CN101201317A - 光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统 - Google Patents

Abstract

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。为提供一种光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统，具备多波长同时测量功能，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：快速傅立叶变换模块，锁相放大器模块，前述数据采集卡输出的采样信号及参考信号分别输出到傅立叶变换模块，锁相放大器模块进行处理。本发明主要用于表面检测。

Description

光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统

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。

图1是多通道并行测量光谱仪数据采集和处理系统的示意图。带有测量信息的、经光弹调制器调制的光强信号首先照射到内含分光设备的多通道探测器上，如全息光栅+硅光二极管阵列。探测器将光强实时地转变成模拟电压信号，并传输到输出端口。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一一连接，并根据计算机发出的指令，将需测量的通道导通至输出端，供数据采集卡采集。数据采集卡安插在计算机主板插槽或者通过USB与计算机连接，它将多通道选择器传输过来的模拟信号转换成数字信号，并实时传送到计算机内存，待后续处理。同时，采集卡的一个通道连接光弹调制器输出的调频参考信号，并保证参考信号和测试信号的同步采集。计算机根据操作人员的意图发出指令选择合适的数据采集卡工作参数和多通道选择器的通道选择。

当采集卡采集的数据传输到计算机，快速傅立叶变换模块和锁相放大器模块对数据进行频率频谱分析，如图2数据分析流程图所示。采样信号和参考信号分别传送到两个分析模块进行处理。在快速傅立叶变换模块中，采样信号先经过带通滤波器滤除与参考频率相距较远的噪声信号，再对采样信号和参考信号同时进行FFT变换，根据参考信号的幅频关系图确定实时的调制频率，并提取相同频率和二倍频率下采样信号对应的幅值和直流分量，即S1、S2、S0。

在锁相放大器模块，采样信号首先经过滤波器滤波，而参考信号则进行PLL算法处理(锁相解调算法)，以求得理想情况下的基频参考信号，两个处理后的信号同时传输给解调器，通过乘法处理和随后的低通滤波器，提取出测量信号基频下的幅值S1。同理，PLL算法也可根据参考信号产生理想的二倍频率参考信号，再经过解调器和低通滤波器获得测量信号二倍频下的幅值S2。对采样信号进行平均和低通滤波可以获得测量信号的直流分量S0。从S0、S1、S2中即可求解出样品的反射差分信号。

计算机中的数据处理、人机交互，以及数据采集指令和对采集卡与多通道选择器的控制指令均是由基于虚拟技术的LabVIEW软件编写而成。数据采集卡同时采集的多通道数据以矩阵的形式传输到计算机，各数据处理模块则以矩阵运算形式同时处理不同通道的数据，因而可一次获得多个通道的反射差分信号。

数据采集卡和多通道选择器可根据实际需要进行更换，以获得性能和成本的最佳平衡点。硬件的更换将不影响软件的工作，也可在软件中增添或更换处理模块，以提高运算速度和分析精度，同样，软件的升级将不影响硬件的工作。

Claims (3)

1.一种光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的一种光弹调制式反射差分光谱仪多通道并行测量系统，其特征在于，多通道探测器由全息光栅、硅光二极管阵列构成。

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