CN104864958A - 具有同步数据采集机制的光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学测量系统，包括：探测单元，用于采集反射自样品表面的光谱数据；运动单元，用于调整入射至探测单元的光谱数据，并记录与光谱数据相对应的第一位置信息；以及工控单元，用于接收来自探测单元光谱数据以及来自运动单元记录的第一位置信息，并用于控制运动单元对入射至探测单元的光谱数据进行调整；其中，探测单元通过硬件触发方式以触发运动单元记录第一位置信息，运动单元通过硬件触发方式以触发探测单元开始或停止采集光谱数据。本发明通过硬件触发的探测器、运动控制卡之间的相互作用，实现了光谱数据与光轴位置同步采集，而不受验偏电机的不稳定转速的影响。

Description

具有同步数据采集机制的光学测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量系统，特别是一种具有同步数据采集机制的光学测量系统。

背景技术

光谱型椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量设备。椭偏仪是一种无损的测量方法。近年来，椭偏测量技术与微型计算机相结合，达到了测量步骤简化及计算更为迅速的效果，使这一古老的方法获得了新生。它在各个领域中，如物理、化学、材料和照相科学、生物学以及光学、半导体、机械、冶金和生物医学工程中得到了广泛的应用。

光谱型椭偏仪需要得到验偏器在不同角度位置下的光谱信号，探测器采集的光谱数据只有与验偏器的光轴位置相对应，才能够计算分析出正确的结果。采用定点采集的方式是将探测器探测光谱信号与验偏器旋转电机分开处理，耗费时间多，而且采集到的信息不完全。另一种方法则是通过首先确定探测器采集初始时刻的光轴位置，再通过计算的方法确定采集过程中任意时刻的光轴位置。

现有的方法普遍以电机转速稳定为前提条件，实际上电机转速一般都比较高且不可能达到绝对的稳定。转速稳定性即便达到千分之一，造成的电机光轴位置误差也是相当大的。因此由电机转速不稳定造成的光轴位置计算误差对于分析结果是不可忽略的。

因此，亟需一种能够实现对光谱数据和验偏器光轴位置进行同步采集的系统和方法。

发明内容

对于现有的光谱数据和验偏器光轴位置的采集方法，往往受不稳定的电机转速影响，因此容易产生误差。

为了弥补现有技术的以上缺点，本项目提出了一种能够对光谱数据和验偏器光轴位置进行同步采集的系统和方法。

根据本发明的第一个方面，提供了一种光学测量系统，包括探测单元，用于采集反射自样品表面的光谱数据；运动单元，用于调整入射至所述探测单元的所述光谱数据，并记录与所述光谱数据相对应的第一位置信息；以及工控单元，用于接收来自所述探测单元光谱数据，并用于控制所述运动单元对入射至所述探测单元的所述光谱数据进行调整；其中，所述探测单元通过硬件触发方式以触发所述运动单元记录所述第一位置信息，所述运动单元通过硬件触发方式以触发所述探测单元开始或停止采集所述光谱数据。

工控单元可以是，但不限于嵌入式工控机、DSP、ARM中的一种。

根据本发明的一个实施例，所述探测单元在采集所述光谱数据的同时，还发出第一触发信号至所述运动单元，以触发所述运动单元记录所述第一位置信息。

如此，光谱数据的采集时间与第一位置信息的记录时间将具有固定的时间差，且该时间差将十分地小。

根据本发明的一个实施例，所述运动单元包括验偏器和运动控制卡，其中，所述运动控制卡基于所述第一触发信号记录所述第一位置信息，并基于来自所述工控单元的控制指令控制所述验偏器和起偏器的工作状态，从而调整入射至所述探测单元的光束。

根据本发明的一个实施例，所述第一触发信号为脉冲信号。

根据本发明的一个实施例，当所述验偏器的光轴到达指定位置时，发出第二触发信号以触发所述探测单元开始采集所述光谱数据。

根据本发明的一个实施例，所述工控单元还用于对所述探测单元的积分时间、采集次数进行预设，并且将所述探测单元的触发模式设置为硬件触发模式。

根据本发明的一个实施例，当所述运动单元记录的所述第一位置信息的数量达到所述探测单元的预设的采集次数时，所述运动单元发出第三触发信号，以触发所述探测单元停止采集所述光谱数据。

如此，实现了光谱数据与第一位置信息之间一一对应的关系。

根据本发明的一个实施例，光学测量系统还包括信号转换单元，分别与所述运动单元、探测单元通信连接，用于对来自所述运动单元或所述探测单元的输入信号进行调整，以输出能够触发所述探测单元或所述运动单元的输出信号。

如此，提高了所述光学测量系统的通用性，当运动单元与探测单元的触发信号要求不同时，信号转换单元能够根据将其接收到的信号转换为符合运动单元和／或探测单元要求的触发信号。

根据本发明的一个实施例，所述第一位置信息包括所述探测单元采集所述光谱数据时对应的所述验偏器的光轴位置。

本发明另一方面，还提出了一种用于光学测量系统的同步数据采集方法，包括：A.设置探测单元、运动单元的工作参数；B.通过所述探测单元采集光谱数据，同时发出第一触发信号至所述运动单元；C.通过所述运动单元记录与采集的所述光谱数据相对应的第一位置信息；D.当所述光谱数据的数量达到预设值时，停止采集光谱数据。

根据本发明的一个实施例，所述步骤A中还包括，设置所述探测单元的积分时间、采集次数，以及将所述运动单元的触发方式设置为硬件触发。

根据本发明的一个实施例，所述步骤C中还包括，通过所述第一触发信号触发所述运动单元，使得所述运动单元记录所述第一位置信息。

根据本发明的一个实施例，所述步骤D中还包括，当所述运动单元记录的所述第一位置信息的数量达到与预设的所述探测单元的采集次数相等时，通过所述运动单元以硬件触发方式触发所述探测单元停止采集光谱数据。

根据本发明的一个实施例，所述第一触发信号为脉冲信号。

根据本发明的一个实施例，所述运动单元还包括验偏器，所述第一位置信息包括所述探测单元采集所述光谱数据时所述验偏器的光轴位置。

本发明通过硬件触发的探测器、运动控制卡之间的相互作用，实现了光谱数据与光轴位置同步采集，而不受验偏电机的不稳定转速的影响。

附图说明

通过参考下列附图所给出的本发明的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本发明，并且本发明的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1为依据本发明一个实施例的具有同步数据采集机制的光学测量系统示意图；

图2为依据本发明一个实施例的同步数据采集机制的时序图；

图3为依据本发明一个实施例的同步数据采集方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1为依据本发明一个实施例的同步触发系统架构示意图。该系统包括：光源11、起偏器12、验偏器13、探测器14、信号转换器15、运动控制卡16以及工控机17。

由图1可知本实施例的光路方向，即光源11产生出射光，并入射至起偏器12，然后到达样品表面；验偏器13接收来自样品表面的反射光，并将该反射光输出至探测器14，从而探测器14能够采集与样品表面相关联的光谱数据。

工控机17用于装载同步触发机制的软件，并向探测器14和运动控制卡16发送控制命令，并接收探测器14和运动控制卡16传输的数据，以进行数据处理工作。起偏器12、验偏器13均包含光学组件和用于调整该光学组件的电机组成，起偏器12和验偏器13分别包含起偏电机和验偏电机。探测器14与工控机17通信连接，譬如通过USB线连接，从而工控机17可以发送命令至探测器14，探测器14能够传输数据至工控机17。运动控制卡16用于控制起偏器12、验偏器13中的起偏电机和验偏电机的旋转运动。

由于运动控制卡16、探测器14各自的I／O口的标准可能不同，因此，优选的，运动控制卡16与探测器14通过信号转换器15相连。信号转换器15能够将接收到的信号转换为符合要求的信号，并输出至相应的设备。

在本实施例中，主要应用运动控制卡16的Compare(比较)和Capture(捕捉)功能协同完成同步采集探测器14获得的光谱数据和验偏电机位置信息，进而实现同步触发机制。

下面对本发明的光学数据采集系统的工作方式进行阐述。

首先，工控机17对起偏器12、验偏器13、探测器14以及运动控制卡16的工作参数进行设置。具体地，工控机17设置起偏电机所需旋转到的预设位置，并设置验偏电机的运动模式，使得验偏电机能够以预设的速度稳定地旋转；工控机17通过设置运动控制卡16的比较(Compare)功能参数，对Compare功能的触发角度、触发脉冲的极性进行设置，相应的，工控机17通过设置运动控制卡16的捕获(Capture)功能参数，对Capture功能的触发方式进行设置。工控机17设置探测器14开始采集光谱数据的触发模式为硬件触发方式。对于不同的样品和不同的需求，探测器14采集数据的时间、次数也有所不同，因此，工控机17还需要对探测器14的积分时间t(即发送的脉冲间隔)、采集次数n(即对应的脉冲数量)进行设置，从而完成对本实施例光学数据采集系统的预处理设置。

当完成上述的预处理设置后，工控机17将发送控制指令至运动控制卡16，使其对起偏器12、验偏器13的运动进行相应的控制。

具体地，运动控制卡16控制起偏电机旋转至预设位置，譬如，起偏电机的零点位置。运动控制卡16控制验偏电机13连续旋转，在验偏电机运动到Compare功能的触发角度时，由运动控制卡16发出硬件触发信号，该触发信号经信号转换器15输出至探测器14；接收到该触发信号后，探测器14被触发，进而开始连续采集离散的光谱信号，并将采集的光谱信号发送至工控机17，以供后续的调用；探测器14采集光谱信号的同时，将发出脉冲信号，该脉冲信号经信号转换器15输出至运动控制卡16，从而触发运动控制卡16的Capture功能，使得运动控制卡16开始捕获验偏电机的位置信息，也就是说该脉冲信号是运动控制卡16自动捕获验偏器的光轴位置的触发信号。

运动控制卡16将保存验偏电机的位置信息，从而工控机17可以通过软件或其他方式对完整且顺序排列的验偏电机位置信息进行调用。当运动控制卡16保存的验偏电机的位置信息数达到预设的采集次数n时，运动控制卡16发出脉冲信号给探测器14，通过硬件触发的方式使得探测器停止采集光谱数据。此时，工控机17便可以调用运动控制卡16中存储的验偏电机的位置信息，并将之与其所接收到的光谱数据结合，进行后续的样品分析。

优选的，验偏电机位置信息自动保存在运动控制卡16的固有变量中，并存储在数组变量中。如此，验偏电机位置信息被完整地、顺序地保存在运动控制卡的数组变量中。工控机17则可以通过上层应用软件对该些验偏电极位置信息进行调用处理。

图2为依据本发明一个实施例的同步触发系统的时序图。

由该时序图，可以清楚地看出运动控制卡16与探测器14之间的触发关系。运动控制卡16将首先产生触发脉冲，通知探测器14采集光谱数据，探测器14接收到该脉冲后，将开始在距触发脉冲的下降沿时间t2后产生第一个光谱采集脉冲。由上文可知，当探测器14完成一次离散的光谱数据采集时，其也将发出脉冲，通知运动控制卡16记录此时的验偏电机的位置。运动控制卡16在距光谱采集脉冲的下降沿时间t1后，记录验偏电机的位置。

由于本实施例是采用硬件触发，因此t1、t2的时长均固定可控，并且时间长度很短，可以忽略不计。

图3为依据本发明一个实施例的同步数据采集方法的流程图。

步骤S301中，设置起偏器12、验偏器13、探测器14以及运动控制卡16的工作参数。

在该步骤中，对探测器14的积分时间、触发方式和采样次数进行设置。对起偏器12的预设位置、验偏器13电机的运动模式以及运动控制卡16的Compare、Capture触发方式进行设置，从而完成对光学数据采集系统的预处理设置。

步骤S303中，执行运动控制卡同步触发程序。

在该步骤中，起偏器12运动至预设位置，工控机17触发运动控制卡16基于步骤S301中的预处理设置开始工作。

步骤S305中，验偏电机旋转至指定位置，并发出脉冲信号。

在该步骤中，该脉冲信号发送至探测器14，从而触发探测器14开始采集光谱数据。

步骤S307中，探测器14采集离散的光谱数据，并发出脉冲信号。

在该步骤中，探测器14根据预设的采集次数、积分时间来采集光谱数据，并且每采集一次光谱数据，便发出相应的用于触发运动控制卡16的脉冲信号。

步骤S309中，运动控制卡16捕获验偏电机的位置信息。

在该步骤中，运动控制卡16接收到探测器14发出的脉冲信号，由此触发运动控制卡16捕获并记录与脉冲信号对应的验偏电机的位置信息。

步骤S311中，运动控制卡16将判断电机位置信息的数量是否达到预设值?等同于判断探测器14是否已经采集了在步骤S301中预设次数的光谱数据。

若是，则执行步骤S313，探测器14停止工作

在该步骤中，运动控制卡16发出停止采集的脉冲信号，触发探测器14停止采集光谱数据。

否则，则执行步骤S307，直至探测器14采集了预设次数的光谱数据。

本领域技术人员可以理解的是，工控机17可以是，但不限于嵌入式工控机、DSP、ARM中的一种。

本领域普通技术人员还应当理解，结合本申请的实施例描述的各种示例性的逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现成电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚地表示硬件和软件之间的这种可互换性，上文对各种示例性的部件、块、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般性描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和施加在整个系统上的设计约束条件。本领域技术人员可以针对每种特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种光学测量系统，包括：

探测单元，用于采集反射自样品表面的光谱数据；

运动单元，用于调整入射至所述探测单元的所述光谱数据，并记录与所述光谱数据相对应的第一位置信息；以及

工控单元，用于接收所述光谱数据和所述第一位置信息，并用于控制所述运动单元对入射至所述探测单元的所述光谱数据进行调整；

其中，所述探测单元通过硬件触发方式以触发所述运动单元记录所述第一位置信息，所述运动单元通过硬件触发方式以触发所述探测单元开始或停止采集所述光谱数据。

2.如权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述探测单元在采集所述光谱数据的同时，还发出第一触发信号至所述运动单元，以触发所述运动单元记录所述第一位置信息。

3.如权利要求2所述的光学测量系统，其特征在于，所述运动单元包括验偏器和运动控制卡，其中，所述运动控制卡基于所述第一触发信号记录所述第一位置信包，并基于所述工控单元的控制指令控制所述验偏器的工作状态，从而调整入射至所述探测单元的光束。

4.如权利要求2所述的光学测量系统，其特征在于，所述第一触发信号为脉冲信号。

5.如权利要求3所述的光学测量系统，其特征在于，当所述验偏器的光轴到达指定位置时，发出第二触发信号以触发所述探测单元开始采集所述光谱数据。

6.如权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述工控单元还用于对所述探测单元的积分时间、采集次数进行预设，并且将所述探测单元的触发模式设置为硬件触发模式。

7.如权利要求6所述的光学测量系统，其特征在于，当所述运动单元记录的所述第一位置信息的数量达到所述探测单元的预设的采集次数时，所述运动单元发出第三触发信号，以触发所述探测单元停止采集所述光谱数据。

8.如权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，还包括：

信号转换单元，分别与所述运动单元、探测单元通信连接，用于对来自所述运动单元或所述探测单元的输入信号进行调整，以输出能够触发所述探测单元或所述运动单元的输出信号。

9.如权利要求1至8任一项所述的光学测量系统，其特征在于，所述第一位置信息包括所述探测单元采集所述光谱数据时对应的所述验偏器的光轴位置。

10.一种用于光学测量系统的同步数据采集方法，包括：

A.设置探测单元、运动单元的工作参数；

B.通过所述探测单元采集光谱数据，同时发出第一触发信号至所述运动单元；

C.通过所述运动单元记录与采集的所述光谱数据相对应的第一位置信息；

D.当所述光谱数据的数量达到预设值时，停止采集光谱数据。

11.如权利要求10所述的同步数据采集方法，其特征在于，所述步骤A中还包括：

设置所述探测单元的积分时间、采集次数，以及将所述运动单元的触发方式设置为硬件触发。

12.如权利要求10所述的同步数据采集方法，其特征在于，所述步骤C中还包括：

通过所述第一触发信号触发所述运动单元，使得所述运动单元记录所述第一位置信息。

13.如权利要求11所述的同步数据采集方法，其特征在于，所述步骤D中还包括：

当所述运动单元记录的所述第一位置信息的数量达到与预设的所述探测单元的采集次数相等时，通过所述运动单元以硬件触发方式触发所述探测单元停止采集光谱数据。

14.如权利要求12所述的同步数据采集方法，其特征在于，所述第一触发信号为脉冲信号。

15.如权利要求10至14任一项所述的同步数据采集方法，其特征在于，所述运动单元还包括验偏器，所述第一位置信息包括所述探测单元采集所述光谱数据时所述验偏器的光轴位置。