光谱整合校正方法及多光谱光谱仪与流程

1.本发明涉及一种光学校正方法与光谱仪，且特别是涉及一种光谱整合校正方法及多光谱光谱仪。


背景技术：

2.对于采用单一光侦测器的光谱仪而言，受限于光侦测器的材料，其波长感测范围较为受限，无法广泛地感测各种不同的波长。因此，可采用具有多个不同的光侦测器的光谱仪来分别感测不同的波长范围。
3.采用多个不同的光侦测器来分别感测不同的波长范围可以得到多个不同波长范围的光谱，然而这些光谱却难以整合成一个光谱。首先，不同的光侦测器的光谱响应不同，因此若是硬把两个光谱合并起来，会有无法定量整合的问题。此外，当采用切换光路控制反射镜作不同的光侦测器的侦测切换时，无法实时(real-time)监控待测物而达到光谱输入信号的实时分配。


技术实现要素：

4.本发明是针对一种光谱整合校正方法，其可将光谱仪调校成可将多个子光谱良好地整合。
5.本发明是针对一种多光谱光谱仪，其可将多个子光谱良好地整合成一个光谱。
6.本发明的一实施例提出一种光谱整合校正方法，包括：提供多光谱光谱仪，多光谱光谱仪包括多个子光谱仪，用以分别量测多个不同波长范围的子光谱；利用多光谱光谱仪量测至少一波长校正件的光谱，并利用至少一波长校正件的光谱的多个已知特征波长，分别校正这些子光谱仪的侦测波长；以及利用多光谱光谱仪量测至少一标准反射件的光谱，并利用至少一标准反射件的已知反射率获得这些子光谱仪各别的光谱强度当量。
7.本发明的一实施例提出一种多光谱光谱仪，用以量测待测物的光谱。多光谱光谱仪包括光源、分光元件、多个子光谱仪及控制器。光源用以提供照明光束，以照射待测物，其中待测物将照明光束反射成信号光。分光元件配置于信号光的路径上，且将信号光分成多个子光束。这些子光谱仪分别配置于这些子光束的传递路径上，以测得多个波长范围不同的子光谱。控制器电性连接至这些子光谱仪，用以将这些子光谱转换成相同的光谱强度当量后整合成一个光谱。
8.在本发明的实施例的光谱整合校正方法中，由于利用波长校正件和标准反射件来校正多个子光谱仪的波长及其所获得的多个子光谱的光谱强度当量，因此可将多光谱光谱仪调校成可将多个子光谱良好地整合。在本发明的实施例的多光谱光谱仪中，由于控制器将这些子光谱转换成相同的光谱强度当量后整合成一个光谱，因此可将多个子光谱良好地整合成一个光谱。
附图说明
9.图1为本发明的一实施例的多光谱光谱仪的剖面示意图。
10.图2为本发明的一实施例的光谱整合校正方法的流程图。
11.图3是图1的波长校正件的吸收光谱图。
12.图4a与图4b分别为图1的多光谱光谱仪的两个子光谱仪所测得的本机反射板的反射子光谱。
13.图5a、图5b、图5c及图5d分别为图2的实施例中的第一标准反射件、第二标准反射件、第三标准反射件及第四标准反射件的反射光谱。
14.图6为经图2的光谱整合校正方法校正好的图1的多光谱光谱仪量测样本时所得到的经整合后的光谱。
具体实施方式
15.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
16.图1为本发明的一实施例的多光谱光谱仪的剖面示意图。请参照图1，本实施例的多光谱光谱仪100用以量测待测物50的光谱。多光谱光谱仪100包括至少一光源110(图1中是以两个光源110为例，但本发明不以此为限)、分光元件121、多个子光谱仪130及控制器140。光源110用以提供照明光束112，以照射待测物50，而待测物50将照明光束112反射成信号光52。在本实施例中，光源110例如为钨丝灯、卤素灯、其他黑体辐射源或其他适当的具有连续光谱的光源。
17.分光元件121配置于信号光52的路径上，且将信号光52分成多个子光束53。在本实施例中，多光谱光谱仪100还包括y型光纤120，而分光元件121为y型光纤120的入光端。y型光纤120包括至少二条子光纤122，这些子光纤122在一端(即在图1中分光元件121所在位置的一端)靠在一起，而在另一端是分开的。来自待测物50的信号光52照射于这些子光纤122的一端，而分别进入这些子光纤122中。
18.这些子光谱仪130分别配置于这些子光束53的传递路径上，以测得多个波长范围不同的子光谱。在本实施例中，这些子光纤122分别连接至不同的这些子光谱仪130，而使得这些子光谱仪130能够分别量测到这些子光束53。
19.在另一实施例中，分光元件121也可以是分光镜或分光棱镜，以将信号光52分成两道子光束53，而这两道子光束53再分别经由两个光纤传递至两个子光谱仪130。
20.在本实施例中，控制器140电性连接至这些子光谱仪130，用以将这些子光谱转换成相同的光谱强度当量后整合成一个光谱。在一实施例中，控制器140例如为中央处理单元(central processing unit,cpu)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor,dsp)、可程序化控制器、可程序化逻辑设备(programmable logic device,pld)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。此外，在一实施例中，控制器140的各功能可被实作为多个程序代码。这些程序代码会被储存在一个内存中，由控制器140来执行这些程序代码。或者，在一实施例中，控制器140的各功能可被实作为一或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作控制器140的各功能。
21.在本实施例的多光谱光谱仪100中，由于控制器140将这些子光谱转换成相同的光
谱强度当量后整合成一个光谱，因此可将多个子光谱良好地整合成一个光谱。如此一来，有助于让使用者便于从单一一个波长范围较广的光谱判读待测物50的特性。
22.在本实施例中，多光谱光谱仪100还包括半积分球150，用以覆盖待测物50，其中光源110与分光元件121设置于半积分球150的球壳上。此外，在本实施例中，多光谱光谱仪还包括准直透镜160，设置于半积分球150的球壳上，其中准直透镜160用以将信号光52准直地传递至分光元件121，且尽量地将信号光束52平均地分配至不同的子光纤122。
23.以下内容将介绍如何将多光谱光谱仪100校正成可将多个子光谱良好地整合成一个光谱的光谱整合校正方法。
24.图2为本发明的一实施例的光谱整合校正方法的流程图。请参照图1与图2，本实施例的光谱整合校正方法可用以校正图1的多光谱光谱仪100及其各种可能的变化实施例的多光谱光谱仪。光谱整合校正方法包括下列步骤。首先，执行步骤s110，提供多光谱光谱仪100，多光谱光谱仪100包括多个子光谱仪130，用以分别量测多个不同波长范围的子光谱。接着，执行步骤s120，利用多光谱光谱仪100量测至少一波长校正件60的光谱，并利用至少一波长校正件60的光谱的多个已知特征波长，分别校正这些子光谱仪130的侦测波长。波长校正件60可放置于待测物50的位置，以取代待测物50，并供这些子光谱仪量测波长校正件60的光谱。
25.图3是图1的波长校正件60的吸收光谱图。请参照图1至图3，波长校正件60是一个标准件，其特征波长为已知，而特征波长例如为吸收光谱的波峰的波长，或者为反射光谱的波谷的波长。这些子光谱仪130所直接测得的例如是反射光谱，但反射光谱可藉由控制器140简单地转换成吸收光谱，例如是利用归一化的数值或较高的数值减去各波长的反射光谱强度。而特征波长可以从吸收光谱来看，也可以从反射光谱来看。当子光谱仪130的影像传感器(例如是一维或二维感测阵列)的某一像素感测到特征波长的波谷(当采用反射光谱来校正时)或波峰(当采用吸收光谱来校正时)，则可将此像素位置定义为光谱中特征波长的位置，因此便能够校正光谱的横轴(即波长)。
26.在本实施例中，校正这些子光谱仪130的侦测波长还包括根据这些已知特征波长作数值内插法计算，并利用计算所得的数值来校正这些子光谱仪130的侦测波长，以使这些子光谱仪130的波长刻度大小一致。如此一来，不同的子光谱仪130的横轴的刻度(即波长的刻度)便能够大小一致，以利于将来将多个子光谱整合成一个单一的光谱，而从短波长至长波长均有一致的波长刻度。
27.在一实施例中，可采用多个不同的波长校正件60来校正不同波段的波长。举例而言，上述至少一波长校正件60包括第一波长校正件及第二波长校正件，该第一波长校正件的最大特征波长大于该第二波长校正件的最大特征波长。其中，第一波长校正件可用来校正较长波长的波段中的波长，而第二波长校正件可以用来校正较短波长的波段中的波长。第一波长校正件的材料可包括油状有机物，而第二波长校正件的材料可包括稀土金属，但本发明不限制第一波长校正件与第二波长校正件的材料，只要是在多光谱光谱仪100的侦测范围内具有特征波长的材料所形成的标准件皆可用来作为波长校正件60。波长校正件60的校正标准可追溯至所属领域中具有通常知识者所熟知的nist标准，其中nist的全名为“national institute of standards and technology”。
28.然后，执行步骤s130，利用多光谱光谱仪100量测至少一标准反射件70的光谱，并
利用至少一标准反射件70的已知反射率获得这些子光谱仪130各别的光谱强度当量。图4a与图4b分别为图1的多光谱光谱仪的两个子光谱仪所测得的本机反射板的反射子光谱。从图4a与图4b可知，两个子光谱除了波长范围不一样之外，纵轴的光谱强度的刻度大小也不一样。此时，若把两个子光谱硬是拼凑起来，则无法形成一个从900纳米至2400纳米的连续光谱，而是会形成中间有段差且在约1600纳米以后光谱强度因为相对变小很多而几乎看不见的奇怪且不正常的光谱形状。此时，可让这些子光谱仪130量测标准反射件70，而标准反射件70在各波长的反射率均为已知，因此可将两个子光谱的光谱强度都调到相同的当量。举例而言，可将两个子光谱的至少其中之一的光谱强度乘以适当的倍数，例如两个子光谱中对应到标准反射件70的99％的反射率的光谱强度应该是要一致的，因此将两个光谱强度的至少其中之一乘以适当的倍数，而将两个光谱强度调成一致，也就是调成相同的光谱强度当量。在一实施例中，标准反射件70的材料例如为金属，但本发明不以此为限。
29.图5a、图5b、图5c及图5d分别为图2的实施例中的第一标准反射件、第二标准反射件、第三标准反射件及第四标准反射件的反射光谱。请参照图1、图2及图5a至图5d，上述至少一标准反射件70包括第一标准反射件及第二标准反射件，第一标准反射件的反射率大于第二标准反射件的反射率。光谱整合校正方法还包括根据第一标准反射件的已知反射率推算反射率为百分之百时所对应的光谱强度，且根据第二标准反射件的已知反射率推算反射率为零时所对应的光谱强度。具体而言，在图5a的第一标准反射件的反射光谱中，有高原区的反射率约为0.99，因此当子光谱仪130量测到具有此高原区的光谱时，可把高原区的光谱强度视为反射率为0.99，并线性地推算出反射率为1时所对应的光谱强度，例如将高原区的光谱强度除以0.99再乘以1，以得到反射率为1时所对应的光谱强度。
30.另一方面，第二标准反射件的反射率约为0.02，因此子光谱仪130中量测到的第二标准反射件的反射光谱的强度可视为0.02，然后再线性地推算出反射率为0时所对应的光谱强度，如此便可校正出子光谱仪130的绝对归零基线的强度位置，且修正了暗噪声归零背景值。
31.在本实施例中，上述至少一标准反射件70可还包括第三标准反射件，第三标准反射件的反射率介于第一标准反射件的反射率与第二标准反射件的反射率之间，且光谱整合校正方法还包括根据第三标准反射件的已知反射率推算反射率为中间值时所对应的光谱强度，其中此中间值介于0与百分之百之间。举例而言，第三标准反射件的反射率随着波长的变化约从0.72变化到0.86，因此可把子光谱仪130所测得的第三标准反射件的光谱信号强度依对应的波长的不同分别视为从0.72至0.86，然后再线性推算出反射率为0.75的刻度线所在的位置。
32.同理，上述至少一标准反射件70可还包括第四标准反射件，第四标准反射件的反射率随着波长的变化约从0.48变化到0.56，因此可把子光谱仪130所测得的第三标准反射件的光谱信号强度依对应的波长的不同分别视为从0.48至0.56，然后再线性推算出反射率为0.5的刻度线所在的位置。
33.上述的标准反射件70的数量并不限制，数量较多时可将纵轴(即反射率)校正得更为准确。校正了标准反射件70的反射率之后，可用内插法或外推法来推算出反射率从0到1之间的每一个刻度所对应的光谱强度，也就是校正了从0到1之间的每一个刻度。此外，由于子光谱仪130的影像传感器的光谱响应强度与实际的反射率大小可能呈现非线性的变化，
且不同的子光谱仪130的影像传感器由于材料可能不同而导致上述的非线性的变化呈现不同的情形，因此采用数量较多的不同反射率的标准反射件70(例如对应至图5c的第三标准反射件或对应至图5d的第四标准反射件，其具有较接近中等程度的反射率)有助于校正这些非线性的变化，而能更精确地采用内插法或外推法来推算出反射率从0到1之间的每一个刻度所对应的光谱强度。如此一来便能够确认测试样品信号的灵敏度的绝对定量变化。
34.标准反射件70的校正标准符合所属领域中具有通常知识者所熟知的nist标准与nvlap校正(nvlap calibration)标准，其中nvlap的全名为“national voluntary laboratory accreditation program”。
35.之后，执行步骤s140，根据这些子光谱仪130各别的光谱强度当量将这些子光谱仪130所分别测得的多个子光谱转换成相同的光谱强度当量后整合。也就是说，根据步骤s130中校正好的反射率将多个子光谱以相同的反射率刻度标准结合成一个单一的光谱，则此单一的光谱便是一个完整的从短波长至长波长的良好光谱。
36.图6为经图2的光谱整合校正方法校正好的图1的多光谱光谱仪量测样本时所得到的经整合后的光谱。由图6可知，图1的多光谱光谱仪100所获得的经整合后的光谱为一个从短波长至长波长的良好光谱，且多光谱光谱仪100可据此输出校正报告。此外，多光谱光谱仪100可将上述校正值储存于内建储存器或传递至服务器以供参考。这样的一个样本也可以用来被其他的多光谱光谱仪100量测以获得光谱，而从此光谱就可以快速地确认其他的多光谱光谱仪是否有校正好。
37.此外，图2的步骤s120与步骤s130所更正好的波长及反射率数据可以透过控制器140储存在储存器内，待多光谱光谱仪100出厂后，便能够直接采用储存器内所储存的数据来执行步骤s140，以透过控制器140来将多个子光谱转换成相同的光谱强度当量后整合成一个单一的、波长范围较广且良好的光谱。
38.综上所述，在本发明的实施例的光谱整合校正方法中，由于利用波长校正件和标准反射件来校正多个子光谱仪的波长及其所获得的多个子光谱的光谱强度当量，因此可将多光谱光谱仪调校成可将多个子光谱良好地整合。在本发明的实施例的多光谱光谱仪中，由于控制器将这些子光谱转换成相同的光谱强度当量后整合成一个光谱，因此可将多个子光谱良好地整合成一个光谱。
39.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。