CN108680578B - 一种多光谱频分复用的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多光谱频分复用的检测系统及方法。该装置包括提供不同波长的多个激光器，可变中性密度滤波片将光束调制为正弦光信号；由二向色镜将多束光混合，经过光学系统入射在试样表面，利有光电探测器件接收试样表面的散射光，并将其变换为电信号，经过前置放大及滤波模块预处理。将调制的信号与另一束经过可变中性密度滤波片的参考信号同时送入锁相环中，进行处理，输出需要的信息，以分析可以使用本发明任意配置多条测试通道，提高测量精度，为多通道的测试节约了成倍的时间。

Description

一种多光谱频分复用的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多光谱频分复用的检测系统及方法。

背景技术

随着近几年科学技术及加工工艺的发展，光学零件越来越多的被用于空间天体探测、光学仪器、激光、机械加工等各种领域；特别是涉及X射线光学、X射线激光、紫外光学以及磁记录、光学记录、超大规模集成电路等领域对光学系统中的光学零件更是提出了极精准的面型要求和超光滑表面加工要求；高精度的面型使光学系统实现了高分辨率、高集光能力、信噪比以及增大视场等技术目标。

针对超光滑光学表面疵病的检测，目前国内外常用的方法有光学测量法、扫描探针显微技术和光学散射法等。

光学散射法利用逆散射法来评价光学元件表面特征，是一种行之有效的光学元件表面特征评价方法。这种方法具有测量精度高和仪器结构简单等优点。但此方法，只能针对单一的波长对试样进行缺陷检测，那结果也仅仅来自于单一类型的缺陷；此外，还需要对光学元件进行多次测量，以评估在指定参数范围内的多个节点的光散射规范，例如在给定的光照波长带宽内或在入射角范围内测量。为了精确的杂散光分析，通常需要在不同入射角下进行多次测量，而现实的测量系统需要在不同入射角和不同波长下进行测量。然而，最先进的高灵敏度和动态范围的光散射测量仪器只允许对不同的参数进行序列表征，这意味着一次只执行一组固定参数的测量。这导致测量时间显著增加，并且增加了非平稳测量条件的风险。

因此，如何有效的利用不同波长及频率结合多路复用的方法，提高检测信息的快速性及平稳性，是研究的一个重要方向。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多光谱频分复用的检测系统及方法，以利用多路复用及锁相环的优势来检测散射信号，以达到超光滑光学表面特征多组信号的测量。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种多光谱频分复用的检测系统，其特征在于：包括若干并联的依次设置于各自光轴上的激光器、可变中性密度滤波片和二向色镜，滤光片盘、离轴抛物面、试样、光电探测器、转换及滤波模块、若干个锁相放大器；激光器、可变中性密度滤波片、二向色镜和锁相放大器的个数相同；

所述激光器为整个系统提供一定波长的光束，一方面，光束通过可变中性密度滤波片并入射在二向色镜的表面；所述可变中性密度滤波片透过的另一束光束输入到若干个对应的锁相放大器中；

所述二向色镜接收通过可变中性密度滤波片的光束，将一定波长内的光反射，其余波长的光透射，并将光束混合；

所述滤光片盘接收若干二向色镜输出的混合光束，并通过离轴抛物面，调理光路，然后射入试样；

所述光电探测器与转换及滤波模块连接，用于接收试样的散射光，并将散射光信号变换为电信号；

所述转换及滤波模块与锁相放大器连接，将信号中的噪声信号及所测信号频率之外的信号滤除。

所述锁相放大器，接收参考信号及调制信号，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。

激光器组由多个不同波长的激光器组成，其波长在170nm～2600nm之间。

所述的可变中性密度滤波片为圆形，且左右两半圆轴对称；所述的可变中性密度滤波片的表面镀有金属膜，其起始位置，有一条细的空白区域，该区域不镀金属膜，镀膜密度从镀膜开始处线性正常，较高的光密度对应较低的透射率和入射光较大反射率，而较低光密度对应于较高透射率和低反射率；若干个可变中性密度滤波片的转速均不相同。

所述的二向色镜的摆放角度为45°。

所述的光电探测器的探测范围包含激光器组的所有波长范围。

一种多光谱频分复用的检测方法，其特征在于：所述的测量方法的步骤包括：

步骤一：激光器组发出的光束入射在具有不同调制频率的可变中性密度滤波片，同时可变中性密度滤波片以一定的转速ω转动，通过可变中性密度滤波片表面的连续可变的金属反射膜，使直流系统变成交流系统；

步骤二：交流系统中的交流光信号，其中一束光束入射到二向色镜上，调整每个二向色镜的角度，使反射或透射的光束在一个方向角，并最终使不同频率的光组合为一束光束；

步骤三：剩余的混合光束经过滤光片盘，滤除杂散光，并利用离轴抛物面的准直性，调理光路，使光束集中；

步骤四：将处理后的光束入射到样片上，利用光电探测器在非反射角接收产生的被散射光，将其变换为电信号；

步骤五：将光电探测器变换的电信号送入转换及滤波模块转换为电压信号，并利用滤波器滤除信号频率之外的其他噪声信号；

步骤六：将经转换及滤波模块的调制信号以频分复用的方式，实现多通道信号数据的并行发送，分别送入多个锁相放大器的输入信号端口；

步骤七：将步骤二中的一束光束经过可变中性密度滤波片作为参考信号，送入参考信号端口，此光束应与步骤五电压信号送入锁相放大器中的时间保持同步；

步骤八：锁相放大器在调制频率上对有用信号进行选频放大，滤除其他频率的信号，提高检测精度；并利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出电压与输入电压保持固定的相位差值。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明在对样片由疵病引起的散射光检测的过程中，所检测的散射信号来自入射的混合光束，其光束并不仅仅包含单一的光波长、频率，而是由多个光波长、频率、偏振、相干性、入射角等信息；利用不同的锁相放大器将对应频率的信号进行处理；假设A锁相放大器处理的信号来自激光器1，B锁相放大器处理的信号来自激光器2，以此类推；在分析激光器1入射时的缺陷信息，可以将激光器1的参考信号送入A锁相放大器中，通过锁相放大器处理时，使频率稳定性变高，通过分析处理数据，可以更加具体分析出样片的缺陷类型及特性。输出处理数据，可以分析出样片的缺陷类型及特性，以此类推，极大的减少了设置及操作时间；

2)本发明可变中性密度滤波片可将直流光信号调制为正弦交流光信号，使锁相放大器处理更加的快捷，且减少了谐波的干扰，提高数据处理的精度；

3)本发明二向色镜，巧妙的将不同频率的光束混合为一束光，此部分为共用系统，可根据实际情况增加或减少激光器数量，而不用对其他的系统做出更改，简化了实验步骤；

4)本方法可以在不同的参数同时进行时间临界观测，避免了非平稳效应。极大的提高了灵敏度、动态范围及谱线宽度。

附图说明

图1为本发明多光谱频分复用系统的超光滑光学表面疵病检测装置示意图。

图2为可变中性密度滤波片的示意图。

图中：101、激光器，102、可变中性密度滤波片，103、二向色镜，104、滤光片盘，105、离轴抛物面，106、试样，107、光电探测器，108、转换及滤波模块，109、锁相放大器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种多光谱频分复用的检测系统(参见图1)，包括若干并联的依次设置于各自光轴上的激光器101、可变中性密度滤波片102和二向色镜103，滤光片盘104、离轴抛物面105、试样106、光电探测器107、转换及滤波模块108、若干个锁相放大器109；激光器101、可变中性密度滤波片102、二向色镜103和锁相放大器109的个数相同；

激光器组由多个不同波长的激光器101组成，其波长在170nm～2600nm之间。

激光器组为整个系统提供一定波长的光束，一方面，光束通过可变中性密度滤波片102将激光器发出的光调制为正弦波长的光，并入射在二向色镜103的表面；所述可变中性密度滤波片102透过的另一束光束输入到若干个对应的锁相放大器109中；

所述二向色镜103用于接收通过可变中性密度滤波片102的光束，将一定波长内的光分别反射到若干个对应的锁相放大器109中，其余波长的光透射，并将光束混合；

所述滤光片盘104接收若干二向色镜103输出的混合光束，并通过离轴抛物面105，调理光路，然后射入试样106；

所述光电探测器107与转换及滤波模块108连接，用于接收试样106的散射光，并将散射光信号变换为电信号；

所述转换及滤波模块108与锁相放大器109连接，将信号中的噪声信号及所测信号频率之外的信号滤除。

所述锁相放大器109，接收参考信号及调制信号，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。

所述锁相放大器109利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。

所述的可变中性密度滤波片102为圆形，且左右两半圆轴对称；所述的可变中性密度滤波片102的表面镀有金属膜，其起始位置，有一条细的空白区域，该区域不镀金属膜(参见图2)，镀膜密度从镀膜开始处线性正常，较高的光密度对应较低的透射率和入射光较大反射率，而较低光密度对应于较高透射率和低反射率；若干个可变中性密度滤波片102的转速均不相同。

所述的二向色镜103的摆放角度为45°。

本发明在校准过程中，应提前测试光电探测器件的响应特性。

所述光电探测器的探测范围应与激光器波长相匹配，须包含激光器组的所有波长范围。

转换及滤波模块，滤除的信号频率应在所测光信号频率之外。

锁相环的频率范围与光束的频率范围要相匹配。

为了减少不同信号通道之间的串扰，建立了一种模型；以两个矩形信号为例(也适用于多个通道)，调制信号U₁(t)，其振幅为A₁，径向频率ω₁；干扰信号U₂(t)，其振幅为A₂，径向频率ω₂，在锁相放大器109的鉴相器中产生的信号为U(t)：

其波形是对i和j的傅里叶级数进行描述的。通过将U(t)与信号U₁(t)和相移相同频率的参考信号相乘，在锁相放大器中进行解调。在锁相放大器中，通过评估两个相移的参考信号来提取相位，该相位在以下假设为零，以简化数学运算。这不是一个原则限制。解调信号:

直流电压输出

对应所需的测量信号，而高频率的残留有害因子通过低通滤波器滤除，有：

V₁(t)＝F^-1{F{X₁(t)}·H(ω)}≈2A₁/π (4)

式(4)中分别利用傅里叶的正负变换，很好的提取了埋在随机噪声中的信号。但是，随着输出，对于高振幅和离散频率的干扰信号，其振荡会被不停的叠加。造成输出结果测量不确定度的增加；显然，串扰也会随着数量的增加而增加。

考虑式(5)，通过低通滤波器来减少串扰，增加滤波器的阶数会使稳定的时间增加，本发明的设计点不符；因此，将调制形式改变为正弦，可以从一定程度上减小串扰，这就是本发明引入可变中性密度滤波片的优势所在，通过配置所有通道的调制频率来降低串扰，另外，在锁相放大器之前，增加了转换及滤波模块108，在信号到达锁相放大器之前，减弱其他频率的噪声，可以极大的增加精度。

本发明多光谱频分复用的检测方法的步骤为：

步骤一：激光器组水平放置在光学平台上，发出的光束入射在具有不同调制频率的可变中性密度滤波片102，同时可变中性密度滤波片102以一定的转速ω转动，通过可变中性密度滤波片表面的连续可变的金属反射膜，使直流系统变成交流系统；

步骤二：交流系统中的交流光信号，其中一束光束入射到二向色镜103上，调整每个二向色镜的角度，使反射或透射的光束在一个方向角，并最终使不同频率的光组合为一束光束；

步骤三：剩余的混合光束经过滤光片盘104，滤除其他的杂散光，并利用离轴抛物面105的准直性，调理光路，使光束集中；

步骤四：将处理后的光束入射到样片106上，利用光电探测器107在非反射角接收产生的被散射光，将其变换为电信号，由于环境光及周围噪声的影响，光电探测器接收的散射信号必然会夹杂着其他频率的信号；

步骤五：将光电探测器107变换的电信号送入转换及滤波模块108转换为电压信号，并利用滤波器滤除信号频率之外的其他噪声信号；

步骤六：将经转换及滤波模块108的调制信号以频分复用的方式，实现多通道信号数据的并行发送，分别送入多个锁相放大器109的输入信号端口；

步骤七：将步骤二中的一束光束经过可变中性密度滤波片102作为参考信号，送入参考信号端口，此光束应与步骤五电压信号送入锁相放大器109中的时间保持同步；

步骤八：锁相放大器109在调制频率上对有用信号进行选频放大，滤除其他频率的信号，提高检测精度；并利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出电压与输入电压保持固定的相位差值。

本发明利用锁相放大器的输出幅值和频率，可以定性定量分析出光学元件表面面型的具体特征。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变，均应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种多光谱频分复用的检测系统，其特征在于：包括若干并联的依次设置于各自光轴上的激光器(101)、可变中性密度滤波片(102)和二向色镜(103)，滤光片盘(104)、离轴抛物面(105)、试样(106)、光电探测器(107)、转换及滤波模块(108)、若干个锁相放大器(109)；激光器(101)、可变中性密度滤波片(102)、二向色镜(103)和锁相放大器(109)的个数相同，由多个不同波长的激光器(101)组成激光器组；

激光器组为整个系统提供一定波长的光束，一方面，每一个激光器(101)的一束光束通过可变中性密度滤波片(102)并入射在每个相对应的二向色镜(103)的表面；所述可变中性密度滤波片(102)透过的另一束光束输入到若干个对应的锁相放大器(109)中作为参考信号；

所述二向色镜(103)接收通过可变中性密度滤波片(102)的光束，将一定波长内的光反射，其余波长的光透射，并最终使不同频率的光组合为一束光束；

所述滤光片盘(104)接收若干二向色镜(103)输出的混合光束，并通过离轴抛物面(105)，调理光路，然后射入试样(106)；

所述光电探测器(107)与转换及滤波模块(108)连接，用于接收试样(106)的散射光，并将散射光信号变换为调制电压信号；

所述转换及滤波模块(108)与锁相放大器(109)连接，将信号中的噪声信号及所测信号频率之外的信号滤除；

所述锁相放大器(109)，接收参考信号及调制电压信号，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种多光谱频分复用的检测系统，其特征在于：激光器(101)的波长在170nm～2600nm之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种多光谱频分复用的检测系统，其特征在于：所述的可变中性密度滤波片(102)为圆形，且左右两半圆轴对称；所述的可变中性密度滤波片(102)的表面镀有金属膜，其起始位置，有一条细的空白区域，该区域不镀金属膜，镀膜密度从镀膜开始处线性正常，较高的光密度对应较低的透射率和入射光较大反射率，而较低光密度对应于较高透射率和低反射率；若干个可变中性密度滤波片(102)的转速均不相同。

4.根据权利要求3所述的一种多光谱频分复用的检测系统，其特征在于：所述的二向色镜(103)的摆放角度为45°。

5.根据权利要求4所述的一种多光谱频分复用的检测系统，其特征在于：所述的光电探测器(107)的探测范围包含激光器组的所有波长范围。

6.一种基于权利要求1所述的一种多光谱频分复用的检测系统的检测方法，其特征在于：所述的检测方法的步骤包括：

步骤一：激光器组发出的光束入射在具有不同调制频率的可变中性密度滤波片(102)，同时可变中性密度滤波片(102)以一定的转速转动，通过可变中性密度滤波片表面的连续可变的金属反射膜，使直流系统变成交流系统；

步骤二：交流系统中的交流光信号，其中一束光束入射到二向色镜(103)上，调整每个二向色镜的角度，使反射或透射的光束在一个方向角，并最终使不同频率的光组合为一束混合光束；

步骤三：混合光束经过滤光片盘(104)，滤除杂散光，并利用离轴抛物面(105)的准直性，调理光路，使光束集中；

步骤四：将步骤三处理后的光束入射到样片(106)上，利用光电探测器(107)在非反射角接收产生的被散射光，将其变换为电信号；

步骤五：将光电探测器(107)变换的电信号送入转换及滤波模块(108)转换为调制电压信号，并利用滤波器滤除信号频率之外的其他噪声信号；

步骤六：将经转换及滤波模块(108)的调制电压信号以频分复用的方式，实现多通道信号数据的并行发送，分别送入多个锁相放大器(109)的输入信号端口；

步骤七：将步骤二中的另一束光束经过可变中性密度滤波片(102)作为参考信号，送入参考信号端口，此光束应与步骤五电压信号送入锁相放大器(109)中的时间保持同步；

步骤八：锁相放大器(109)在调制频率上对有用信号进行选频放大，滤除其他频率的信号，提高检测精度；并利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出电压与输入电压保持固定的相位差值。

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