CN111766048B

CN111766048B - 一种光栅衍射角谱自动测量系统

Info

Publication number: CN111766048B
Application number: CN202010738785.8A
Authority: CN
Inventors: 余明; 林慧; 马翠; 赖厚湖
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2040-07-28
Also published as: CN111766048A

Abstract

本发明公开了一种光栅衍射角谱自动测量系统。该系统包括激光源、扫描转台、样品转台、光电传感器、传感器支架和光电信号检测装置，其中，所述激光源放置在高度可调的支架上，所述传感器支架用于承载所述光电传感器，所述样品转台用于承载待测光栅，所述光电信号检测装置被配置为控制所述扫描转台和所述样品转台以预定的旋转角度转动，进而调整待测光栅的入射角并进行光栅衍射角谱扫描，获得光栅衍射角谱测量结果。本发明能够进行不同入射角下的衍射角谱测量，精确测量光栅各级次衍射效率和衍射级次之间的杂散光情况，准确反映衍射光、杂散光的量级差异。

Description

一种光栅衍射角谱自动测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，更具体地，涉及一种光栅衍射角谱自动测量系统。

背景技术

衍射光栅通过周期性的栅线将入射光衍射为多个级次，是一种重要的光学器件。如图1所示，波长为λ的准直光束以一定角度入射于光栅后发生衍射，不同级次的衍射光在空间上具有不同的衍射角θ_m以及不同的衍射效率η_m(衍射光强除以入射光强)。衍射角谱指的是光栅衍射光随角度的分布情况，它与光栅的微观信息密切相关。首先，测量衍射角代入光栅方程，可以计算出光栅的栅线周期d；其次，通过不同级次衍射效率间的相对关系，可以反映出光栅的微观槽型；再次，通过衍射级次之间的杂散光情况，可以反映光栅的表面粗糙度。因此，衍射角谱不仅可以直接反映光栅的光学性质，还可以作为光栅微观信息的间接评价手段。与扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等微观形貌测量方法相比，衍射角谱测量具有快速、无损的优点，尤其是在评价光栅均匀性时，往往需要对光栅进行多点测量，衍射角谱测量的优势将更加突出。因此，设计光栅衍射角谱的测量系统具有重要意义。

在现有技术中，测量光栅工作级次的衍射效率，不能满足衍射角谱测量的要求，如专利申请CN201711430637(一种光栅衍射效率测试系统及方法)和专利申请CN201611039171(光栅衍射效率光谱测量装置和测量方法)。由于光栅用于色散时往往只使用特定的衍射级次(即工作级次，一般为+1级或-1级)，现有技术均是针对光栅工作级次衍射效率随波长变化的关系进行测量，以评价光栅的有效波长范围，但不能进行各级次衍射角、衍射效率的精确测量。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种光栅衍射角谱自动测量系统，通过变换入射光波长，让传感器跟踪各级次衍射光并测量其强度，以实现各级次衍射角、衍射效率的精确测量，解决自动扫描测试、高信噪比、高动态范围的光电信号检测等技术问题。

本发明提供一种光栅衍射角谱自动测量系统。该系统包括激光源、扫描转台、样品转台、光电传感器、传感器支架和光电信号检测装置，其中，所述激光源放置在高度可调的支架上，所述传感器支架用于承载所述光电传感器，所述样品转台用于承载待测光栅，所述光电信号检测装置被配置为控制所述扫描转台和所述样品转台以预定的旋转角度转动，进而调整待测光栅的入射角并进行光栅衍射角谱扫描，获得光栅衍射角谱测量结果。

在一个实施例中，所述传感器支架上设有垂直槽道和水平槽道，分别用于调节所述光电传感器的高度以及所述光电传感器相对于待测光栅的水平距离。

在一个实施例中，光电信号检测装置包括电源模块、信号调理模块、主控单元，所述主控单元被设置为经由第一电机控制所述扫描转台的转动并通过所述扫描转台内置的角度传感器获取转动角度信息，且所述主控单元被设置为经由第二电机控制所述样品转台转动，所述信号调理电路被设置为将所述光电传感器检测到电信号经处理转换为适于传递至所述主控单元的信号，所述电源模块用于向所述信号调理模块和所述主控单元提供电力。

在一个实施例中，所述信号调理模块包括依次连接的IV电路、放大电路、滤波电路、分压电路和钳位电路，所述IV电路用于将所述光电传感器输出的电流转换为负压，所述放大电路用于将所述IV电路输出的负压转换为正压，所述滤波电路用于滤除高于截止频率的信号，所述分压电路用于对输入电压进行分压，所述钳位电路用于使输出电压适于传递至所述主控单元进行AD转换。

在一个实施例中，所述IV电路包括第一运算放大器和数字电位计R1，数字电位计R1的RH引脚连接电阻R2和电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接第一运算放大器的输出端，电阻R3的另一端接地，数字电位计的RW和RL引脚连接第一运算放大器的反相输入端；第一运算放大器的正压端连接用于低通滤波的并联电容C2和C3；第一运算放大器的负压端连接用于低通滤波的并联电容C4和C5；第一运算放大器的反相输入端和正相输入端连接所述光电传感器S1；第一运算放大器的输出端经由电容C1与其反相输入端连接。

在一个实施例中，所述放大电路是反向运算放大电路，包括第二运算放大器、可调电阻R5，第二运算放大器的输出端经由可调电阻R5连接至第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的反相输入端经由电阻R4连接第一运算放大器的输出端，第二运算放大器的正相输入端接地。

在一个实施例中，所述滤波电路包括第三运算放大器，第三运算放大器的输出端串联电阻R9和R8后接地；第三运算放大器的反相输入端连接在电阻R8和R9之间；第三运算放大器的同相输入端连接电容C7的一端，C7的另一端接地；第三运算放大器的同相输入端经由串联电阻R7和R6与所述放大电路连接；第三运算放大器的输出端连接电容C6的一端，电容C6的另一端连接在电阻R6和R7之间。

在一个实施例中，所述分压电路包括电阻R10和R11，R10的一端连接第三运算放大器的输出端，R10的另一端连接R11的一端，R11的另一端接地；所述钳位电路包括二极管D1和D2，D1的正极连接在R10和R11之间，D1的负极连接3.3V电源，D2的负极与D1的正极连接，D2的正极接地。

在一个实施例中，在扫描测试时，通过所述激光源的支架、所述样品转台和所述传感器支架将激光源、待测光栅与光电传感器调整为同心设置。

在一个实施例中，所述扫描转台的旋转范围设置为-90°～90°。

与现有技术相比，本发明的优点在于，针对特定入射光下的各级次衍射光分布情况进行测量，不仅能够直接反映光栅的光学性质，还可以作为光栅微观信息的间接评价手段。本发明采用自动扫描机构设计，带动光电传感器进行扫描测试，能够获取不同角度下的衍射光强分布；并且样品台也具有角度调节功能，能够进行不同入射角下的衍射角谱测量。此外，本发明还设计了高信噪比、高动态范围的光电信号检测电路，能够精确测量光栅各级次衍射效率和衍射级次之间的杂散光情况，准确反映衍射光、杂散光的量级差异。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是现有技术中典型光栅衍射角谱示意图；

图2是根据本发明一个实施例的光栅衍射角谱自动测量系统的光学平台检测装置图；

图3是根据本发明一个实施例的光栅衍射角谱自动测量系统的整体框图；

图4是根据本发明一个实施例的光栅衍射角谱自动测量系统的信号调理电路示意图；

图5是根据本发明一个实施例的光栅衍射角谱自动测量系统的实验检测结果。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

简言之，本发明提供的光栅衍射角谱自动测量系统整体上包括光学平台检测装置和光电信号检测系统(或称光电信号检测装置)。具体地，参见图2所示，在一个实施例中，光学平台检测装置包括入射激光光源1、光源支架2、扫描转台3、样品转台4、待测光栅5，传感器支架6和光电传感器7。

入射激光光源1放置在光源支架2，光源支架2可采用套筒套接加螺纹紧固方式来调整支架高度。扫描转台3被控制为按照设定的方式进行旋转，例如，设置旋转角度范围为-90°～90°(例如，-90°是指光电传感器与光栅共平面，0°是指光电传感器与光栅垂直)，其旋转角度可通过内置角度传感器读取。样品转台4同样可采用套筒套接加螺纹紧固的方式来调整高度，旋转角度范围可设置为-90°～90°，通过控制样品转台4的旋转角度能够调整光栅的入射角度。待测光栅5放置在传感器支架6上，传感器支架6为可调式支架，例如可设置垂直槽道和水平槽道，用于分别调节光电传感器高度以及与待测光栅的水平距离。光电传感器7放置在传感器支架6上。优选地，在测试时，将激光源、待测光栅与光电传感器调整为同心。

图3是根据本发明一个实施例的光电信号检测装置，其可实现高信噪比、高动态范围的光电信号检测。该光电信号检测装置包括依次连接的电源模块10、光电传感器20、信号调理模块30、主控单元40(示意为MCU)、USB模块50和旋转平台模块60。在该实施例中，信号调理模块30示意为包括可调式I/V电路、程控式反向运算放大电路、二阶低通滤波电路、分压电路和电压保护电路，对于各电路的功能和结构将在下文介绍。

电源模块10以12V DC为供电电源，分别转换为±12V，+5V与+3.3V。其中±12V为微弱信号放大电路模块提供电源，+3.3V为MCU及其他模块提供电源。

光电传感器20用于将光信号转换为微弱电信号。

信号调理模块30，用于将光电传感器20输出的微弱电信号依次经可调式IV电路、可调式放大电路(示意为程控式反向运算放大电路)、二阶低通滤波电路、分压电路和钳位电路(即电压保护电路)，最终传输至主控MCU40。

在一个实施例中，主控MCU40采用STM32主控芯片，主要功能是AD转换和USB数据传输。

相对于RS232/RS485，该USB模块50具有更高的传输速率，MCU经由USB模块50与上位机PC通信。

旋转平台模块60包括样品转台电机和扫描转台电机，主控MCU40可经由样品转台电机和扫描转台电机分别控制样品转台与扫描转台的旋转，进而调整待测光栅的入射角并进行光栅衍射角谱扫描。此外主控MCU40还可通过扫描转台的内置角度传感器读取扫描转台的旋转角度值。

图4是本发明一个实施例提供的高信噪比高动态范围信号调理电路，包括I/V电路100、放大电路200、滤波电路300、分压电路400和钳位电路500。

I/V电路100是改进型I/V电路。如图4所示，该I/V电路100包括运算放大器和数字电位计R1，数字电位计R1的RH引脚连接电阻R2和电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器的输出端，电阻R3的另一端接地。数字电位计的RW和RL引脚连接运算放大器的反相输入端。运算放大器的正压端连接用于低通滤波的并联电容C2和C3。运算放大器的负压端连接用于低通滤波的并联电容C4和C5。运算放大器的反相输入端和正相输入端连接光电传感器，标记为S1。运算放大器的输出端经由电容C1与其反相输入端连接。

在图4实施例中，I/V电路100中的运算放大器芯片选用TI公司的OPA129，最大偏置电流为100fA，因此对1nA及以上的微弱电流信号放大有较高的信噪比。在电流转电压部分的电阻采用Xicor公司的X9319US8数字电位计R1，该数字电位计具备非易失性存储功能，内置99个电阻单元，阻值范围为40Ω～50KΩ。滑动端的位置由

、U/

和

输入端控制，通过拉低

片选角，使数字电位计处于工作状态，拉高/低U/

引脚来改变电阻滑动端移动方向，通过程序控制

引脚翻转次数来改变其滑动端阻值，每翻转一次，R1阻值变化1/100。电流流经R1的输出电压为-I*R1。R2、R3为并联电阻，放大倍数为Au＝(R2+R3)/R3。电流经转化后的输出电压为Vo＝-I*R1*(R2+R3)/R3。C1为滤波电容，可防止高频噪声被放大，C2、C3、C4、C5为低通滤波电容，从而去除电源噪声。可见，I/V电路100能够将光电传感器输出的微弱电流转换为负压。在图4中，放大电路200是反向运算放大电路，包括运算放大器和可调电阻R5。该运算放大器的输出端经由可调电阻R5连接至反相输入端。运算放大器的反相输入端经由电阻R4连接至I/V电路100中运算放大器的输出端。放大电路200用于将I/V电路100输出的负压转换为正压，其放大倍数为Au＝-R5/R4，通过调节R5的阻值可改变放大倍数。

滤波电路300可采用压控电压源型二阶低通滤波电路，其包括运算放大器，该运算放大器的输出端串联电阻R9和R8后接地。运算放大器的反相输入端连接在电阻R8和R9之间。运算放大器的同相输入端连接电容C7的一端，C7的另一端接地。运算放大器的同相输入端经由串联电阻R7和R6与放大电路200中的运算放大器输出端连接。滤波电路300中的运算放大器的输出端连接电容C6的一端，电容C6的另一端连接在电阻R6和R7之间。滤波电路300通过截止频率可有效去除高于截止频率的其他信号。例如，对于R6＝R7＝R，C6＝C7＝C的情况，截止频率为f＝1/(2πRC)。滤波电路300的放大倍数为Au＝(R8+R9)/R8。

分压电路400包括电阻R10和R11，R10的一端连接滤波电路300中运算放大器的输出端，R10的另一端连接R11的一端，R11的另一端接地。R10和R11为并联电阻，起分压作用。例如，信号经二阶低通滤波电路300输出后，电压范围在0～V+之间，通常V+是大于3.3V电压，不能利用MCU直接进行AD转换，因此需要分压电路400进行分压，经分压后的输出电压为V_out＝V_in*R11/(R10+R11)。钳位电路500起电压保护作用，使输出电压介于0V～3.3V之间。例如钳位电路500包括二极管D1和D2，D1的正极连接在R10和R11之间，D1的负极连接3.3V电源，D2的负极与D1的正极连接，D2的正极接地。当输出电压高于3.3V时，二极管D1导通，当电压低于GND时，二极管D2导通。

本发明实施例提供的信号调理电路能够实现高信噪比、高动态范围的信号调理和电压检测。例如，检测过程是：MCU进行AD采样，在程控改变电路放大倍数之前，标记初始检测状态计为V₀，V₀为MCU传输至PC机上显示的电压值。通过程控改变电路放大倍数，使输出电压值在1.0V～2.5V区间范围内，标记为V_n，高动态范围电压检测过程与计算公式为：

1)、当V_n<1.0V时，拉高U/

引脚，翻转

引脚，翻转次数记为n，相对初始状态的放大倍数为(1+n/100)，实际电压为：V₀＝V_n/(1+n/100)；

2)、当1.0≤V_n≤2.5V时，V₀＝V_n；

3)、当V_n>2.5V时，拉低U/

引脚，翻转

引脚，翻转次数记为n，相对初始状态的放大倍数为1/(1+n/100)，实际电压为：V₀＝V_n*(1+n/100)。

需说明的是，在上述实施例中，涉及的电容、电阻、运算放大器等均可根据需要选择市售的型号。并且本领域技术人员在不违背本发明的精神和范围的前提下，可对上述实施例进行修改或变型，例如，采用其他形式的放大电路、滤波电路或钳位电路等。

为进一步验证本发明的效果，进行了实验检测。实验检测对象为平面光栅，实际参数为：光栅刻线数(槽/mm)为600.00，光栅常数(nm)为166.67，主级衍射效率为57.51％。衍射效率计算方法为衍射强度与入射光光强的比值。实验检测以波长为532nm的激光作为入射光光源，测试光栅不同级次下的衍射效率。测试过程包括以下步骤：

步骤S1，初始化扫描平台。

例如，程序控制扫描转台至初始位置(默认初始位置为-90°)。

步骤S2，入射光强初始化检测。

将扫描转台从-90°旋转至0°位置，入射光光源垂直照射至光电传感器上，检测值作为入射光光强值。检测完毕后扫描转台回到初始位置。

步骤S3，调整光栅入射角。

将待测光栅放置于样品转台上，通过控制样品转台的旋转角度来改变光栅的入射角度。实验通常将光栅入射角调整为0°。

步骤S4，扫描光栅衍射角谱。

程序控制扫描转台，扫描范围为-90°～90°，检测时上位机实时绘制衍射角谱曲线。

步骤S5，计算光栅性能参数。

根据衍射角谱曲线计算光栅刻线数、主级衍射效率等重要性能参数。

图5是实验检测结果，经测量计算，光栅刻线数(槽/mm)为601.52，光栅常数(nm)为166.24，主级衍射效率为60.54％。经验证，本发明能够精确测量光栅各级次衍射效率及衍射级次之间的杂散光情况，准确反映衍射光、杂散光的量级差异。

综上所述，本发明通过设置自动扫描机构，带动光电传感器进行扫描测试，获取不同角度下的衍射光强分布。此外，样品台具有角度调节功能，能够满足不同入射角下的衍射角谱测试要求。本发明还提供高信噪比、高动态范围的光电信号检测电路，能够精确测量光栅各级次衍射效率及衍射级次之间的杂散光情况，准确反映衍射光、杂散光的量级差异。本发明的系统可配备自行设计的上位机分析软件进行实验，利用不同的激光测试，均能得出较好结果，并且系统可靠性高。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种光栅衍射角谱自动测量系统，包括激光源、扫描转台、样品转台、光电传感器、传感器支架和光电信号检测装置，其中，所述激光源放置在高度可调的支架上，所述传感器支架用于承载所述光电传感器，所述样品转台用于承载待测光栅，所述光电信号检测装置被配置为控制所述扫描转台和所述样品转台以预定的旋转角度转动，进而调整待测光栅的入射角并进行光栅衍射角谱扫描，获得光栅衍射角谱测量结果；

其中，光电信号检测装置包括电源模块、信号调理模块、主控单元，所述主控单元被设置为经由第一电机控制所述扫描转台的转动并通过所述扫描转台内置的角度传感器获取转动角度信息，且所述主控单元被设置为经由第二电机控制所述样品转台转动，所述信号调理模块被设置为将所述光电传感器检测到电信号经处理转换为适于传递至所述主控单元的信号，所述电源模块用于向所述信号调理模块和所述主控单元提供电力；

其中，所述信号调理模块包括依次连接的IV电路、放大电路、滤波电路、分压电路和钳位电路，所述IV电路用于将所述光电传感器输出的电流转换为负压，所述放大电路用于将所述IV电路输出的负压转换为正压，所述滤波电路用于滤除高于截止频率的信号，所述分压电路用于对输入电压进行分压，所述钳位电路用于使输出电压适于传递至所述主控单元进行AD转换；

其中，所述IV电路包括第一运算放大器和数字电位计R1，数字电位计R1的RH引脚连接电阻R2和电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接第一运算放大器的输出端，电阻R3的另一端接地，数字电位计的RW和RL引脚连接第一运算放大器的反相输入端；第一运算放大器的正压端连接用于低通滤波的并联电容C2和C3；第一运算放大器的负压端连接用于低通滤波的并联电容C4和C5；第一运算放大器的反相输入端和正相输入端连接所述光电传感器S1；第一运算放大器的输出端经由电容C1与其反相输入端连接。

2.根据权利要求1所述的光栅衍射角谱自动测量系统，其中所述传感器支架上设有垂直槽道和水平槽道，分别用于调节所述光电传感器的高度以及所述光电传感器相对于待测光栅的水平距离。

3.根据权利要求1所述的光栅衍射角谱自动测量系统，其中，所述放大电路是反向运算放大电路，包括第二运算放大器、可调电阻R5，第二运算放大器的输出端经由可调电阻R5连接至第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的反相输入端经由电阻R4连接第一运算放大器的输出端，第二运算放大器的正相输入端接地。

4.根据权利要求3所述的光栅衍射角谱自动测量系统，其中，所述滤波电路包括第三运算放大器，第三运算放大器的输出端串联电阻R9和R8后接地；第三运算放大器的反相输入端连接在电阻R8和R9之间；第三运算放大器的同相输入端连接电容C7的一端，C7的另一端接地；第三运算放大器的同相输入端经由串联电阻R7和R6与所述放大电路连接；第三运算放大器的输出端连接电容C6的一端，电容C6的另一端连接在电阻R6和R7之间。

5.根据权利要求4所述的光栅衍射角谱自动测量系统，其中，所述分压电路包括电阻R10和R11，R10的一端连接第三运算放大器的输出端，R10的另一端连接R11的一端，R11的另一端接地；所述钳位电路包括二极管D1和D2，D1的正极连接在R10和R11之间，D1的负极连接3.3V电源，D2的负极与D1的正极连接，D2的正极接地。

6.根据权利要求1所述的光栅衍射角谱自动测量系统，其中，在扫描测试时，通过所述激光源的支架、所述样品转台和所述传感器支架将激光源、待测光栅与光电传感器调整为同心设置。

7.根据权利要求1所述的光栅衍射角谱自动测量系统，其中，所述扫描转台的旋转范围设置为-90°～90°。