CN113984682B - 一种用光源校准标准白板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用光源校准标准白板的方法，包括以下步骤：S1、采集光源的光谱，记为第一光谱；S2、采集待校准的标准白板的光谱，记为第二光谱，确定所述第二光谱中的稳定区间；S3、利用所述稳定区间的光谱值计算校准系数k；S4、计算所述标准白板的校准光谱的光谱值K；其中，所述校准系数k的计算公式为：k=b/a；b为所述第二光谱的所述稳定区间的光谱值，a为所述第一光谱中所述稳定区间的光谱值。本发明实现了标准白板在使用过程中不受现有标准白板反射率差、不同标准白板提供的标准不一致等的干扰，在全波长波段保持稳定，在分析漫反射光谱等指标方面有实用意义。

Description

一种用光源校准标准白板的方法
技术领域
本发明涉及标准计量器具的技术领域，具体地涉及一种利用光源校准标准白板的方法。
背景技术
标准白板是色度标准计量器具，由色度国家基准溯源于理想的完全反射漫射体，赋值为绝对光谱反射比。根据使用要求和技术条件，标准白板可分为以下三大类：传递标准白板、工作标准白板和参比标准白板。其中，传递标准白板是用于“传递”反射比量值，比如上级计量部门向下级计量部门、高一级仪器向低一级仪器的量值传递或同级仪器之间的量值比对。工作标准白板是指某台仪器专用的，作为常校准仪器用的标准，又称仪器工作标准白板。参比标准白板固定于双光路测色仪的参比光束窗口处，其反射比量值不必知道，但要求反射比高、漫射性好、光谱选择性小等特点。主要用于仪器校准基线，以及在测量中消除诸如光源和探测器灵敏度不稳定性，或光路不对称性等因素带来的系统误差。
由于材料和工艺条件等的差异，标准白板不可能完全相同，因此必须逐块检测才能保证量值的准确可靠。现有的标准白板本身存在的光谱反射误差，一致性差。
综上，现需要设计一种用光源校准标准白板的方法以解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术中问题，本发明提供了一种用光源校准标准白板的方法，可以用于漫反射测量时替代标准白板光谱，在使用时随时调出与被测样品进行对比确定样品的反射率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用光源校准标准白板的方法，包括以下步骤：
S1、采集光源的光谱，记为第一光谱；
S2、采集待校准的标准白板的光谱，记为第二光谱，确定所述第二光谱中的稳定区间；
S3、利用所述稳定区间的光谱值计算校准系数k；
S4、计算所述标准白板的校准光谱的光谱值K；
其中，所述校准系数k的计算公式为：k=b/a；b为所述第二光谱的所述稳定区间的光谱值，a为所述第一光谱中所述稳定区间的光谱值。
在本发明的一些实施例中，所述校准光谱的光谱值K的计算公式为：K=A*k，其中，A为所述第一光谱的全范围光谱值。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S1中的采集步骤为：
S11、将光源光纤的一端与光源连接，其另一端插入到光纤固定座中；
S12、将光谱采集光纤的一端与光纤光谱仪连接，其另一端与所述光源光纤相对设置并固定于光纤固定座中；
S13、开启光源，所述光纤光谱仪得到所述第一光谱。
在本发明的一些实施例中，所述 步骤S2的采集步骤为：
S21、将光源光纤的一端与光源连接，其另一端以倾斜角α插入到光纤固定座中；
S22、将光谱采集光纤的一端与光纤光谱仪连接，其另一端与所述光源光纤同侧设置并垂直插入到光纤固定座中；
S23、将所述待校准标准白板放置于所述光纤固定座的下方；
S24、开启光源，所述光纤光谱仪得到所述第二光谱；
S25、根据所述步骤S24中所述第二光谱确定所述稳定区间。
在本发明的一些实施例中，所述倾斜角α的取值为45°。
在本发明的一些实施例中，所述稳定区间的波长范围是500-900nm。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S12中，所述光谱采集光纤和所述光源光纤位于同一光纤通孔中，该光纤通孔位于所述光纤固定座中。
在本发明的一些实施例中，所述光纤光谱仪与控制处理模块通信连接，所述控制处理模块用于计算所述校准系数k和所述光谱值K。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明通过增加并计算校准系数k的步骤，对标准白板的误差较大的波段进行校正，其稳定性重复性得到保证，特别是短波范围保持稳定。实现了标准白板在使用过程中不受现有标准白板反射率差、不同标准白板提供的标准不一致等的干扰，在全波长波段保持稳定，在分析漫反射光谱等指标方面有实用意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为所述白板光谱测试装置连接示意图。
图2为所述光源光谱测试装置连接示意图。
图3为校准前第一光谱和第二光谱的光谱图。
图4为校准后第一光谱和第二光谱的光谱图。
图5为多个标准白板相对一个标准白板的光谱反射率示意图。
附图标记：100-光源；200-光源光纤；300-光纤光谱仪；400-光谱采集光纤；500-控制处理模块；600-光纤固定座；700-载物台；800-标准白板；900-光源直通光谱仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
标准白板是一种光学传递标准，是由国家计量院（国家标准局）提供一种已经标定过的、有光谱反射率数据的白板，广大用户要依据这个数据来测量其它样品的光学性能。不管你采用何种仪器，也不管你采用什么方法，所有测量数据最终都要追溯到国家计量院的标准上，只有这样，各家的测量才有可比性，有效性，准确性与可信度。对标准白板的要求：
(1)高反射比。要求反射比值尽可能高，如高于0.97。
(2)漫射性能好。表面无光泽，接近朗伯漫射体。
(3)光谱选择性小。即中性好，对各波长都有同样的高光谱反射比。
(4)具有不透光性，以避免背景和边缘损耗。
(5)平整性和均匀性好。整个表面平整，各点的反射比相同。
(6)足够好的光学稳定性。
由于材料和工艺条件等的差异，标准白板不可能完全相同，必须逐块检测才能保证量值的准确可靠。参照图5所示，经过测量多个标准白板相对一个标准白板的光谱反射率实验可以得到，在波长460nm以下的范围内，不同标准白板反射光谱有明显的差别，差别率达60%以上。
因此本发明提出一种用光源校准标准白板的方法，可以解决现有标准白板本身存在的光谱反射误差，解决现有标准白板一致性差的问题。提供的光源校准标准白板光谱可以用于漫反射测量时代替标准白板光谱，在使用时随时调出与被测样品进行对比确定样品反射率。利用光源、光纤、光谱仪、标准白板，建立光源光谱与标准白板光谱之间的关系，保存起来作为光源校准标准白板光谱。
具体包括以下步骤：
S1、采集光源的光谱，记为第一光谱；
在本发明的一些实施例中，所述步骤S1中的采集步骤为：
S11、参照图2所示，将光源光纤200的一端与光源100连接，其另一端插入到光纤固定座600中；
S12、将光谱采集光纤400的一端与光纤光谱仪300连接，其另一端与所述光源光纤200相对设置并固定于光纤固定座600中；
S13、开启光源100，所述光纤光谱仪300得到所述第一光谱，该第一光谱如图3中的所示。
该步骤中主要是用于建立光源100经光源光纤200到光谱采集光纤400的固定通道，便于采集光源光纤200的光谱。
S2、参照图1所示，采集待校准的标准白板800的光谱，记为第二光谱，确定所述第二光谱中的稳定区间；
在本发明的一些实施例中，所述 步骤S2的采集步骤为：
S21、将光源光纤200的一端与光源连接，其另一端以倾斜角α插入到光纤固定座600中；该倾斜角α一般采用45°；
S22、将光谱采集光纤400的一端与光纤光谱仪300连接，其另一端与所述光源光纤200同侧设置并垂直插入到光纤固定座600中；
S23、将所述待校准标准白板800放置于所述光纤固定座600的下方；具体是放置在载物台700上；
S24、开启光源100，所述光纤光谱仪300得到所述第二光谱；该第二光谱如图3中所示；由于材料和工艺条件等的差异，标准白板800的反射光谱不可能完全相同，但是在一定区间是稳定的；
S25、根据所述步骤S24中所述第二光谱确定所述稳定区间；根据实验结果，该稳定区间的波长范围是500-900nm；即在该波长范围内，各个标准白板800的反射光谱相对稳定；
参照图3可知，第一光谱（虚线）和第二光谱（实线）的形状基本相同，但两者的纵坐标不同。
S3、利用所述稳定区间的光谱值计算校准系数k；
其中，所述校准系数k的计算公式为：k=b/a；b为所述第二光谱的所述稳定区间的光谱值，a为所述第一光谱中所述稳定区间的光谱值。
S4、计算所述标准白板的校准光谱的光谱值K；
在本发明的一些实施例中，所述校准光谱的光谱值K的计算公式为：K=A*k，其中，A为所述第一光谱的全范围光谱值。
在本发明的一些实施例中，校准系数k为3，该校准系数会因光纤传递、光谱仪积分时间等影响而不同。
参照图4所示，其为校准后第一光谱（点虚线）和第二光谱（实线）的光谱图，校准后的第一光谱的反射光强基本与第二光谱的反射光强一致。
参照图1所示，关于标准白板的光谱测试装置，该装置是以45°反射测量为例，光源光纤200以45°倾斜角插入光纤固定座600中，光纤固定座600中设有相应的光纤通孔，该光纤通孔贯穿光纤固定座600，在光纤固定座600的下方设有载物台700，将待校准标准白板800放置于载物台700上，也对应放置在光纤通孔的下方。另外将光谱采集光纤400在光源光纤200的同一侧插入到光纤固定座600中，使得其能够接收到经标准白板800反射后的光源。打开光源100后，依次经过光源光纤200和标准白板800反射后被光谱采集光纤400接收；该光谱采集光纤400将得到的光谱传输到光纤光谱仪300中，再通过数据线等传输到控制处理模块500，利用该控制处理模块进行校准系数k的计算以及校正后光谱值的计算。
参照图2所示，关于光源光谱的采集，设计使用光纤直通方式进行。光源光纤200和光谱采集光纤400分别从光纤固定座600的两侧插入到同一个光纤通孔中，两个光纤之间不设置任何器件；同样地，打开光源100后，经过光源光纤200后直接被光谱采集光纤400接收；该光谱采集光纤400将得到的光谱传输到光纤光谱仪300中，再通过数据线等传输到控制处理模块500，利用该控制处理模块进行校准系数k的计算以及校正后光谱值的计算。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明用光纤连接光源和光谱仪，采集光源发光的光谱，然后用光纤连接光源、标准白板、光谱仪，采集标准白板光谱；利用标准白板在反射率稳定性好的特定波长范围，在这个特定波长范围内，用标准白板与光谱光源光谱比较得出一个系数，用这个系数乘以全波长范围内的光源光谱，得出光源校准标准白板光谱。
本发明通过增加计算校准系数k的步骤，校准系数k计算，是利用现有标准白板光谱稳定范围内的数据，与光源光谱同范围数据比较得出。对标准白板的误差较大的波段进行校正，其稳定性重复性得到保证，特别是短波范围保持稳定。实现了标准白板在使用过程中不受现有标准白板反射率差、不同标准白板提供的标准不一致等的干扰，在全波长波段保持稳定，在分析漫反射光谱等指标方面有实用意义。
在应用过程中，根据图1所示的装置，将待测样品放置于载物台上，获取样品的光谱后，控制处理模块将样品的光谱比较光源校准标准白板的光谱，得出样品的反射光谱。即在使用过程中，制处理模块可以随时调出经光源校准后的标准白板的光谱与被测样品进行对比确定样品反射率。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用光源校准标准白板的方法，包括以下步骤：
S1、采集光源的光谱，记为第一光谱；
S2、采集待校准的标准白板的光谱，记为第二光谱，确定所述第二光谱中的稳定区间；
S3、利用所述稳定区间的光谱值计算校准系数k；
S4、计算所述标准白板的校准光谱的光谱值K；
其中，所述校准系数k的计算公式为：k=b/a；b为所述第二光谱的所述稳定区间的光谱值，a为所述第一光谱中所述稳定区间的光谱值；
所述校准光谱的光谱值K的计算公式为：K=A×k，其中，A为所述第一光谱的全范围光谱值；
所述稳定区间为一定的波长范围，即在该波长范围内，标准白板的反射光谱相对稳定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的采集步骤为：
S11、将光源光纤的一端与光源连接，其另一端插入到光纤固定座中；
S12、将光谱采集光纤的一端与光纤光谱仪连接，其另一端与所述光源光纤相对设置并固定于光纤固定座中；
S13、开启光源，所述光纤光谱仪得到所述第一光谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述 步骤S2的采集步骤为：
S21、将光源光纤的一端与光源连接，其另一端以倾斜角α插入到光纤固定座中；
S22、将光谱采集光纤的一端与光纤光谱仪连接，其另一端与所述光源光纤同侧设置并垂直插入到光纤固定座中；
S23、将所述待校准的标准白板放置于所述光纤固定座的下方；
S24、开启光源，所述光纤光谱仪得到所述第二光谱；
S25、根据所述步骤S24中的所述第二光谱确定所述稳定区间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述倾斜角α的取值为45°。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳定区间的波长范围是500-900nm。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S12中，所述光谱采集光纤和所述光源光纤位于同一光纤通孔中，该光纤通孔位于所述光纤固定座中。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光纤光谱仪与控制处理模块通信连接，所述控制处理模块用于计算所述校准系数k和所述光谱值K。
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