CN116482588A - 一种芯片近场磁场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片近场磁场测量系统，涉及磁场测量技术领域。所述系统包括：激光发射调制装置、光路调整模块、金刚石片、电控二维位移台、CCD相机和电磁屏蔽控制装置；通过设置激光发射调制装置和电磁屏蔽控制装置发出调制激光和量子态调控微波，与被测芯片测量区域的近场磁场共同作用下生成荧光信号，根据被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号，确定被测芯片的近场磁场分布。本发明通过设置激光发射调制装置和电磁屏蔽控制装置能够提高大面积芯片近场磁场的测量效率。

Description

一种芯片近场磁场测量系统

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，特别是涉及一种芯片近场磁场测量系统。

背景技术

随着芯片小型化的发展，在芯片有限的空间内集成更多的电子元件成为芯片技术的重点，电子元件数量和种类的增多使芯片电磁兼容问题日益突出。测量芯片表面近场磁场分布是分析电磁兼容问题的重要手段。

现阶段，芯片表面近场磁场测量大多依赖于金属探头磁力仪，金属探头与芯片电磁耦合会造成测量结果不准确。采用具有非金属探头的量子磁测方式可避免这个问题；其中，氮空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心法可在室温下环境下测量且设备简单，在电磁测量领域应用越来越广泛。但现有方案在大面积芯片近场磁场测量时多采用单色心逐点扫描的方式，速度慢，耗费时间长。

发明内容

本发明的目的是提供一种芯片近场磁场测量系统，能够提高大面积芯片近场磁场的测量效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种芯片近场磁场测量系统，包括：

激光发射调制装置、光路调整模块、金刚石片、电控二维位移台、CCD相机和电磁屏蔽控制装置；

所述激光发射调制装置设置于所述光路调整模块的第一输入光路上；所述激光发射调制装置用于输出调制激光；

所述电控二维位移台设置于所述光路调整模块的第一输出光路和第二输入光路上；所述第一输出光路和所述第二输入光路重合且光信号传输的方向相反；所述电控二维位移台用于搭载被测芯片，并通过水平滑动调整被测芯片的测量区域；

所述金刚石片设置于所述电控二维位移台和所述光路调整模块之间；所述金刚石片在被测芯片通电时处于被测芯片测量区域的近场磁场范围内；所述测量区域为金刚石片在被测芯片上的投影区域；

所述CCD相机设置于所述光路调整模块的第二输出光路上；

所述电磁屏蔽控制装置分别与所述电控二维位移台、所述激光发射调制装置、所述金刚石片和所述所述CCD相机连接；所述电磁屏蔽控制装置用于控制所述电控二维位移台水平滑动；所述电磁屏蔽控制装置还用于发出量子态调控微波对所述金刚石片进行量子态微波调制；

所述光路调整模块置用于将所述调制激光反射至覆盖在被测芯片上的金刚石片；所述光路调整模块置还用于将荧光信号透射至所述CCD相机；所述荧光信号是所述金刚石片在所述调制激光、所述量子态调控微波和被测芯片测量区域的近场磁场共同作用下生成的；

所述电磁屏蔽控制装置还用于根据被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号，确定被测芯片的近场磁场分布。

可选的，所述激光发射调制装置包括：

激光器和声光调制器；

所述激光器与所述声光调制器均与所述电磁屏蔽控制装置连接；所述激光器与所述声光调制器通过液芯光纤连接；所述声光调制器通过光纤与所述光路调整模块连接；

所述激光器用于发出激光；

所述液芯光纤用于将所述激光进行匀化处理，得到匀化处理后的激光；

所述声光调制器用于将匀化处理后的激光进行调制处理，得到调制激光。

可选的，所述芯片近场磁场测量系统还包括：微波天线；

所述微波天线与所述金刚石片连接；

所述微波天线用于接收所述量子态调控微波。

可选的，所述芯片近场磁场测量系统还包括：

光学平板和气动隔震光学平台；

所述气动隔震光学平台用于搭载所述光学平板、所述激光器、所述电控二维位移台和所述电磁屏蔽控制装置；

所述光学平板垂直于所述气动隔震光学平台设置；所述光学平板用于搭载所述声光调制器、所述光路调整模块、所述金刚石片、所述微波天线和所述CCD相机。

可选的，所述电磁屏蔽控制装置包括：

计算机、图像采集卡和微波调控模块；

所述图像采集卡与所述CCD相机连接；所述图像采集卡用于采集被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号图像；

所述微波调控模块分别与所述声光调制器和所述微波天线连接；

所述计算机分别与所述图像采集卡、所述微波调控模块、所述激光器和所述电控二维位移台连接；所述计算机用于控制所述激光器用于发出激光；所述计算机还用于控制所述微波调控模块将匀化处理后的激光进行调制处理，得到调制激光；所述计算机还用于控制所述微波调控模块发出量子态调控微波对所述金刚石片进行量子态微波调制；所述计算机还用于根据被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号图像，确定被测芯片的近场磁场分布。

可选的，所述微波调控模块包括：

功率放大器、微波发生器和延时器；

所述延时器分别与所述声光调制器、所述微波发生器和所述计算机连接；所述延时器设置于所述气动隔震光学平台上；所述延时器用于生成时钟信号；所述计算机用于根据所述时钟信号控制所述声光调制器；

所述微波发生器还分别与所述功率放大器和所述计算机连接；所述计算机还用于根据所述时钟信号控制所述微波发生器发出量子态调控微波；

所述功率放大器设置于微波系统箱内；功率放大器还与所述微波天线连接；所述功率放大器用于对所述量子态调控微波进行功率放大处理。

可选的，所述电磁屏蔽控制装置还包括：

电磁屏蔽置物箱；

电磁屏蔽置物箱设置于所述气动隔震光学平台上；所述电磁屏蔽置物箱内设置有多个电磁屏蔽置物格；所述图像采集卡、所述微波系统箱和微波发生器分别设置于不同电磁屏蔽置物格内。

可选的，所述光路调整模块包括：

入射光透镜组匣、二向色镜、CCD前透镜组匣和镜组遮光匣；

所述镜组遮光匣设置在所述光学平板上；

所述二向色镜设置在所述镜组遮光匣内；所述镜组遮光匣设置有第一安装孔、第二安装孔和通光孔；所述第一安装孔设置于所述二向色镜的第一输入光路上；所述通光孔设置于所述二向色镜的第一输出光路和第二输入光路上；所述第一输出光路和所述第二输入光路重合且光信号传输的方向相反；所述第二安装孔设置于所述二向色镜的第二输出光路上；

所述入射光透镜组匣设置于所述第一安装孔处；所述入射光透镜组匣与所述声光调制器连接；所述入射光透镜组匣用于将所述调制激光调制成激光光斑；

所述CCD前透镜组匣设置于所述所述第二安装孔处；所述CCD前透镜组匣设置于所述CCD相机的输入光路上。

可选的，所述入射光透镜组匣包括：

遮光外壳和依次设置在遮光外壳内的集光镜、视场光阑、孔径光阑和聚光镜；

所述遮光外壳与所述声光调制器连接。

可选的，所述芯片近场磁场测量系统还包括：夹具；

所述夹具可转动地设置在所述光学平板上；所述夹具用于固定所述金刚石片并调节所述金刚石片的角度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种芯片近场磁场测量系统，通过设置激光发射调制装置和电磁屏蔽控制装置发出调制激光和量子态调控微波，与被测芯片测量区域的近场磁场共同作用下生成荧光信号，根据被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号，确定被测芯片的近场磁场分布，能够提高大面积芯片近场磁场的测量效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中芯片近场磁场测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例中电磁屏蔽置物箱结构示意图；

图3为本发明实施例中入射光透镜组匣结构示意图；

图4为本发明实施例中CCD前透镜组匣结构示意图；

图5为本发明实施例中微波系统箱结构示意图；

图6为本发明实施例中电控二维位移台结构示意图；

图7为本发明实施例中镜组遮光匣结构示意图；

图8为本发明实施例中激光光斑示意图；

图9为本发明实施例中测量区域示意图；

图10为本发明实施例中信号示意图；

图11为本发明实施例中大面积芯片测量区域示意图；

图12为本发明实施例中测量大面积芯片电控二维位移台移动路线示意图；

图13为本发明实施例中测量区域对应近场磁场融合过程示意图。

附图标记说明：1-激光器；2-液芯光纤；3-声光调制器；4-光纤；5-入射光透镜组匣；6-二向色镜；7-CCD前透镜组匣；8-镜组遮光匣；9-光学平板；10-金刚石片；11-微波天线；12-被测芯片；13-电控二维位移台；14-CCD相机；15-电磁屏蔽置物箱；16-计算机；17-图像采集卡；18-微波系统箱；19-微波发生器；20-延时器；21-气动隔震光学平台；22-通信线缆；23-光纤转接头；24-集光镜；25-视场光阑；26-孔径光阑；27-聚光镜；28-物镜；29-滤光片；30-微波开关；31-隔离器；32-功率放大器；33-透镜组匣安装孔；34-通光孔；35-遮光外壳；36-激光光斑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种芯片近场磁场测量系统，能够提高大面积芯片近场磁场的测量效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种芯片近场磁场测量系统，包括：激光发射调制装置、光路调整模块、金刚石片10、电控二维位移台13、CCD相机14和电磁屏蔽控制装置；激光发射调制装置设置于光路调整模块的第一输入光路上；激光发射调制装置用于输出调制激光；电控二维位移台设置于光路调整模块的第一输出光路和第二输入光路上；第一输出光路和第二输入光路重合且光信号传输的方向相反；电控二维位移台用于搭载被测芯片12，并通过水平滑动调整被测芯片的测量区域；金刚石片设置于电控二维位移台和光路调整模块之间；金刚石片在被测芯片通电时处于被测芯片测量区域的近场磁场范围内；测量区域为金刚石片在被测芯片上的投影区域；CCD相机设置于光路调整模块的第二输出光路上；电磁屏蔽控制装置分别与电控二维位移台、激光发射调制装置、金刚石片和CCD相机连接；电磁屏蔽控制装置用于控制电控二维位移台水平滑动；电磁屏蔽控制装置还用于发出量子态调控微波对金刚石片进行量子态微波调制；光路调整模块置用于将调制激光反射至覆盖在被测芯片上的金刚石片；光路调整模块置还用于将荧光信号透射至CCD相机；荧光信号是金刚石片在调制激光、量子态调控微波和被测芯片测量区域的近场磁场共同作用下生成的；电磁屏蔽控制装置还用于根据被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号，确定被测芯片的近场磁场分布。

其中，激光发射调制装置包括：激光器1和声光调制器3；激光器与声光调制器均与电磁屏蔽控制装置连接；激光器与声光调制器通过液芯光纤2连接；声光调制器通过光纤4与光路调整模块连接；激光器用于发出激光；液芯光纤用于将激光进行匀化处理，得到匀化处理后的激光；声光调制器用于将匀化处理后的激光进行调制处理，得到调制激光。

本发明提供的一种芯片近场磁场测量系统，芯片近场磁场测量系统还包括：微波天线11、光学平板9和气动隔震光学平台21；微波天线与金刚石片连接；微波天线用于接收量子态调控微波。气动隔震光学平台用于搭载光学平板、激光器、电控二维位移台和电磁屏蔽控制装置；光学平板垂直于气动隔震光学平台设置；光学平板用于搭载声光调制器、光路调整模块、金刚石片、微波天线和CCD相机。

具体的，电磁屏蔽控制装置包括：计算,16、图像采集卡17和微波调控模块；图像采集卡与CCD相机连接；图像采集卡用于采集被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号图像；微波调控模块分别与声光调制器和微波天线连接；计算机通过通信线缆22分别与图像采集卡、微波调控模块、激光器和电控二维位移台连接；计算机用于控制激光器用于发出激光；计算机还用于控制微波调控模块将匀化处理后的激光进行调制处理，得到调制激光；计算机还用于控制微波调控模块发出量子态调控微波对金刚石片进行量子态微波调制；计算机还用于根据被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号图像，确定被测芯片的近场磁场分布。

其中，微波调控模块包括：功率放大器、微波发生器19和延时器20；延时器分别与声光调制器、微波发生器32和计算机连接；延时器设置于气动隔震光学平台上；延时器用于生成时钟信号；计算机用于根据时钟信号控制声光调制器；微波发生器还分别与功率放大器和计算机连接；计算机还用于根据时钟信号控制微波发生器发出量子态调控微波；功率放大器设置于微波系统箱18内；功率放大器还与微波天线连接；功率放大器用于对量子态调控微波进行功率放大处理。

此外，电磁屏蔽控制装置还包括：电磁屏蔽置物箱15；电磁屏蔽置物箱设置于气动隔震光学平台上；如图2，电磁屏蔽置物箱内设置有多个电磁屏蔽置物格；图像采集卡、微波系统箱和微波发生器分别设置于不同电磁屏蔽置物格内。

具体的，光路调整模块包括：入射光透镜组匣5、二向色镜6、CCD前透镜组匣7和镜组遮光匣8；镜组遮光匣设置在光学平板上；二向色镜设置在镜组遮光匣内；镜组遮光匣设置有透镜组匣安装孔33(包括第一安装孔和第二安装孔)和通光孔34；第一安装孔设置于二向色镜的第一输入光路上；通光孔设置于二向色镜的第一输出光路和第二输入光路上；第一输出光路和第二输入光路重合且光信号传输的方向相反；第二安装孔设置于二向色镜的第二输出光路上；入射光透镜组匣设置于第一安装孔处；入射光透镜组匣与声光调制器连接；入射光透镜组匣用于将调制激光调制成激光光斑36；CCD前透镜组匣设置于第二安装孔处；CCD前透镜组匣设置于CCD相机的输入光路上。

进一步地，如图3，入射光透镜组匣包括：遮光外壳和依次设置在遮光外壳内的集光镜24、视场光阑25、孔径光阑26和聚光镜27；遮光外壳上的光纤转接头23与声光调制器连接。

此外，本发明提供的芯片近场磁场测量系统，芯片近场磁场测量系统还包括：夹具；夹具可转动地设置在光学平板上；夹具用于固定金刚石片并调节金刚石片的角度。

本发明中，激光器用于金刚石色心激发，为高功率激光器，波长为532nm；液芯光纤用于高斯分布激光的匀化；声光调制器用于将连续激光变为调制激光；光纤用于将调制激光送至入射光透镜组匣；入射光透镜组匣主要负责将匀化后的激光转换为直径为3mm的圆形光斑，二向色镜将入射光透镜组匣中产生的激光反射到金刚石片上，并且将金刚石片上发出的荧光透射至CCD前透镜组匣，如图4，CCD前透镜组匣内部安装滤光片29用于滤除杂散光，还安装有物镜28用于CCD成像。如图7，镜组遮光匣用于安装入射光透镜组匣、二向色镜和前透镜组匣，上方和左侧有入射光透镜组匣和前透镜组匣的安装孔，下方有通光孔，可以为内部元件提供遮光环境。光学平板竖直安装，为.声光调制器、光纤、入射光透镜组匣、二向色镜、前透镜组匣、镜组遮光匣和CCD相机提供安装位置。金刚石片为量子磁测成像提供NV色心；微波天线用于NV色心的量子态调控；如图6，电控二维位移台用于芯片的分区域成像时的位移。电磁屏蔽置物箱为无磁铝制三层结构，用于放微波系统的器件。计算机内有控制软件和图像处理软件，用于激光器、微波源、电控位移台的控制以及数据处理和图像处理。图像采集卡用于图像采集。如图5，微波系统箱用于功率放大器、隔离器31和微波开关30的电磁隔离放置。微波源为金刚石色心的微波调控提供微波来源。延时器为系统的时序控制提供时序信号。气动隔震平台为所有元件提供气动隔震以及安装孔位。通信线缆为连接的部件提供数据交换以及传递控制信息。

安装位置与连接关系为：气动隔震光学平台为与整个系统的最底部，激光器、延时器和电磁屏蔽置物箱放置于气动隔震光学平台上方，电控二维位移台用螺丝固定于光学平台上方。光学平板竖直安装于光学平台上方。液芯光纤通过专用接口连接激光器和声光调制器，声光调制器直接安装在光学平板上，光纤通过光纤接口连接声光调制器3和入射透镜组匣，入射透镜组匣于CCD前透进组匣以及二向色镜安装在透镜组遮光匣内，透镜组匣安装孔位于遮光匣的侧面，通光孔位于遮光匣的底部。遮光匣安装在光学平板之前，金刚石片用可调支架安装于光学平板上位于透镜组遮光匣的通光孔正下方，微波天线安装于金刚石片的右侧，被测芯片放置于电控二维位移台的上方、金刚石片的下方。计算机、图像采集卡、微波系统箱和微波源从上到下依次放入电磁屏蔽置物箱内，其中微波开关、隔离器和微波源依次连接，微波开关放于18微波系统箱一层，隔离器和微波源放于二层。

具体的，芯片近场磁场测量系统的使用流程为：

步骤1：设备上电及测试

打开设备电源，给计算机、激光源、微波源和延时器供电，启动计算机上的测控软件和图像采集处理软件，利用测控软件检查激光器控制、微波源控制是否正常，检查延时器输出输入是否正常。通过图像采集和处理软件检查CCD是否正常工作。

步骤2：金刚石色心对轴

打开激光器，打开CCD相机，打开延时器和计算机控制软件，利用软件控制激光器输出激光，激光通过液芯光纤和入射透镜组照射在金刚石片上，调节金刚石片夹具角度，观测CCD相机所收集到的荧光信号，当收集到的荧光信号最强时固定夹具。

步骤3：激光匀化

使用多色心同时激发来进行磁场测量，为了保证照射面的每一个色心上的激光光功率密度足够，并且激色心激发的均匀性和同步性，打开激光器后，激光进入液芯光纤，对激光器发射的激光进行匀化。

步骤4：激光调制

经过液芯光纤匀化后的激光进入声光调制器，通过延时器生成时钟信号，由计算机按照时钟信号对声光调制器进行控制，将连续的激光变成调制激光。

步骤5：柯勒照明系统调节

经过调制后的激光信号进入入射透镜组匣会变成均匀的圆光斑，根据金刚石片10的大小确定光斑直径，该直径一般为金刚石片的内切圆的直径，如图8。

为了得到该光斑，需要对入射透进组匣中的两个光阑进行调节，入射透镜组匣结构包括集光镜、视场光阑、孔径光阑以及聚光镜。

调节光阑可以依据公式，首先需要确定孔径光阑D_孔的大小：

D_孔＝2F_聚U (1)

其中，U为聚光镜的透镜尺寸，F_聚为聚光镜的焦距。接下来确定视场光阑的位置，其中视场光阑位置L₂为：

L₂＝LF_聚/(F_聚-L) (2)

其中，L为聚光镜到物面即金刚石片的光路距离。接下来确定视场光阑的大小，这一步决定了从透镜组出来的光斑尺寸是否符合，视场光阑D_视的大小为：

D_视＝2yL₂/L (3)

其中，y为光斑的半径，在本装置中为1.5mm。

步骤6：量子态微波调制

经过入射透镜组得到的均圆形光斑照射在金刚石片上，会对金刚石片中的色心进行激发，使得金刚石片散发出红色荧光。这个时候使用计算机控制，依照延时器给的时钟信号，控制微波源发出所需要的微波信号，并经由功率放大器进行放大然后进入微波天线，对金刚石色心进行量子态调控。

步骤7：量子态调控

金刚石色心中包含0和±1两种量子态布居，量子态调控的目的是为了改变这两种量子态的比例，使得量子态的布局可以体现出磁场信息，具体做法为金刚石片中的色心在受532m激光照射激发后，金刚石色心的量子态会发生变化，由基态转变为激发态，由于激发态不稳定，这种量子态会自动回落至基态并且散发出637nm的红色荧光。基态的量子分为0和±1态，由于处于±1态的量子由激发态回落至基态的过程中会由百分之三十的量子先到暂稳态再回落至基态，而这部分量子在回落过程中不发光，导致了±1态量子向外发射荧光会比0态量子少大约30％这一特点。0和±1态之间有能极差这个能极差会被外界特定频率的微波场补足，即在特定频率的微波场下，量子态会从0反转到±1，这就会导致在CCD相机中金刚石片的亮度在此特定频率下下降了大约30％，而这个频率由被测磁场决定，当确定了金刚石散发荧光亮度下降时量子态调控天线的微波频率，就可以知道被测磁场值。

步骤8：芯片上电

将被测芯片放置在电控二维平移台上，然后给其供电，使其处于正常工作的状态，用计算机操控位移台，如果芯片表面积小于金刚石片，那么将其移动至金刚石片的正下方，通过装置一次测量即可得到芯片的近磁场数据。如果是大面积芯片，即芯片的表面积大于金刚石片，则将芯片与光斑内切正方形对其放置，放置方式如图9。

步骤9：解耦序列控制激光源、微波系统和CCD相机进行信号采集

完成激发光路设置和芯片摆放后。使用计算机控制激光源，微波系统，CCD相机依次开始工作，三者的工作时间和工作顺序由检测时所采用的动力学解耦序列所决定，下面以一简单的解耦序列举例，如图10所示：图10中自上而下分别为微波控制序列、激光器控制信号和CCD相机控制信号。对于微波控制序列，延时器生成如上的时钟信号时，计算机将该时钟信号转换为控制信号控制微波源在矩形处发射微波信号。同理，对于激光器的控制信号，当信号处于高电平激光器发射激光。对于CCD相机的控制信号，当信号处于高电平时，CCD相机开始采集信号。金刚石片会在激光、量子态调控微波、芯片表面近磁场共同的影响下发出带有芯片表面近磁场信息的荧光信号，该信号进入CCD前透镜组。

经过该透镜组衰减后的荧光信号进入CCD相机，并在CCD相机的采集时间内被采集。通常采集过程为上述过程的N次重复，N取决于CCD相机的离子阱容量，在容量满之前，N越大采集到的信号对比度越大。

步骤10：电控二维平移台带动芯片开始位移

如图11，计算机根据芯片面积大小计算二维位移台移动步长，记光斑内切正方形边长为L₃，记芯片宽为L₄，长为L₅。计算：

L₄/L₃＝n…x。

L₅/L₃＝m…y₁。

式中，n和m是整数，x，y₁为余数，再计算：

L₄/(n+1)＝k。

L₅/(m+1)＝z。

其中，k和z为芯片在自己宽和长方向的移动步长。芯片移动的路径为蛇形，具体如图12，如果芯片有不规则部分，那么，按芯片的最大长宽构建矩形。

步骤11：数据处理

当利用CCD相机配合图像采集卡将带有被测芯片的近磁场信息的荧光收集完成之后，需要对荧光数据进行处理，首先，每一个位置的荧光数据都是时间维度上的积分，测得的信息是磁场强度的相对值。需要根据预设的标准点位进行数据对比，得到每一点的近磁场绝对值。

步骤12：图像处理

通过数据处理得到磁场的图，该图有位置信息和磁场强度信息，通过对磁场信息进行附色阶就可以产生一个磁场成像图。这个图是芯片停止运动在金刚石片下方驻留时的磁场成像图，要想得到整片芯片的近场磁场成像图需要对多个区域的磁场成像进行一个图像拼接。按照进行芯片位移测量时的方案，每一张区域磁场图都会存在与相邻磁图数据重叠的部分，利用图像拼接算法，将数据重叠部分作为拼接靶点完成图像拼接，最终得到大面积芯片的近磁场成像图，拼接结果如图13，图像拼接分为四个步骤：图像匹配、重投影、缝合和融合，首先需要根据二维平移台的位移方向确定几张成像图的位置关系并排列，然后通过图像的几何变换，把这些图片转换到一个坐标系上，，然后通过合并重叠部分的像素值并且保持没有重叠的像素值来生成更大的画布，最后为了避免图像存在不连续部分，即避免接缝出现，使用缝合算法优化图像。

本发明采用量子测量的方案进行芯片的近场磁场测量，具有灵敏度高、非入侵性、非破坏性的优势，并且该方案避免了金属探头的使用，可以避免由于耦合产生的测量结果不准确。采用金刚石NV色心作为量子测量的材料，具有可以室温下完成检测的优势，不需要一些量子测量所需要的低温超导环境，环境构建成本很低。采用液芯光纤对激光进行第一级匀化，然后激光在进入光学系统，可以将高斯分布的激光匀化，避免了一般使用裁切匀化方案造成的激光能量损失，保证了后续金刚石色心激发的光功率密度。入射透镜组和CCD前透镜组采用组合镜匣的方式，减少了外界光对于装置光路的影响，并且，镜匣的透镜可以更换，便于系统的后续升级以及根据不同需求的改装。入射透镜组采用柯勒照明系统将激光转换成均匀光斑，本柯勒照明系统采用的视场光阑和孔径光阑都为可调光阑，可以控制形成的光斑的面积，进一步控制所激发色心的数量，实现对灵敏度和检测速度的调节。出射透镜组可以根据测量需求，安装滤光片，可以显著降低杂散光对于装置的图像接收端信号采集的影响，还可以根据不同信号接收器(CCD相机)的光耐受性能安装光衰减片。采用透镜组匣的方式进行透进组的安装，光学稳定性大大提高，并且还有遮光作用，避免了自然光对于装置光激发和光收集的影响。采用柯勒照明系统配合大面积金刚石薄片实现了宽视场的芯片近磁场快速成像，相较于一般的单色心测量方案，提高了检测速度，并且可以实现芯片的动态磁场成像。采用面阵CCD相机代替传统的光子探测器进行近磁场信号收集，可以实现按面的近磁场信号采集，并且可以用算法计算出磁场图像与芯片表面的位置关系，可以通过算法分析某点或者某区域的磁场变化趋势。采用计算机加延时器联合控制的方式，可以实现多种动力学解耦的测量序列，可以通过改变测量方式适配不同的测量需求。采用图像处理的图像拼接算法，配合高精度的电控二位平移台，通过大面积芯片分区域测量成像然后再进行图像拼接的方式，实现大面积芯片的快速成像，使得大面积芯片的表面近磁场可视化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，包括：激光发射调制装置、光路调整模块、金刚石片、电控二维位移台、CCD相机和电磁屏蔽控制装置；

所述激光发射调制装置设置于所述光路调整模块的第一输入光路上；所述激光发射调制装置用于输出调制激光；

所述电控二维位移台设置于所述光路调整模块的第一输出光路和第二输入光路上；所述第一输出光路和所述第二输入光路重合且光信号传输的方向相反；所述电控二维位移台用于搭载被测芯片，并通过水平滑动调整被测芯片的测量区域；

所述金刚石片设置于所述电控二维位移台和所述光路调整模块之间；所述金刚石片在被测芯片通电时处于被测芯片测量区域的近场磁场范围内；所述测量区域为金刚石片在被测芯片上的投影区域；

所述CCD相机设置于所述光路调整模块的第二输出光路上；

所述电磁屏蔽控制装置分别与所述电控二维位移台、所述激光发射调制装置、所述金刚石片和所述所述CCD相机连接；所述电磁屏蔽控制装置用于控制所述电控二维位移台水平滑动；所述电磁屏蔽控制装置还用于发出量子态调控微波对所述金刚石片进行量子态微波调制；

所述光路调整模块置用于将所述调制激光反射至覆盖在被测芯片上的金刚石片；所述光路调整模块置还用于将荧光信号透射至所述CCD相机；所述荧光信号是所述金刚石片在所述调制激光、所述量子态调控微波和被测芯片测量区域的近场磁场共同作用下生成的；

所述电磁屏蔽控制装置还用于根据被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号，确定被测芯片的近场磁场分布。

2.根据权利要求1所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述激光发射调制装置包括：激光器和声光调制器；

所述激光器与所述声光调制器均与所述电磁屏蔽控制装置连接；所述激光器与所述声光调制器通过液芯光纤连接；所述声光调制器通过光纤与所述光路调整模块连接；

所述激光器用于发出激光；

所述液芯光纤用于将所述激光进行匀化处理，得到匀化处理后的激光；

所述声光调制器用于将匀化处理后的激光进行调制处理，得到调制激光。

3.根据权利要求2所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述芯片近场磁场测量系统还包括：微波天线；

所述微波天线与所述金刚石片连接；

所述微波天线用于接收所述量子态调控微波。

4.根据权利要求3所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述芯片近场磁场测量系统还包括：光学平板和气动隔震光学平台；

所述气动隔震光学平台用于搭载所述光学平板、所述激光器、所述电控二维位移台和所述电磁屏蔽控制装置；

所述光学平板垂直于所述气动隔震光学平台设置；所述光学平板用于搭载所述声光调制器、所述光路调整模块、所述金刚石片、所述微波天线和所述CCD相机。

5.根据权利要求4所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述电磁屏蔽控制装置包括：计算机、图像采集卡和微波调控模块；

所述图像采集卡与所述CCD相机连接；所述图像采集卡用于采集被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号图像；

所述微波调控模块分别与所述声光调制器和所述微波天线连接；

所述计算机分别与所述图像采集卡、所述微波调控模块、所述激光器和所述电控二维位移台连接；所述计算机用于控制所述激光器用于发出激光；所述计算机还用于控制所述微波调控模块将匀化处理后的激光进行调制处理，得到调制激光；所述计算机还用于控制所述微波调控模块发出量子态调控微波对所述金刚石片进行量子态微波调制；所述计算机还用于根据被测芯片上不同测量区域对应的荧光信号图像，确定被测芯片的近场磁场分布。

6.根据权利要求5所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述微波调控模块包括：功率放大器、微波发生器和延时器；

所述延时器分别与所述声光调制器、所述微波发生器和所述计算机连接；所述延时器设置于所述气动隔震光学平台上；所述延时器用于生成时钟信号；所述计算机用于根据所述时钟信号控制所述声光调制器；

所述微波发生器还分别与所述功率放大器和所述计算机连接；所述计算机还用于根据所述时钟信号控制所述微波发生器发出量子态调控微波；

所述功率放大器设置于微波系统箱内；功率放大器还与所述微波天线连接；所述功率放大器用于对所述量子态调控微波进行功率放大处理。

7.根据权利要求6所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述电磁屏蔽控制装置还包括：电磁屏蔽置物箱；

电磁屏蔽置物箱设置于所述气动隔震光学平台上；所述电磁屏蔽置物箱内设置有多个电磁屏蔽置物格；所述图像采集卡、所述微波系统箱和微波发生器分别设置于不同电磁屏蔽置物格内。

8.根据权利要求4所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述光路调整模块包括：入射光透镜组匣、二向色镜、CCD前透镜组匣和镜组遮光匣；

所述镜组遮光匣设置在所述光学平板上；

所述二向色镜设置在所述镜组遮光匣内；所述镜组遮光匣设置有第一安装孔、第二安装孔和通光孔；所述第一安装孔设置于所述二向色镜的第一输入光路上；所述通光孔设置于所述二向色镜的第一输出光路和第二输入光路上；所述第一输出光路和所述第二输入光路重合且光信号传输的方向相反；所述第二安装孔设置于所述二向色镜的第二输出光路上；

所述入射光透镜组匣设置于所述第一安装孔处；所述入射光透镜组匣与所述声光调制器连接；所述入射光透镜组匣用于将所述调制激光调制成激光光斑；

所述CCD前透镜组匣设置于所述所述第二安装孔处；所述CCD前透镜组匣设置于所述CCD相机的输入光路上。

9.根据权利要求8所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述入射光透镜组匣包括：遮光外壳和依次设置在遮光外壳内的集光镜、视场光阑、孔径光阑和聚光镜；

所述遮光外壳与所述声光调制器连接。

10.根据权利要求4所述的一种芯片近场磁场测量系统，其特征在于，所述芯片近场磁场测量系统还包括：夹具；

所述夹具可转动地设置在所述光学平板上；所述夹具用于固定所述金刚石片并调节所述金刚石片的角度。