CN116429260A - 光谱仪的波长标定方法、装置、设备及可读存储介质 - Google Patents

光谱仪的波长标定方法、装置、设备及可读存储介质 Download PDF

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CN116429260A CN202310416303.0A CN202310416303A CN116429260A CN 116429260 A CN116429260 A CN 116429260A CN 202310416303 A CN202310416303 A CN 202310416303A CN 116429260 A CN116429260 A CN 116429260A
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刘川
任昆龙
任斌
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Tan Kah Kee Innovation Laboratory
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Abstract

本申请公开了一种光谱仪的波长标定方法、装置、电子设备及可读存储介质，应用于光学技术领域。其中，方法包括使用待标定光谱仪检测标准灯源，得到多条标准谱线的真实波长值及各标准谱线所处的像元位置。根据光栅衍射的光路几何关系确定CCD各列像元的波长表达式并设置两个待定参数，通过选择其中两条标准谱线的波长与像元位置对应关系，确定待定参数，从而确定CCD各列像元与波长的初步对应关系；再使用初步对应关系获得标准灯源其它谱线的总偏差量，根据光谱仪实际搭建中的非理想状态而设置的光路几何参数变量确定总偏差量的最小值，这样使得光路的实际几何参数得到校正，从而完成光谱仪波长的标定；本申请可以提高光谱仪的波长标定精准度。

Description

光谱仪的波长标定方法、装置、设备及可读存储介质
技术领域
本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种光谱仪的波长标定方法、装置、电子设备及可读存储介质。
背景技术
光谱仪以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上或扫描某一波段进行强度测定，其作为一种无损检测技术被广泛应用在各行各业。以拉曼光谱仪为例，拉曼光谱为基于拉曼散射的光谱技术，其可根据物质中化学键的振动反映出分子的指纹光谱，被广泛应用在医药、食品安全、宝石鉴定、毒品检测等领域中。目前，对于采用光栅分光，CCD(charge coupled device，电耦合器件)多通道检测光谱的方式的光谱仪，理论上可以通过计算或者软件模拟出波长与光栅衍射角度的几何关系，基于该几何关系便可以确定每个CCD像元对应的检测波长，进而得出每个像元对应的光谱。然而，受限于光谱仪的加工精度，光学元件参数本身的误差以及安装调试等人为因素，每个像元实际检测的波长与理论值存在显著的偏差，且偏差量分布复杂，因此在光谱仪搭建初期就需要对CCD的各像元的对应波长进行标定。
相关技术通常先采用已知的原子发射谱线来标定，标定过程所采用的标定方法为直接使用线性拟合标准化或者多项式拟合标准化或者通过对获得的谱图与标准谱图相似性进行关联。然而，直接使用线性拟合标准化或者多项式拟合标准化的方法操作简单，可以拟合出整体谱峰位置偏差最小的情况，但是可能因为欠拟合出现峰存在偏差或者过拟合造成边缘处或峰位置变化较大的区域出现较大误差的情况。而对于使用与标准谱图进行相似性关联对横坐标进行重新赋值标准化的方法，运行速度相对较慢并且有时会出现部分区域误差较大的情况。
鉴于此，提高光谱仪的波长标定精准度，是所属领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种光谱仪的波长标定方法、装置、电子设备及可读存储介质，可以提高光谱仪的波长标定精准度。
为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：
本申请一方面提供了一种光谱仪的波长标定方法，包括：
S101，利用待标定光谱仪检测已知发射谱线的标准灯源，得到多条标准谱线的真实波长值及各标准谱线所处的像元位置；
S102，基于光栅衍射的光路几何关系和目标光路几何参数的理想值，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系；
S103，利用所述初步对应关系确定所述标准灯源其它标准谱线所处像元对应的波长测量值，通过使各标准谱线的波长测量值与真实波长值的偏差最小，确定目标光路几何参数的校正值；
S104，根据所述目标光路几何参数的校正值和所述初步对应关系，进一步确定所述CCD各列像元与波长的对应关系，以完成对所述待标定光谱仪的波长标定；
其中，所述第一谱线和所述第二谱线为从多条标准谱线中选择的两条标准谱线，其它谱线为除去所述第一谱线和所述第二谱线其余的标准谱线。
可选的，S102，包括：
基于光栅衍射的光路几何关系，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，在光线垂直入射所述CCD时与所述CCD中心的偏移量为0、且所述CCD与聚焦镜的距离等于所述聚焦透镜的焦距的理想状态下，确定光栅的入射角及垂直入射所述CCD位置对应的衍射角；
根据所述入射角和所述衍射角，确定所述CCD各列像元与波长的初步对应关系。
可选的，S102，包括：
预先基于光栅衍射的光路几何关系构建用于表示所述CCD各列像元与波长的对应关系的波长标定关系式；所述波长标定关系式为：
Figure BDA0004185377420000031
式中，λn为第n列像元对应的波长，n＝1，2，3，…，N，ε为光线垂直入射所述CCD时与所述CCD中心的偏移量，f为所述CCD与聚焦透镜的距离，θ为所述入射角，d为光栅刻痕间距，θ1为所述衍射角，N为CCD像元列的总数目，w为所述CCD像元宽度；
基于所述波长标定关系式，生成标定参数计算方程组；
根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，计算所述标定参数计算方程组中的光栅的入射角及垂直入射所述CCD位置对应的衍射角；所述标定参数计算方程组为：
Figure BDA0004185377420000032
式中，λa为所述第一谱线的真实波长值，λb为所述第二谱线的真实波长值，Na为所述第一谱线所处的像元位置，Nb为所述第二谱线所处的像元位置，ε0表示光线垂直入射所述CCD中心，ε0＝0，f0表示聚焦透镜的焦距；
根据所述入射角、所述衍射角和所述波长标定关系式，确定所述CCD各列像元与波长的初步对应关系。
可选的，S103，包括：
利用所述初步对应关系确定所述标准灯源其它标准谱线的波长测量值，并计算其它标准谱线的波长测量值与真实波长值的差；所述波长测量值用所述目标光路几何参数表示；
计算其它标准谱线的波长测量值与真实波长值的差的平方和，同时计算当所述平方和最小时，所述目标光路几何参数的数值，以作为所述目标光路几何参数的校正值。
可选的，所述待标定光谱仪为拉曼光谱仪，S104之后，还包括：
测量标定后的拉曼光谱仪的激光瑞利线所处的目标波长数值；
根据所述目标波长数值及对应的拉曼位移反推所述拉曼光谱仪的激光波长。
可选的，所述待标定光谱仪为拉曼光谱仪，S104之后，还包括：
利用标定后的拉曼光谱仪测量标准样品，得到标准样品特征谱峰所处的波长位置及对应的拉曼位移；
根据所述波长位置与对应的拉曼位移反推所述拉曼光谱仪的激光波长。
可选的，所述根据所述波长位置与对应的拉曼位移反推所述拉曼光谱仪的激光波长，包括：
调用激光波长计算关系式，计算所述拉曼光谱仪的激光波长；所述激光波长计算关系式为：
Figure BDA0004185377420000041
式中，λs为所述激光波长，ωR为所述拉曼位移，λR为所述波长位置。
本申请另一方面提供了一种光谱仪的波长标定装置，包括：
标准数据获取模块，用于利用待标定光谱仪检测已知发射谱线的标准灯源，得到多条标准谱线的真实波长值及各标准谱线所处的像元位置；
初步关系标定模块，用于基于光栅衍射的光路几何关系和目标光路几何参数的理想值，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系；
光路校正模块，用于利用所述初步对应关系确定所述标准灯源其它标准谱线所处像元对应的波长测量值，通过使各标准谱线的波长测量值与真实波长值的偏差最小，确定目标光路几何参数的校正值；其中，所述第一谱线和所述第二谱线为从多个标准谱线中选择的谱线，其它谱线为除去所述第一谱线和所述第二谱线其余的标准谱线；
波长标定模块，用于根据所述目标光路几何参数的校正值和所述初步对应关系，进一步确定所述CCD各列像元与波长的对应关系，以完成对所述待标定光谱仪的波长标定。
本申请还提供了一种电子设备，包括处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如前任一项所述光谱仪的波长标定方法的步骤。
本申请最后还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前任一项所述光谱仪的波长标定方法的步骤。
本申请提供的技术方案的优点在于，基于光谱仪的光栅衍射原理，根据仪器光路结构和各元件光学参数实际可能的变化和偏差情况，结合已知谱线的光学参数确定CCD各列像元与波长的对应关系，实现对光谱仪的波长标定。由于该波长标定方法源于仪器本身的结构原理，可以避免光谱部分区间偏差大的情况，解决相关技术在标定过程中出现部分区域误差较大的问题，可以有效提升波长标定的精准度。此外，整个波长标定过程简单易实施，不需要占用太多计算资源，波长标定效率高。
此外，本申请还针对光谱仪的波长标定方法提供了相应的实现装置、电子设备及可读存储介质，进一步使得所述方法更具有实用性，所述装置、电子设备及可读存储介质具有相应的优点。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚的说明本申请或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请提供的一种光谱仪的波长标定方法的流程示意图；
图2为本申请提供的一个示例性应用场景的光谱仪的光栅衍射的光路几何关系示意图；
图3为本申请提供的光谱仪的波长标定装置的一种具体实施方式结构图；
图4为本申请提供的电子设备的一种具体实施方式结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及二者的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。
首先请参见图1，图1为本申请提供的一种光谱仪的波长标定方法的流程示意图，本申请可包括以下内容：
S101：利用待标定光谱仪检测已知发射谱线的标准灯源，得到多条标准谱线的真实波长值及各标准谱线所处的像元位置。
本实施例的待标定光谱仪可为任何一种以光栅作为分光元件，且采用CCD多通道检测光谱的光谱仪，换言之，本申请提供的技术方案适用于对基于光栅分光的多通道光谱仪进行波长标定。标准灯源可采用任何一种含有多条已知谱线的标准灯源，如氖灯、汞灯等，这均不影响本申请的实现。用待标定光谱仪对标准灯源进行检测，可以得到多条谱线的光学参数，光学参数包括每一条谱线的波长以及该谱线所处像元位置，为了便于描述，待标定光谱仪对标准灯源测得的谱线定义为标准谱线。
S102：基于光栅衍射的光路几何关系和目标光路几何参数的理想值，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系。
在本步骤中，光栅衍射的光路几何关系请参阅图2所示，图中21为衍射光栅，22为聚焦镜，23为多通道检测器CCD，光线入射至衍射光栅21，衍射光栅21将光线通过聚焦镜投射至多通道检测器CCD。入射光线与衍射光栅垂直方向的交角为光栅的入射角，衍射光栅垂直方向与垂直于CCD方向的交角为衍射角。第一谱线和第二谱线为从多个标准谱线中选择的两个标准谱线，为了便于描述，定义为第一谱线和第二谱线。第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置可以从上个步骤中获取。如图2所示，第一谱线的真实波长值可为λa，其对应所处像元位置为Na，第二谱线的真实波长值可为λb，其对应所处像元位置为Nb。目标光路几何参数指的是由于光路中某些元器件实际发生变化和偏差导致对应发生变化的几何参数，比如光线垂直入射CCD时，理想状态下光线是垂直入射CCD中心，光线垂直入射CCD与CCD中心的偏移量便为0，但很多情况下光线垂直入射CCD与CCD中心的偏移量并不为0，也即光线没有垂直入射CCD的中心上。又比如光路调节过程中，光束的准直及聚焦在不理想状态时，CCD与聚焦镜的距离不等于聚焦镜焦距。相应的，目标光路几何参数可为光线入射CCD的位置与CCD中心的偏移量，CCD与聚焦镜的距离。目标光路几何参数可为1个，也可为多个，所属领域技术人员可根据实际情况选择目标光路几何参数的类型与个数，本申请对此不做任何限定。在本步骤中，根据光谱仪的光栅衍射的几何关系结合相关光学公知常识如光栅方程等光学原理可以确定出CCD各列像元与波长之间本身所具有的光学对应关系，该光学对应关系包含2个未知光学参数如衍射角和光栅入射角以及一个或多个目标光路几何参数，将第一谱线的第二谱线的真实波长值及对应的像元位置代入该光学对应关系，同时将光学对应关系中的目标光路几何参数的取值为理想状态下的理想值，可以计算得到衍射角和光栅入射角，将衍射角和入射角代入该光学对应关系，从而可以确定CCD各列像元与波长的初步对应关系。由于该步骤所确定的CCD各列像元与波长的对应关系是利用第一谱线和第二谱线这两种特定谱线所计算得到的，考虑光路中某些元器件实际可能的变化和偏差，该对应关系可能并不会精准适用于其他谱线，所以称为CCD各列像元与波长的初步对应关系。
S103：利用初步对应关系确定标准灯源其它标准谱线所处像元对应的波长测量值，通过使各标准谱线的波长测量值与真实波长值的偏差最小，确定目标光路几何参数的校正值。
本步骤中的其他谱线为S101的多个标准谱线中不为第一谱线和第二谱线的剩余标准谱线，本步骤中的其他谱线可为S101的多个标准谱线中不为第一谱线和第二谱线的其余所有标准谱线，也可为S101的多个标准谱线中不为第一谱线和第二谱线的一部分标准谱线。可以理解的是，CCD各列像元与波长的初步对应关系是通过第一谱线和第二谱线的光学参数来确定的，第一谱线和第二谱线是标定过的谱线，其余谱线均为未标定的谱线。上个步骤是使得光谱仪检测器各通道波长得到初步标定，本步骤将初步标定的初步对应关系中的目标光路几何参数作为一定范围内的变量，利用未标定的其他谱线的光学参数确定目标光路几何参数相对于真实波长值与测量波长偏差的关系，找到当偏差处于最小时，目标光路几何参数的数值，以作为目标光路几何参数的校正数值。
S104：根据目标光路几何参数的校正值和初步对应关系，进一步确定CCD各列像元与波长的对应关系，以完成对待标定光谱仪的波长标定。
在S102中确定了CCD各列像元与波长的初步对应关系之后，基于S103可对初步对应关系中的目标光路几何参数进行校正，利用校正后的目标光路几何参数值替代初步对应关系中目标光路几何参数，得到最终可作为待标定光谱仪的CCD各列像元与波长的对应关系，完成对待标定光谱仪的波长标定。
在本申请提供的技术方案中，基于光谱仪的光栅衍射原理，根据仪器光路结构和各元件光学参数实际可能的变化和偏差情况，结合已知谱线的光学参数确定CCD各列像元与波长的对应关系，实现对光谱仪的波长标定。由于该波长标定方法源于仪器本身的结构原理，可以避免光谱部分区间偏差大的情况，解决相关技术在标定过程中出现部分区域误差较大的问题，可以有效提升波长标定的精准度。此外，整个波长标定过程简单易实施，不需要占用太多计算资源，波长标定效率高。
需要说明的是，本申请中各步骤之间没有严格的先后执行顺序，只要符合逻辑上的顺序，则这些步骤可以同时执行，也可按照某种预设顺序执行，图1只是一种示意方式，并不代表只能是这样的执行顺序。
上述实施例对如何确定CCD各列像元与波长的初步对应关系并没有进行任何限定，本申请还给出了CCD各列像元与波长的初步对应关系的一种高效地确定方式，可包括下述内容：
基于光栅衍射的光路几何关系，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，在光线垂直入射CCD时与CCD中心的偏移量为0、且CCD与聚焦镜的距离等于聚焦透镜的焦距的理想状态下，确定光栅的入射角及垂直入射CCD位置对应的衍射角；根据入射角和衍射角，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系。
在本实施例中，根据光谱仪的光栅衍射的几何关系结合光栅方程可以确定出CCD各列像元与波长之间本身所具有的光学对应关系，将入射角和衍射角两个参数作为该光学对应关系的变量，用这两条已知波长的谱线及对应出现在CCD通道的像元位置，在光线垂直入射CCD时与CCD中心的偏移量为0、且CCD与聚焦镜的距离等于聚焦透镜的焦距的理想状态下，计算得到入射角和衍射角两个参数的数值，将入射角和衍射角的数值代入至该光学对应关系中，便得到CCD各列像元与波长的初步对应关系。
为了进一步提高波长标定效率，本实施例还可预先基于光栅衍射的光路几何关系，用光栅方程构建用于表示CCD各列像元与波长的对应关系，得到波长标定关系式；波长标定关系式可表示为：
Figure BDA0004185377420000101
式中，λn为第n列像元对应的波长，n＝1，2，3，…，N，ε为光线垂直入射CCD位置与CCD中心的偏移量，f为CCD与聚焦透镜的距离，θ为入射角，d为光栅刻痕间距，θ1为衍射角，N为CCD像元列的总数目，w为CCD像元宽度。
基于波长标定关系式，生成标定参数计算方程组；根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，计算标定参数计算方程组中的光栅的入射角及垂直入射CCD位置对应的衍射角；标定参数计算方程组可表示为：
Figure BDA0004185377420000102
式中，λa为第一谱线的真实波长值，λb为第二谱线的真实波长值，Na为第一谱线所处的像元位置，Nb为第二谱线所处的像元位置，ε0表示光线垂直入射CCD中心时，ε0＝0，f0表示聚焦透镜的焦距。
本实施例将波长标定关系式中的入射角和衍射角两个参数作为变量，将两条已知波长的谱线的真实波长值及对应出现在CCD通道的像元位置值代入该波长标定关系式中得到一对方程组，将方程组中的光线垂直入射CCD与CCD中心的偏移量以及CCD与聚焦透镜的距离作为目标光路几何参数，在目标光路几何参数为理想值，也即光线垂直入射CCD位置为CCD中心，CCD与聚焦透镜的距离为聚焦透镜的焦距时，通过解方程组便可以计算得到入射角和衍射角这两个变量，将计算得到的入射角和衍射角的数值代入至波长标定关系式，此时的波长标定关系式即可表示CCD各列像元与波长的初步对应关系。
可以理解的是，上述初步对应关系是基于第一谱线和第二谱线这两条原子谱线进行准确标定的。考虑到光路调节过程光束的准直及聚焦的不理想状态可能导致CCD离聚焦镜的距离不等于聚焦镜焦距，衍射光垂直入射的位置如果不在理想的中间位置，会造成标定的偏差，所以其它谱线也即未标定的谱线却未必准确。本实施例还可使用标准灯源的未标定的其他谱线的光学参数进行校正，基于上述实施例，可将初步对应关系中的聚焦镜的焦距f和检测器中心偏移量ε设为一定数值范围内的变量，用标准灯源的未标定谱线确定这些变量与未标定的其他谱线的测量偏差的关系，基于任何一种寻优算法可找到测量偏差处于最小时，焦距f和检测器中心偏移量ε对应的数值；将焦距f和检测器中心偏移量ε对应的数值代入初步对应关系式之后，初步对应关系式即变为可以精准表示CCD第n列像元与波长的对应关系，也即完成光谱仪的波长的标定。
作为上述实施例的一种可选的实施方式，在兼顾光谱仪的波长的标定精准度的基础上，提高标定效率，本实施例还提供了一种简单的，可以快速的目标光路几何参数的校正值的实施方式，可包括下述内容：
各标准谱线中不为第一谱线和第二谱线的其余谱线为未标定的其他谱线，对每一条其他谱线，利用初步对应关系的表达式确定标准灯源其它标准谱线的波长测量值，并计算其它标准谱线的波长测量值与真实波长值的差；波长测量值用目标光路几何参数表示；计算其它标准谱线的波长测量值与真实波长值的差的平方和，同时计算当平方和最小时，目标光路几何参数的数值，以作为目标光路几何参数的校正值。
以上述实施例所给出的初步对应关系的一种可选的表达方式为例，各未标定谱线的真实波长值为λc、λd…，利用初步对应关系计算得到的测量波长为
Figure BDA0004185377420000121
Figure BDA0004185377420000122
Nc为未标定谱线λc所处像元位置，Nd为未标定谱线λd所处像元位置：
Figure BDA0004185377420000123
Figure BDA0004185377420000124
各未标定的其他谱线的真实波长值与测量波长的差值的平方和δ可表示为：
Figure BDA0004185377420000125
Figure BDA0004185377420000126
将f和ε这两个量作为变量，使得δ是f和ε这两个量的函数，找出δ处于最小值时对应的f和ε这两个量的赋值，这样就得到目标光路几何参数的校正值，将计算得到的f和ε两个量的校正值代入初步标定关系对应的表达式中，便可获得CCD各列像元的波长校准。
可以理解的是，除了拉曼光谱仪，其它光谱仪的横坐标单位都是用nm，即使有的光谱仪会用电子伏特等单位，这些单位都不需要进一步进行校正，直接用单位转换公式就可以了。而对于拉曼光谱仪，在使用之前，当经过上述任何一个实施例进行波长标定之后，还需要进行拉曼位移的校准，以测量拉曼激发激光的准确波长。本申请还提供拉曼位移的校准方法，可包括下述内容：
作为一种可选的实施方式，待标定光谱仪为拉曼光谱仪，测量标定后的拉曼光谱仪的激光瑞利线所处的目标波长数值；根据目标波长数值及对应的拉曼位移反推拉曼光谱仪的激光波长。
作为与上述实施例并列的另外一种可选的实施方式，待标定光谱仪为拉曼光谱仪，利用标定后的拉曼光谱仪测量标准样品，得到标准样品特征谱峰所处的波长位置及对应的拉曼位移；根据波长位置与对应的拉曼位移反推拉曼光谱仪的激光波长。
作为本实施例的一种可选的实施方式，为了提高校准效率，还可直接调用激光波长计算关系式计算拉曼光谱仪的激光波长；激光波长计算关系式可表示为：
Figure BDA0004185377420000131
式中，λs为激光波长(单位为cm-1)，ωR为拉曼位移(单位为cm-1)，λR为波长位置(单位为nm)。
本申请还针对光谱仪的波长标定方法提供了相应的装置，进一步使得方法更具有实用性。其中，装置可从功能模块的角度和硬件的角度分别说明。下面对本申请提供的光谱仪的波长标定装置进行介绍，该装置用以实现本申请提供的光谱仪的波长标定方法，在本实施例中，光谱仪的波长标定装置可以包括或被分割成一个或多个程序模块，该一个或多个程序模块被存储在存储介质中，并由一个或多个处理器所执行，已完成实施例一公开的光谱仪的波长标定方法。本申请所称的程序模块是指能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，比程序本身更适合于描述光谱仪的波长标定装置在存储介质中的执行过程。以下描述将具体介绍本实施例各程序模块的功能，下文描述的光谱仪的波长标定装置与上文描述的光谱仪的波长标定方法可相互对应参照。
基于功能模块的角度，参见图3，图3为本申请提供的光谱仪的波长标定装置在一种具体实施方式下的结构图，该装置可包括：
标准数据获取模块301，用于利用待标定光谱仪检测已知发射谱线的标准灯源，得到多条标准谱线的真实波长值及各标准谱线所处的像元位置；
初步关系标定模块302，用于基于光栅衍射的光路几何关系和目标光路几何参数的理想值，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系；
光路校正模块303，用于利用初步对应关系确定标准灯源其它标准谱线所处像元对应的波长测量值，通过使各标准谱线的波长测量值与真实波长值的偏差最小，确定目标光路几何参数的校正值；其中，第一谱线和第二谱线为从多个标准谱线中选择的谱线，其它谱线为除去第一谱线和第二谱线其余的标准谱线；
波长标定模块304，用于根据目标光路几何参数的校正值和初步对应关系，进一步确定CCD各列像元与波长的对应关系，以完成对待标定光谱仪的波长标定。
可选的，在本实施例的一些实施方式中，上述初步关系标定模块302还可用于：
基于光栅衍射的光路几何关系，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，在光线垂直入射CCD时与CCD中心的偏移量为0、且CCD与聚焦镜的距离等于聚焦透镜的焦距的理想状态下，确定光栅的入射角及垂直入射CCD位置对应的衍射角；根据入射角和衍射角，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系。
作为上述实施例的一种可选的实施方式，上述初步关系标定模块302可进一步用于：
预先基于光栅衍射的光路几何关系构建用于表示CCD各列像元与波长的对应关系的波长标定关系式；波长标定关系式为：
Figure BDA0004185377420000141
式中，λn为第n列像元对应的波长，n＝1，2，3，…，N，ε为光线垂直入射CCD时与CCD中心的偏移量，f为CCD与聚焦透镜的距离，θ为入射角，d为光栅刻痕间距，θ1为衍射角，N为CCD像元列的总数目，w为CCD像元宽度；
基于波长标定关系式，生成标定参数计算方程组；
根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，计算标定参数计算方程组中的光栅的入射角及垂直入射CCD位置对应的衍射角；标定参数计算方程组为：
Figure BDA0004185377420000151
式中，λa为第一谱线的真实波长值，λb为第二谱线的真实波长值，Na为第一谱线所处的像元位置，Nb为第二谱线所处的像元位置，ε0表示光线垂直入射CCD中心，ε0＝0，f0表示聚焦透镜的焦距；
根据入射角、衍射角和波长标定关系式，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系。
可选的，在本实施例的另一些实施方式中，上述光路校正模块303还可进一步用于：利用初步对应关系的表达式确定标准灯源其它标准谱线的波长测量值，并计算其它标准谱线的波长测量值与真实波长值的差；波长测量值用目标光路几何参数表示；计算其它标准谱线的波长测量值与真实波长值的差的平方和，同时计算当平方和最小时，目标光路几何参数的数值，以作为目标光路几何参数的校正值。
可选的，在本实施例的其他一些实施方式中，上述装置例如还可以包括拉曼位移校准模块用于：当待标定光谱仪为拉曼光谱仪，测量标定后的拉曼光谱仪的激光瑞利线所处的目标波长数值；根据目标波长数值及对应的拉曼位移反推拉曼光谱仪的激光波长。
作为与上述实施例并列的另外一种实施方式，上述拉曼位移校准模块还用于：当待标定光谱仪为拉曼光谱仪，获取标定后的拉曼光谱仪的拉曼激光波长与标准样品的特征谱峰所处的波长位置及对应的拉曼位移；根据波长位置与对应的拉曼位移反推拉曼光谱仪的激光波长。
作为上述实施例的一种可选的实施方式，上述拉曼位移校准模块进一步可以用于：调用激光波长计算关系式，计算拉曼光谱仪的激光波长；激光波长计算关系式为：
Figure BDA0004185377420000161
式中，λs为激光波长，ωR为拉曼位移，λR为波长位置。
本申请光谱仪的波长标定装置的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。
由上可知，本实施例可以提高光谱仪的波长标定精准度。
上文中提到的光谱仪的波长标定装置是从功能模块的角度描述，进一步的，本申请还提供一种电子设备，是从硬件角度描述。图4为本申请实施例提供的电子设备在一种实施方式下的结构示意图。如图4所示，该电子设备包括存储器40，用于存储计算机程序；处理器41，用于执行计算机程序时实现如上述任一实施例提到的光谱仪的波长标定方法的步骤。
其中，处理器41可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器，处理器41还可为控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片等。处理器41可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable GateArray，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器41也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(Central Processing Unit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器41可以集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器41还可以包括AI(ArtificialIntelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
存储器40可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器40还可包括高速随机存取存储器以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。存储器40在一些实施例中可以是电子设备的内部存储单元，例如服务器的硬盘。存储器40在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储设备，例如服务器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器40还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器40不仅可以用于存储安装于电子设备的应用软件及各类数据，例如：执行光谱仪的波长标定方法过程中的程序的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。本实施例中，存储器40至少用于存储以下计算机程序401，其中，该计算机程序被处理器41加载并执行之后，能够实现前述任一实施例公开的光谱仪的波长标定方法的相关步骤。另外，存储器40所存储的资源还可以包括操作系统402和数据403等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统402可以包括Windows、Unix、Linux等。数据403可以包括但不限于光谱仪的波长标定结果对应的数据等。
在一些实施例中，上述电子设备还可包括有显示屏42、输入输出接口43、通信接口44或者称为网络接口、电源45以及通信总线46。其中，显示屏42、输入输出接口43比如键盘(Keyboard)属于用户接口，可选的用户接口还可以包括标准的有线接口、无线接口等。可选地，在一些实施例中，显示器可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器也可以适当的称为显示屏或显示单元，用于显示在电子设备中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。通信接口44可选的可以包括有线接口和/或无线接口，如WI-FI接口、蓝牙接口等，通常用于在电子设备与其他电子设备之间建立通信连接。通信总线46可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extendedindustry standard architecture，简称EISA)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构并不构成对该电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的组件，例如还可包括实现各类功能的传感器47。
本申请所述电子设备的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。
由上可知，本实施例可以提高光谱仪的波长标定精准度。
可以理解的是，如果上述实施例中的光谱仪的波长标定方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如SD或DX存储器等)、磁性存储器、可移动磁盘、CD-ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
基于此，本申请还提供了一种可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时如上任意一实施例所述光谱仪的波长标定方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的硬件包括装置及电子设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上对本申请所提供的一种光谱仪的波长标定方法、装置、电子设备及可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光谱仪的波长标定方法，其特征在于，包括：
S101，利用待标定光谱仪检测已知发射谱线的标准灯源，得到多条标准谱线的真实波长值及各标准谱线所处的像元位置；
S102，基于光栅衍射的光路几何关系和目标光路几何参数的理想值，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系；
S103，利用所述初步对应关系确定所述标准灯源其它标准谱线所处像元对应的波长测量值，通过使各标准谱线的波长测量值与真实波长值的偏差最小，确定目标光路几何参数的校正值；
S104，根据所述目标光路几何参数的校正值和所述初步对应关系，确定所述CCD各列像元与波长的对应关系，以完成对所述待标定光谱仪的波长标定；
其中，所述第一谱线和所述第二谱线为从多条标准谱线中选择的两条标准谱线，其它谱线为除去所述第一谱线和所述第二谱线其余的标准谱线。
2.根据权利要求1所述的光谱仪的波长标定方法，其特征在于，S102，包括：
基于光栅衍射的光路几何关系，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，在光线垂直入射所述CCD时与所述CCD中心的偏移量为0、且所述CCD与聚焦镜的距离等于所述聚焦透镜的焦距的理想状态下，确定光栅的入射角及垂直入射所述CCD位置对应的衍射角；
根据所述入射角和所述衍射角，确定所述CCD各列像元与波长的初步对应关系。
3.根据权利要求2所述的光谱仪的波长标定方法，其特征在于，S102，包括：
预先基于光栅衍射的光路几何关系构建用于表示所述CCD各列像元与波长的对应关系的波长标定关系式；所述波长标定关系式为：
Figure FDA0004185377410000021
式中，λn为第n列像元对应的波长，n＝1，2，3，…，N，ε为光线垂直入射所述CCD时与所述CCD中心的偏移量，f为所述CCD与聚焦透镜的距离，θ为所述入射角，d为光栅刻痕间距，θ1为所述衍射角，N为CCD像元列的总数目，w为所述CCD像元宽度；
基于所述波长标定关系式，生成标定参数计算方程组；
根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，计算所述标定参数计算方程组中的光栅的入射角及垂直入射所述CCD位置对应的衍射角；所述标定参数计算方程组为：
Figure FDA0004185377410000022
式中，λa为所述第一谱线的真实波长值，λb为所述第二谱线的真实波长值，Na为所述第一谱线所处的像元位置，Nb为所述第二谱线所处的像元位置，ε0表示光线垂直入射所述CCD中心，ε0＝0，f0表示聚焦透镜的焦距；
根据所述入射角、所述衍射角和所述波长标定关系式，确定所述CCD各列像元与波长的初步对应关系。
4.根据权利要求1所述的光谱仪的波长标定方法，其特征在于，S103，包括：
利用所述初步对应关系确定所述标准灯源其它标准谱线的波长测量值，并计算其它标准谱线的波长测量值与真实波长值的差；所述波长测量值用所述目标光路几何参数表示；
计算其它标准谱线的波长测量值与真实波长值的差的平方和，同时计算当所述平方和最小时，所述目标光路几何参数的数值，以作为所述目标光路几何参数的校正值。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的光谱仪的波长标定方法，其特征在于，所述待标定光谱仪为拉曼光谱仪，S104之后，还包括：
测量标定后的拉曼光谱仪的激光瑞利线所处的目标波长数值；
根据所述目标波长数值及对应的拉曼位移反推所述拉曼光谱仪的激光波长。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的光谱仪的波长标定方法，其特征在于，所述待标定光谱仪为拉曼光谱仪，S104之后，还包括：
利用标定后的拉曼光谱仪测量标准样品，得到标准样品特征谱峰所处的波长位置及对应的拉曼位移；
根据所述波长位置与对应的拉曼位移反推所述拉曼光谱仪的激光波长。
7.根据权利要求6所述的光谱仪的波长标定方法，其特征在于，所述根据所述波长位置与对应的拉曼位移反推所述拉曼光谱仪的激光波长，包括：
调用激光波长计算关系式，计算所述拉曼光谱仪的激光波长；所述激光波长计算关系式为：
Figure FDA0004185377410000031
式中，λs为所述激光波长，ωR为所述拉曼位移，λR为所述波长位置。
8.一种实现如权利要求1至7任一项所述方法的光谱仪的波长标定装置，其特征在于，包括：
标准数据获取模块，用于利用待标定光谱仪检测已知发射谱线的标准灯源，得到多条标准谱线的真实波长值及各标准谱线所处的像元位置；
初步关系标定模块，用于基于光栅衍射的光路几何关系和目标光路几何参数的理想值，根据第一谱线和第二谱线的真实波长值及所处的像元位置，确定CCD各列像元与波长的初步对应关系；
光路校正模块，用于利用所述初步对应关系确定所述标准灯源其它标准谱线所处像元对应的波长测量值，通过使各标准谱线的波长测量值与真实波长值的偏差最小，确定目标光路几何参数的校正值；其中，所述第一谱线和所述第二谱线为从多个标准谱线中选择的谱线，其它谱线为除去所述第一谱线和所述第二谱线其余的标准谱线；
波长标定模块，用于根据所述目标光路几何参数的校正值和所述初步对应关系，确定所述CCD各列像元与波长的对应关系，以完成对所述待标定光谱仪的波长标定。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述光谱仪的波长标定方法的步骤。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述光谱仪的波长标定方法的步骤。
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