉仪输出的相应光波长之间的关系是非线性的。例如，图2a包括曲线图200，该曲线图200示出了施加到光谱仪系统的干涉仪104的输入电压v
in
和该干涉仪104输出的光的对应波长之间的关系，该干涉仪104包括示例性基于mems的可调fi干涉仪。在该示例中，向干涉仪104施加输入电压v
in
将导致输出具有中心波长大约为1550nm的波长范围的光，而该范围之外的其他波长的光基本上不被干涉仪输出。在本例中，该关系可以用以下等式近似：
[0063][0064]
其中k是弹簧常数，x是波长变化(例如，干涉仪腔的位移)，ε0是真空介电常数，ε
a
是相对静态介电常数，a是干涉仪的等平行板的面积，v是电极之间施加的电压，t是与所考虑的介质的几何形状和介电常数相关的参数(例如，其中g是没有施加电压的腔的厚度，t
d
是电极顶部的层的厚度，相对静态介电常数为ε
b
)。
[0065]
然而，在一些实施方式中，干涉仪的输出也可以取决于周围环境的温度。因此，响应于特定的输入电压，由于周围环境的温度波动，干涉仪可以输出不同波长或波长范围内的光。这些变化会降低光谱仪系统的测量的准确度和/或精度，尤其是当光谱仪系统用于不同的环境和/或未调节的环境中时。例如，尽管电子控制设备110可以指定将特定波长的光透射到检测器108以用于测量，但是可能会透射不同波长的光，从而导致测量的变化和/或这些测量的解释的误差。
[0066]
作为示例，图2b示出了曲线图210，其描绘了(i)施加到干涉仪104的输入电压v
in
和(ii)关于范围从
‑
40℃和85℃的7个不同温度(40℃、
‑
20℃、5℃、25℃、45℃、65℃和85℃)由干涉仪104输出的光的波长范围的相应中心波长之间的关系。如图2b所示，响应于特定的输入电压v
in
，干涉仪可以取决于温度来输出不同波长范围内的光。因此，由于每次测量期间和之间的温度波动，所得到的测量可能会有所不同。
[0067]
此外，在一些实施方式中，干涉仪的输出可以在干涉仪的寿命期间变化。例如，随着干涉仪老化，施加到干涉仪104的输入电压v
in
和干涉仪104输出的光的波长范围的相应中心波长之间的关系会偏移或“漂移”。因此，所得到的测量可能会因设备的老化而变化。
[0068]
为了提高其性能，光谱仪系统可以自校准施加到干涉仪104的输入电压v
in
，以考虑这些变化。图3中示出了用于执行自校准的示例传感器模块150。
[0069]
传感器模块150包括限定腔302和孔304的外壳300。图3所示的传感器模块150的一些或全部组件可以类似于图1所示的那些组件。例如，传感器模块150可以包括设置在腔302内(例如，在基板306上)的检测器108，以及设置在孔304和检测器108之间的腔内(例如，在
基板306上)的干涉仪104。在传感器模块150的示例操作中，光源(例如，关于图1描述的光源102)向样本(例如，关于图1描述的样本114)发射光。被样本反射和/或透射通过样本的光中的至少一些穿过孔304并入射到干涉仪104上。基于由电压源(例如，参考图1描述的电压源106)产生的输入电压，干涉仪104选择性地将样本光的子集(例如，特定波长或波长范围内的样本光)透射到检测器108。检测器108测量样本光的子集的特性，并将该测量提供给电子控制设备(例如，参照图1描述的电子控制设备110)。基于该测量，电子控制设备确定关于样本的信息(例如，表示样本光的子集的光谱分布的直方图、样本的特性等)。
[0070]
传感器模块150还包括位于腔302内(例如，在基板306上)的内部光源308和温度敏感传感器314，以便于自校准。
[0071]
温度敏感传感器314根据周围温度(例如，腔302内的温度)输出变化的测量信号。例如，温度敏感传感器314可以包括一个或多个温度敏感热敏电阻。
[0072]
内部光源308是可操作以产生光并向干涉仪104发射光的组件。内部光源308可以包括一个或多个发光元件。作为示例，内部光源308可以包括一个或多个发光二极管(led)、垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)、有机发光二极管(oled)或选择性地产生光的其他设备。在一些实施方式中，内部光源308可以根据特定波长或波长范围λ
emission
发射光。在一些实施方式中，内部光源308可以根据相对窄的波长范围(例如，小于1nm的范围)发射光。在一些情况下，内部光源308可以根据与光源108的波长范围相比更窄的波长范围发射光。
[0073]
在一些实施方式中，内部光源308可以基于来自温度敏感传感器314的测量信号发射光(例如，以考虑波长或波长范围λ
emission
的温度相关变化)。作为示例，基于vcsel的内部光源308的发射可以基于温度而变化特定量(例如，大约0.07nm/℃)。电子控制设备110可以基于温度敏感传感器314来确定腔302的温度，并且调整内部光源308，使得发射期望的波长或波长范围的光。
[0074]
在传感器模块150的示例自校准过程中，传感器模块150使用内部光源308向干涉仪104发射光310，并且使用检测器108测量从干涉仪104反射的光312的强度。传感器模块150基于该测量校准施加到干涉仪的输入电压v
in
。
[0075]
从干涉仪104反射的光312的强度可以根据发射光310的特性和干涉仪104的透射特性而变化。作为示例，图4a示出了描绘由内部光源308输出的光的波长范围λ
emission
的曲线图400a，以及描绘由干涉仪104透射的光的第一波长范围λ
transmission,1
的曲线图400b(例如，对应于施加到干涉仪104的第一输入电压v
in,1
)。在这个示例中，波长范围基本上不重合(例如，λ
emission
基本上在λ
transmission,1
的范围之外)。因此，所测量的从干涉仪104反射的光的强度将相对较高(例如，因为发射光基本上不透射通过干涉仪104)。
[0076]
作为另一个示例，图4b示出了描绘由内部光源308输出的光的波长范围λ
emission
的曲线图402a，以及描绘由干涉仪104透射的光的第二波长范围λ
transmission,2
的曲线图402b(例如，对应于施加到干涉仪104的第二输入电压v
in,2
)。在这个示例中，波长范围基本上重合(例如，λ
emission
基本上在λ
transmission,2
的范围内)。因此，所测量的从干涉仪104反射的光的强度将相对较低(例如，因为发射光基本上透射通过干涉仪，而不是从干涉仪反射)。
[0077]
传感器模块150可以跨越电压范围扫描施加到干涉仪104的输入电压v
in
，同时向干涉仪104发射光310并测量反射光312的强度。基于该测量，传感器模块150可以确定干涉仪
104的输入电压v
in
和干涉仪104输出的光的所得波长或波长范围之间的关系(例如，对应于反射光312的强度或最小强度的所测量的降低)。传感器模块150可以基于该关系校准输入电压v
in
(例如，通过修改施加的输入电压，使得干涉仪的输出被更准确地控制)。
[0078]
作为示例，图4c示出了反射光312的测量强度相对于输入电压v
in
的扫描范围的曲线图404。当输入电压在v
in,a
和v
in,b
之间时，反射光312的测量强度相对较高。然而，当输入电压开始超过v
in,b
时，反射光312的测量强度开始降低，并且当输入电压为v
in,c
时处于最小值。当输入电压开始超过v
in,c
时，反射光312的测量强度开始增加，当输入电压在v
in,d
和v
in,e
之间时，反射光312的测量强度再次相对较高。
[0079]
输入电压v
in,c
对应于干涉仪的最大透射率(例如，与干涉仪的谐振频率一致)。如果发射光312的波长或波长范围是已知的(例如，λ
emission
)，则可以在输入电压v
in,c
和波长或波长范围λ
emission
(例如，输入电压/输出波长数据点对(v
in,c
,λ
emission
))之间建立关系。实际上，这意味着，当输入电压v
in,c
施加到干涉仪104时，干涉仪根据波长或波长范围λ
emission
透射光。
[0080]
在一些实施方式中，传感器模块150可以基于单个数据点对执行自校准。例如，电子控制设备110可以指示内部光源308根据单个波长或波长范围λ
emission
向干涉仪104发射光。在发射光的同时，电子控制设备100可以指示电压源106向干涉仪施加输入电压v
in
的扫描范围，并使用检测器108测量反射光的强度。电子控制设备110可以确定数据点对，该数据点对指示(i)对应于测量的反射光的最小强度的输入电压v
′
in
，以及(ii)由内部光源308发射的光的波长或波长范围λ
emission
(例如，数据点对(v
′
in
,λ
emission
))。基于该确定，电子控制设备110可以确定干涉仪的输出是否已经偏离其参考特性(例如，通过将数据点对与一个或多个先前确定的数据点对或校准查找表、制造处理器期间编程的默认设置等进行比较)，并基于该确定调节输入电压。例如，如果电子控制设备110基于数据点对确定特定输入电压vin导致干涉仪输出与预期不同的波长或光波长范围的光，则电子控制设备110可以在操作期间调节输入电压以考虑该差异(例如，增加或减少输入电压以实现期望的输出)。关于校准过程的数据(例如，数据点对、输入电压调节等)可以被存储(例如，在数据存储设备中)以备将来取得和使用。
[0081]
在一些实施方式中，传感器模块150可以基于多个数据点对执行自校准。例如，电子控制设备110可以指示内部光源308根据第一波长或波长范围λ
emission,1
向干涉仪104发射光。在发射光的同时，电子控制设备110可以指示电压源106向干涉仪施加输入电压v
in
的扫描范围，并使用检测器108测量反射光的强度。电子控制设备110可以确定第一数据点对，该第一数据点对指示(i)对应于电压扫描期间测量的反射光的最小强度的第一输入电压v
′
in,1
，以及(ii)扫描期间由内部光源308发射的光的第一波长或波长范围λ
emission,1
(例如，数据点对(v
′
in,1
,λ
emission,1
))。电子控制设备110可以根据发射光的不同波长或波长范围重复该过程一次或多次，以获得附加的数据点对(例如(v
′
in,2
,λ
emission,2
),(v
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),...(v
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))。
[0082]
基于这些数据点对，电子控制设备110可以确定干涉仪的输出是否已经偏离其参考特性(例如，通过将数据点对与一个或多个先前确定的数据点对或校准查找表、制造处理器期间编程的默认设置等进行比较)，并基于该确定调节输入电压。例如，如果电子控制设备110基于数据点对确定特定输入电压v
in
导致干涉仪输出与预期不同的波长或波长范围的
光，则电子控制设备110可以在操作期间调节输入电压以考虑该差异(例如，增加或减少输入电压以实现期望的输出)。
[0083]
在一些实施方式中，电子控制设备可以基于多个数据点对校准输入电压函数。输入电压函数可以描述例如给定输入电压和干涉仪输出的光的相应波长或波长范围之间的关系(例如，如图2a和2b所示)。作为示例，电子控制设备110可以通过使用一个或多个数据点对作为拟合参数，相对于输入电压函数执行曲线拟合(例如，使用回归技术，例如多项式回归)来校准输入电压函数。作为另一个示例，电子控制设备110可以通过基于一个或多个数据点对移位输入电压函数(例如，相对于输入电压维度和/或输出波长维度)来校准输入电压函数。在一些实施方式中，电子控制设备110可以基于数据点调节查找表。查找表可以指示例如多个离散的输入电压及其相应的由干涉仪输出的光的波长或波长范围(例如，以数据表的形式)。关于校准过程的数据(例如，数据点对、输入电压调节、校准的输入电压函数、调节的查找标签等)可以被存储(例如，在数据存储设备中)以备将来取得和使用。
[0084]
在一些实施方式中，电子控制设备110可以在每次光谱测量之前执行自校准。例如，电子控制设备110可以使用内部光源308执行自校准，然后向干涉仪施加校准的输入电压v
in
，以进行关于所选波长或波长范围的光谱测量(例如，使用光源102)。例如，这有利于提高光谱仪系统的精度和/或准确度。
[0085]
在一些实施方式中，电子控制设备110可以在操作过程期间周期性地执行自校准。例如，电子控制装置110可以使用内部光源308每n次光谱测量和/或每时间间隔t一次地执行自校准。电子控制装置110可以随后向干涉仪施加校准的输入电压v
in
，以关于所选波长或波长范围进行一次或多次光谱测量(例如，使用光源102)。例如，这有利于提高光谱仪系统的精度和/或准确度(例如，与根本不进行任何自校准相比)，同时减少进行自校准过程所花费的时间量(例如，与在每次光谱测量之前进行自校准相比)。
[0086]
在一些实施方式中，光源102可以集成到传感器模块中。作为示例，图5示出了传感器模块500。传感器模块500的方面可以类似于参考图3所示和描述的传感器模块150。例如，传感器模块500包括限定腔302和孔304的外壳300。传感器模块150还包括设置在腔302内(例如，在基板306上)的检测器108，以及设置在孔304和检测器108之间的腔内(例如，在基板306上)的干涉仪104。传感器模块150还包括位于腔302内(例如，在基板306上)的内部光源308和温度敏感传感器314，以便于自校准(例如，如参照图3和图4a
‑
图4c所述)。
[0087]
此外，传感器模块500包括设置在外壳300的第二腔502内的光源102。在传感器模块500的示例操作中，光源102通过外壳300的第二孔504向样本发射光。由样本反射和/或透射通过样本的光的至少一些通过孔304返回到传感器模块500，并且入射到干涉仪104上。基于由电压源(例如，参考图1描述的电压源106)产生的输入电压，干涉仪104选择性地将样本光的子集(例如，特定波长或波长范围内的样本光)透射到检测器108。检测器108测量样本光的子集的特性，并将该测量提供给电子控制设备(例如，参照图1描述的电子控制设备110)。基于该测量，电子控制设备确定关于样本的信息(例如，表示样本光的子集的光谱分布的直方图、样本的特性等)。
[0088]
在一些实施方式中，传感器模块可以包括多个内部光源(例如，多个激光发射器、led等)。内部光源中的至少一些可以被配置为根据不同于其他内部光源的波长或波长范围发射光。这可以是有用的，例如，因为它使得传感器模块150能够关于多个不同的波长或波
长范围执行自校准。作为示例，图6示出了传感器模块600，其具有设置在外壳300的腔302内(例如，在基板306上)的两个内部光源600a和600b。尽管图6中示出了两个内部光源，但实际上，传感器模块可以包括任意数量的内部光源(例如，一个、两个、三个、四个或更多)。
[0089]
在一些情况下，一个或多个内部光源可以被配置为发射光，以便增加或最大化检测器处的对比信号。例如，一个或多个光源可以包括透镜或微透镜，以在干涉仪处以特定角度引导光，使得反射光基本上入射到检测器上。
[0090]
在一些情况下，传感器模块可以被配置为按顺序使用多个内部光源来发射光(例如，以跨发射光的多个不同波长或波长范围进行扫描)。这在例如降低传感器模块的峰值功率负载(例如，因为不是所有的内部光源都同时发射光)中是有用的。
[0091]
在一些情况下，传感器模块可以被配置为同时使用多个内部光源来发射光(例如，以同时发射具有多个波长或波长范围的光)。例如，这有助于减少执行自校准过程所需的时间量。
[0092]
在一些情况下，传感器模块可以被配置为检测传感器模块何时已经损坏。例如，以关于图3和图4a
‑
图4c描述的类似方式，传感器模块可以使用内部光源向干涉仪发射光，并且使用检测器测量反射光。如果测量的反射光为零或基本为零(例如，在跨扫描的输入电压的范围上)，传感器模块可以确定传感器模块被损坏。例如，如果内部光源、检测器和/或干涉仪被损坏或以其他方式被包括在内，则这可能发生。光谱仪系统可以向用户指示这种损坏(例如，经由显示屏、指示灯、音频扬声器等)。
[0093]
示例过程
[0094]
图7示出了用于使用光谱仪系统的示例过程700。可以执行过程700来测量从样本反射和/或透射通过样本的光的光谱分布。在一些实施方式中，过程700可以由图1、图3、图5和图6所示的光谱仪系统和/或传感器模块中的一个或多个来执行。
[0095]
在过程700中，施加到电压可调干涉仪的输入电压被改变(步骤702)。例如，如图1所示，电压源106可以基于来自电子控制设备110的指令向干涉仪104施加输入电压，并在一段时间内改变该输入电压。
[0096]
在改变施加到干涉仪的输入电压的同时，向干涉仪发射光，并且测量从干涉仪反射的光(步骤704)。例如，如图3和图5所示，内部光源308可以向干涉仪104发射光。在一些实施方式中，光可以由多个发光元件按顺序发射。在一些实施方式中，光可以由多个发光元件同时发射。例如，如图6所示，光可以由两个内部光源600a和600b按顺序或同时发射。
[0097]
基于所测量的从干涉仪反射的光确定校准的输入电压(步骤706)。在一些实施方式中，可以通过确定对应于所测量的从干涉仪反射的光的最小强度的输入电压的值来确定校准的输入电压。此外，可以确定对应于所测量的从干涉仪反射的光的最小强度的输入电压的值是校准的输入电压。例如，参考图4a
‑
图4c描述了用于确定校准的输入电压的示例技术。
[0098]
校准的输入电压被施加到干涉仪(步骤708)。作为示例，如图1所示，电压源106可以基于来自电子控制设备110的指令向干涉仪104施加校准的输入电压(例如，基于这里描述的校准技术)。
[0099]
在向干涉仪施加校准的输入电压的同时，使用光电检测器获得一个或多个光谱测量(步骤710)。获得一个或多个光谱测量可以包括向对象发射样本光，以及测量从对象反射
的样本光。在一些实施方式中，最初发射的光可以在第一波长范围内，样本光可以在第二波长范围内。第一波长范围可以不同于第二波长范围。在一些实施方式中，第一波长范围可以比第二波长范围更窄。
[0100]
示例系统
[0101]
本说明书中描述的主题和操作的一些实施方式可以在数字电子电路中实现，或者在包括本说明书中公开的结构及其结构等同物的计算机软件、固件或硬件中实现，或者在它们中的一个或多个的组合中实现。例如，在一些实施方式中，光谱仪系统100和/或传感器模块150、500或600的一个或多个组件(例如，电子控制设备110)可以使用数字电子电路来实现，或在计算机软件、固件或硬件中实现，或在它们中的一个或多个的组合中实现。在另一个示例中，图7所示的过程可以使用数字电子电路来实现，或者在计算机软件、固件或硬件中实现，或者在它们中的一个或多个的组合中实现。
[0102]
本说明书中描述的一些实施方式可以实现为数字电子电路、计算机软件、固件或硬件的一个或多个组或模块，或者它们中的一个或多个的组合。尽管可以使用不同的模块，但是每个模块不必是不同的，并且多个模块可以在相同的数字电子电路、计算机软件、固件或硬件或其组合上实现。
[0103]
本说明书中描述的一些实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序，即编码在计算机存储介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机存储介质可以是或可以包括在计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或设备或它们中的一个或多个的组合中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质也可以是或包括在一个或多个单独的物理组件或介质(例如，多个cd、磁盘或其他存储设备)中。
[0104]
术语“数据处理装置”包括用于处理数据的所有种类的装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机、片上系统、或前述的多个或其组合。该装置可以包括专用逻辑电路，例如现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic)。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机或它们中的一个或多个的组合的代码。该装置和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础设施，例如网络服务、分布式计算和网格计算基础设施。
[0105]
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明或过程语言。计算机程序可以(但不是必须)对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者存储在多个协同文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)。计算机程序可以被部署为在一台计算机上或位于一个站点或分布在多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。
[0106]
本说明书中描述的一些过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并产生输出来执行动作。这些过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路来执行，并且装置也可以被实现为专用逻辑电路，
例如，现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic)。
[0107]
例如，适于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器、以及任何类型的数字计算机的处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机包括用于根据指令执行动作的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。计算机还可以包括或可操作地耦合到一个或多个用于存储数据的大容量存储设备(例如磁盘、磁光盘或光盘)，以从该一个或多个大容量存储设备接收数据或向该一个或多个大容量存储设备传送数据，或者两者皆有。然而，计算机不需要有这样的设备。适于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备(例如，eprom、eeprom、闪存设备等)、磁盘(例如，内部硬盘、可移动磁盘等)、磁光盘以及cd
‑
rom和dvd
‑
rom盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路来补充或结合在其中。
[0108]
为了提供与用户的交互，可以在具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，监视器或另一种类型的显示设备)和用户通过其可以向计算机提供输入的键盘和定点设备(例如，鼠标、轨迹球、平板电脑、触敏屏幕或另一种类型的定点设备)的计算机上实现操作。也可以使用其他类型的设备来提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且来自用户的输入可以以任何形式被接收，包括声音、语音或触觉输入。此外，计算机可以通过向用户使用的设备发送文档和从用户使用的设备接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从网络浏览器接收的请求，将网页发送到用户客户端设备上的网络浏览器。
[0109]
计算机系统可以包括单个计算设备或多个计算机，这些计算机彼此靠近或大体上远离彼此进行操作，并且通常通过通信网络进行交互。通信网络的示例包括局域网(“lan”)和广域网(“wan”)、互联网络(例如因特网)、包括卫星链路的网络以及对等网络(例如ad hoc对等网络)。客户端和服务器的关系可以借助于运行在各自计算机上并且彼此具有客户端
‑
服务器关系的计算机程序而产生。
[0110]
图8示出了包括处理器810、存储器820、存储设备830和输入/输出设备840的示例计算机系统800。组件810、820、830和840中的每一个可以例如通过系统总线850互连。在一些实施方式中，计算机系统800可以用于控制光谱仪的操作。例如，图1所示的电子控制设备110可以包括计算机系统800，以控制光谱仪的一个或多个组件的操作和/或处理测量数据。处理器810能够处理在系统800内执行的指令。在一些实施方式中，处理器810是单线程处理器、多线程处理器或另一种类型的处理器。处理器810能够处理存储在存储器820中或存储设备830上的指令。存储器820和存储设备830可以在系统800内存储信息。
[0111]
输入/输出设备840为系统800提供输入/输出操作。在一些实施方式中，输入/输出设备840可以包括网络接口设备(例如以太网卡)、串行通信设备(例如rs
‑
232端口)和/或无线接口设备(例如802.11卡、3g无线调制解调器、4g无线调制解调器、5g无线调制解调器等)中的一个或多个。在一些实施方式中，输入/输出设备可以包括被配置为接收输入数据并将输出数据发送到其他输入/输出设备(例如，键盘、打印机和显示设备860)的驱动器设备。在一些实施方式中，可以使用移动计算设备、移动通信设备和其他设备。
[0112]
虽然本说明书包含许多细节，但是这些细节不应被解释为对所要求保护的范围的限制，而是对特定于特定示例的特征的描述。本说明书中在单独实施方式的上下文中描述
的某些特征也可以被组合。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中分别实现或者以任何合适的子组合实现。
[0113]
已经描述了许多实施例。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在权利要求的范围内。