[发明专利]光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统

说明书

技术领域

本发明属于表面检测领域的光谱技术及仪器技术领域，特别涉及一种光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统。

技术背景

反射差分光谱技术作为一种对物体表面/界面的光学各向异性属性具有高灵敏度的光学测量手段，在半导体材料表面属性分析、金属表面研究、有机/无机薄膜等微观基础科学研究领域，和以半导体加工和液晶面板检测为代表的高技术生产领域，都已获得成功的应用。它通过测量探测光经测试样品表面反射前后偏振态的变化，感知因化学反应、吸附、重组等因素引起的表面结构变化，并可将样品表层信息与体内信息分离，具有非接触测量、测试环境要求低、仪器结构简单等特点。

光弹调制式反射差分光谱仪作为基于第二代反射差分光谱技术的仪器，由于采用光弹调制器调制被测信息，在测量精度、稳定性和速度等方面有了长足的发展，提高了该技术在单波长测量模式下在线实时监测的能力。然而，光弹调制器的调制频率由光弹晶体的固有频率决定，一般在50kHz附近，较高的调制频率要求系统采用更高的采样频率，保证数据处理中快速傅立叶变换算法的正常使用。因此，传统的仪器采用硬件锁相放大器作为信号解调的器件，提取调制频率及其倍频下的信号信息，这限制了传统仪器一次仅测量一个波长下的信号。另一方面，对表面光学各向异性的测量需要分析多个波长或者较宽光谱的信号，而非某个波长的信号，所以传统仪器通常采用扫谱方式实现对样品的全光谱测量，这种方式使得全光谱信息的测量时间较长，导致光谱仪无法对样品表面特性实时测试。

改进的光弹调制式反射差分光谱仪采用了多个硬件锁相放大器，每个放大器采集一个波长下的信号，可实现多通道并行测量。但仪器成本高、结构复杂、同步性能要求高和并行测量通道数量有限等是这种改进方案的缺陷，制约了该技术应用领域的扩展。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量方法及装置。该方法继承了光弹调制式反射差分光谱仪快速测量的优点，又发展了多波长同时测量功能，采用的结构简单，使用可靠方便，扩展性好。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统，包括：依次相连的多通道探测器、多通道选择器、数据采集卡、计算机，多通道选择器、数据采集卡的控制端分别与计算机相连，计算机包括：带通滤波器、FFT变换模块，带通滤波器和FFT变换模块相连，带通滤波器和FFT变换模块组成快速傅立叶变换模块；计算机还包括锁相放大器模块，锁相放大器模块的构成为：依次相连的滤波器、解调器、低通滤波器，锁相放大器模块还设置有和解调器相连的PLL算法锁相解调模块，前述数据采集卡输出的采样信号分别输出到带通滤波器滤和滤波器，参考信号输出到FFT变换模块，参考信号还输出到PLL算法锁相解调模块。

其中，多通道探测器输出端口的每一个通道与多通道选择器的每个入口对应连接，多通道选择器的出口则与数据采集卡的采集端口相连。

多通道探测器由全息光栅、硅光二极管阵列构成。    

本发明具备以下技术效果：

一、采用工业界广泛应用的、标准的多通道高性能高速数字采集卡替代传统仪器结构中的锁相放大器阵列，简化了仪器硬件连接的复杂程度，有效缩小了仪器体积，降低了仪器成本，具有装配简便、组合灵活、移动性强等优点。

二、采用多通道选择器，可对探测器上任意的单一通道或者通道组合进行测量。仪器并行采集通道的数量和采集精度主要取决于多通道选择器和数据采集卡的性能。

三、将数据分析功能从硬件的锁相放大器转移到计算机上，充分利用了计算机优异的计算性能和数据处理的随意性与多样性，便于系统升级和更新。采用虚拟仪器技术与数据采集卡、多通道选择器结合，省去了传统仪器的面板式结构。基于虚拟技术的软件不仅可以无缝隙地移植到其他计算机或者操作系统中，也降低了系统更新的风险，即软件或硬件可以相互独立地进行更新。

四、采用快速傅立叶变换模块和锁相放大器模块作为信号处理的核心算法，即满足了数据处理的需求，又继承了硬件锁相放大器高测量精度的优点。

附图说明

图1：多通道并行测量光谱仪数据采集与处理系统示意图。

图2：数据分析流程图。图中1为快速傅立叶变换模块，2为锁相放大器模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。