CN117805070A - 基于面阵ccd传感器自参考的反射率测量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置和方法，属于光学测量领域。由于光源的不稳定性，在进行反射率测量时，随着环境和温度的变化，光源的光强会出现波动，从而带来传统的反射率设备测量的反射率的波动，进而影响到最终的测量结果。本发明将从光源出来的光分为两路，一路传输到面阵CCD传感器的上部或下部，作为参考光强，另一路传输到样品表面，再将反射回的光传输到面阵CCD传感器的另一部分，作为测量光强，通过参考光强的波动修正到测量光强中，将光源的不稳定性在反射率测量过程中的影响实时消除掉，这样既保证了波长的一致性，也保证了信噪比的一致性，从而保证测量结果的准确性。

Description

基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置和方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，更具体地，涉及基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量装置和方法。

背景技术

面阵CCD传感器是一种利用半导体材料的光电效应将光信号转换为电信号的传感器，广泛应用于光谱学和成像领域。Binning是面阵CCD传感器的一种独特的操作技术，可以将不同像元中的感光电荷按照一定的方式合并、移动。

图1为滨松的面阵CCD传感器中在垂直方向上Binning的示意图，该CCD有M*N个像素，水平方向有M个像素，垂直方向为N个像素。在积分时间结束后,每个像素的电荷会聚集在电位阱中,形成二维的电荷信息分布,同时垂直和水平的暂存寄存器分别接收时钟脉冲。当水平暂存寄存器时钟暂停时,通过向垂直暂存寄存器施加若干时钟脉冲,使每一列像素的信号电荷依次转移并聚合到每个水平暂存寄存器中，当第N列的垂直分支完成后,重新启动水平时钟,并通过输出级发送汇总的信号电荷到外部电路。

如图2所示，为现有的反射率测量的方法。宽光谱光源发出的光经过准直镜和分束器后入射到待测样品表面，反射光再次经过分束器后被光谱仪接收。实际测量样品反射率的流程为：

1)测量光谱仪的暗噪光强。

2)测量标准品的反射光强数据。

3)测量待测样品的反射光强，根据反射率计算公式：

(1)

(2)

其中，标准品反射率已知，则可以计算待测样品的反射率/>。

但是，随着时间和环境温度的变化，光源的光强会出现波动，而标准品的光强不会与待测样品同步测量，从而带来设备测量反射率的波动，进而影响到最终的结果。

发明内容

为了解决前述问题，本发明实施例提供了一种基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置和方法，所述方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置，包括：

光源：用于输出光线并一分为二；

测量光路：用于将一路光线直接送至光谱仪模块和将另一路光线送至样品表面并将反射光送至光谱仪模块；

光谱仪模块：包括面阵CCD传感器，用于将一路光线送至面阵CCD传感器的上部或下部作为参考光，将另一路光线送至面阵CCD传感器的另一部分作为测量光。

其中，在光谱仪模块中，两路光线均经过准直反射、光栅分光和聚焦反射后送至面阵CCD传感器的上部和下部。

进一步地，本发明实施例中的光谱仪模块还包括输入光纤、狭缝、平面光栅、聚焦镜和准直镜，所述输入光纤、狭缝、准直镜、平面光栅、聚焦镜和面阵CCD传感器沿光路方向依次设置，所述输入光纤由两条紧密并排设置的光纤组成，两条光纤在狭缝的长度方向并排设置且其分别输入两路光线。

其中，本发明实施例中的面阵CCD传感器分别对上部和下部的光强进行binning并输出光谱数据。

进一步地，本发明的基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量装置还包括：

计算模块：用于根据标准样品的反射率曲线和三种状态下检测到的光强数据得到待测样品的反射率曲线。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量方法，包括：

在无光源、标准样品和待测样品下分别获取参考光强和测量光强；

根据标准样品的反射率和三种状态下检测到的光强数据得到待测样品的反射率。

具体地，本发明实施例的自参考反射率的测量方法，包括如下步骤：

S101：遮挡光路，分别获取参考光强和测量光强/>。

S102：对标准品进行检测，分别得到参考光强和测量光强/>。

S103：对待测样品进行检测，分别得到参考光强和测量光强/>。

S104：根据式Ⅰ和Ⅱ计算得到待测样品的反射率曲线；

(Ⅰ)

(Ⅱ)

其中，为标准品的反射率曲线，/>为水平像素索引，/>为每个像素的波动因子。

本专利的有益效果为：本发明将从光源出来的光强分为两路，一路传输到面阵CCD传感器的上半部分，作为参考光强，另一路传输到样品表面，再将反射回的光传输到面阵CCD传感器的下半部分，作为测量光强，通过将上半部分的参考光强的波动修正到下半部分的测量光强中，将光源的不稳定性在反射率测量过程中的影响实时消除掉，这样既保证了波长的一致性，也保证了信噪比的一致性，从而保证测量结果的准确性。

附图说明

图1是面阵CCD传感器垂直方向binning示意图；

图2是现有的反射率测量装置的工作示意图；

图3是本发明提供的基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量装置的光路示意图；

图4是本发明提供的基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量装置的光路侧视图；

图5是本发明提供的面阵CCD传感器分层示意图；

图6是本发明实施例的基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量装置的结构示意图；

图7是本发明提供的自参考反射率测量方法的流程图；

图8是本发明实施例的面阵CCD传感器上下两部分的成像示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

实施例1提供了一种基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置，包括：

光源：用于输出光线并一分为二；具体采用现有的宽光谱光源，分光方式为常规方式。

测量光路：用于将一路光线直接送至光谱仪模块和将另一路光线送至样品表面并将反射光送至光谱仪模块；具体用于将一路光线送入光谱仪模块的参考光接口，将另一路光线送至样品处并将反射光线送入光谱仪模块的测量光接口，主要由光纤、探头及其他必要的光学元件等构成。

光谱仪模块：包括面阵CCD传感器，用于将一路光线送至面阵CCD传感器的上部或下部作为参考光，将另一路光线送至面阵CCD传感器的另一部分（下部或上部）作为测量光。面阵CCD传感器将光信息转变为电量信号输出。

计算模块：用于根据标准样品的反射率曲线（输入或者默认值）和三种状态下（分别为在无光源、标准样品和待测样品下）检测到的光强数据得到待测样品的反射率曲线并输出（如显示），具体可以为图6所示的电脑。

如图6所示，光谱仪模块上分别设有参考光接口和测量光接口。

其中，在光谱仪模块中，两路光线均经过准直反射、光栅分光和聚焦反射后送至面阵CCD传感器的上部和下部。对应地，本发明实施例中的光谱仪模块还包括输入光纤、狭缝、平面光栅、聚焦镜和准直镜等，输入光纤、狭缝、准直镜、平面光栅、聚焦镜和面阵CCD传感器沿光路方向依次设置，设置方式为本领域的技术人员所熟知。输入光纤由两条紧密并排设置的光纤组成，两条光纤在狭缝的长度方向并排设置且其分别输入两路光线。具体地，两条光纤可以形成类似Y形结构（输出端尽量靠近（可直接包在一起），输入端相互远离），以提高光的耦合效率；狭缝用于限制光线的高度,控制进入分光系统的光束大小；平面光栅是关键的分光元件，根据衍射原理分隔不同波长的光，使光线依波长向不同方向偏转；准直镜起到准直光线的作用,使光线射向光栅时为准直平行光，提高光栅分光效果；聚焦镜用于将分光后的光信号聚集和反射到面阵CCD传感器上；面阵CCD传感器用于记录光强度,将光信息转变为电量信号输出。最终形成像素-光强的光谱。

当然，输入光纤也可采用其他结构以导入光线，输入光纤和面阵CCD传感器之间的结构也可根据需要进行调整或优化。

其中，本发明实施例中的面阵CCD传感器分别对上部和下部的光强进行binning并输出光谱数据。通常情况下，面阵CCD传感器可通过硬件实现binning功能。

其中，面阵CCD传感器的上下两个部分的像素比例并不局限于1：1，考虑到光源光强直接传输到面阵CCD传感器上，光强比较强，可以考虑在光路设计时，将参考光照到面阵CCD传感器上更小的区域，测量光强在更大的区域，从而保证更好的响应和信噪比。或者也可以在CCD像素阵列上划分上下区域，每个区域独立控制积分时间，实现在同一帧图像中同时得到不同区域不同积分时间的数据。

实施例2

实施例2提供了一种基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量方法，采用实施例1提供的基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置。该方法包括：

在无光源、标准样品和待测样品下分别获取参考光强和测量光强；在无光源、标准样品和待测样品过程与现有技术一致，本专利的不同点是：需要同时获取参考光强。

根据标准样品的反射率和三种状态下（分别为在无光源、标准样品和待测样品下）检测到的光强数据得到待测样品的反射率。

具体地，参见图7，本发明实施例的自参考反射率的测量方法，包括如下步骤：

S101：遮挡光路，分别获取参考光强（为参考暗噪）和测量光强/>（为测量暗噪）。

S102：对标准品进行检测，分别得到参考光强（为初始光强数据）和测量光强/>（为标准品的测量光强数据）。

S103：对待测样品进行检测，分别得到参考光强（为实时参考光强数据）和测量光强/>（为待测样品的实时测量光强数据）。

S104：根据式Ⅰ和Ⅱ计算得到待测样品的反射率曲线；

(Ⅰ)

(Ⅱ)

其中，为标准品的反射率曲线，/>为水平像素索引，/>为每个像素的波动因子。

实施例3

实施例3提供了一种基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量方法，以日本滨松公司的CCD传感器为例，S11420和S7031等，M=1024,2048等，N=64，128等，可以根据实际的测量需求选择合适的传感器，波段范围可以在190nm-1100nm范围内自由设计，典型的波段范围为350nm-1000nm，245nm-1000nm，190nm-1000nm等，根据需求可以修改光谱仪中光栅及光路来实现。

如图5所示，CCD面阵传感器共有M*N像素，水平向为M像素，垂直方向为N像素，将垂直方向分为a和b像素，其中N=a+b，a为上部分的行数，b为下部分的行数。由于在本专利的设计中，光源分一路光强直接到CCD的上半部分，反射光强传输到CCD的下半部分，这就导致CCD上半部分的响应要远高于CCD的下半部分，这里有两种方法可以处理该问题：1）传输到CCD上半部分的光路中增加光学滤光片；2）缩小a的值，使得a<b；本专利主要考虑方法2，CCD的光强的计算公式如(3)和(4)所示：

(3)

(4)

其中，为水平像素的索引，水平像素代表着波长维度；/>为垂直方向像素的索引，每一列的光强都是各自列的光强的总和。通过电路设计，可以将参考光强/>和测量光强分别提取出来。在实际操作过程中，根据测量光强的大小调节a和b的分配。

图6所示为本发明公开的自参考反射率测量方法的流程。相对于传统的反射率的测量，多了一步参考光强的测量和修正过程, 测量过程中实时消除光源波动对反射率的影响，保证反射率测量结果的准确性。

具体地，本实施例中的基于面阵CCD传感器的自参考反射率测量装置如图6所示。光源用于输出光谱范围包括190nm-1000nm的光束。光谱仪模块包括壳体、输入光纤、狭缝、平面光栅、聚焦镜、准直镜、面阵CCD传感器以及必要的电器元件等，狭缝、平面光栅、聚焦镜、准直镜和面阵CCD传感器在壳体内部，输入光纤具有两个输入端分别为参考光接口和测量光接口。面阵CCD传感器的像素数量为M*N；电脑安装控制软件，通过网线与光谱仪模块连接，为用户提供图形界面。

测量开始后，光源输出的光线分为两路，一路直接连接光谱仪模块的参考光接口，在面阵CCD传感器的上半部分成像；另一路通过Y型光纤到达样品表面，反射回来的光连接光谱仪模块的测量光接口，在面阵CCD传感器的下半部分成像。参考光和测量光最终在面阵CCD传感器上成像的效果如图8所示。

通过电路设计，可以将面阵CCD传感器的上半部分binning成一行，下半部分binning成另一行，输出长度为M*2pixel的数据。如果面阵CCD传感器不支持硬件binning功能，也可以通过软件方式进行像素合并来达到类似的binning效果。具体步骤如下：

1）以正常模式读取CCD的完整图像,得到M*N的原始图像数据。

2）在软件代码中,遍历图像的前a行数据,逐列求平均值或求和,生成第1行数据。

3）同理,对图像的后b行数据处理,生成第2行数据。

这样通过软件像素求和的方式，可以模拟硬件的line binning功能,把M*N的数据处理成M*2。

软件binning的劣势是计算量大，不如硬件高效，同时噪声会被累加。主要原因在于硬件binning在模拟域就进行信号积累，所以读出的信号幅值可以显著提高，而噪声幅值是相对固定的，信噪比(SNR)得到提升。但软件binning是在数字域进行运算，这时信号和噪声都被等量累加，信噪比并不能获得增益。为了减轻这种噪声翻倍效应，软件binning实现时可以考虑：

1）在求和时做滑动平均,而不是简单求和。

2）输出图像做低通滤波,抑制高频噪声。

具体地，反射率测量流程如下：

1）首先挡住参考光路和测量光路，采集面阵CCD传感器输出的一组数据，分别为参考暗噪和测量暗噪/>。

2）选择标准样品裸硅，标准样品的反射率已知，记为。放置标准样品后，测量一次获得面阵CCD传感器输出的一组数据，分别为参考光的初始光强数据/>和标准品测量光强数据/>。

3）移走标准品，放置待测样品，再测量一次获得面阵CCD传感器输出的一组数据，分别为参考光的实时光强数据和待测样品实时测量光强数据/>。

4）光源的实时波动因子，通过式(5)可以表示为：

(5)

则考虑了光源波动的反射率计算公式(5)可以修正为：

(6)

根据公式(5)和(6)可以求出待测样品实时的反射率曲线。公式(5)的/>为每个像素的波动因子，实际计算过程中也可以考虑将波动因子平均，公式(6)就可以改进为公式(8)：

(7)

(8)

其中为波长因子的平均值，则/>为水平像素索引。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置，其特征在于，包括：

光源：用于输出光线并一分为二；

测量光路：用于将一路光线直接送至光谱仪模块和将另一路光线送至样品表面并将反射光送至光谱仪模块；

光谱仪模块：包括面阵CCD传感器，用于将一路光线送至面阵CCD传感器的上部或下部作为参考光，将另一路光线送至面阵CCD传感器的另一部分作为测量光。

2.根据权利要求1所述的基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置，其特征在于，在光谱仪模块中，两路光线均经过准直反射、光栅分光和聚焦反射后送至面阵CCD传感器的上部和下部。

3.根据权利要求2所述的基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置，其特征在于，所述光谱仪模块还包括输入光纤、狭缝、平面光栅、聚焦镜和准直镜，所述输入光纤、狭缝、准直镜、平面光栅、聚焦镜和面阵CCD传感器沿光路方向依次设置，所述输入光纤由两条紧密并排设置的光纤组成，两条光纤在狭缝的长度方向并排设置且其分别输入两路光线。

4.根据权利要求1所述的基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置，其特征在于，所述面阵CCD传感器分别对上部和下部的光强进行binning并输出光谱数据。

5.根据权利要求1所述的基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置，其特征在于，该装置还包括：

计算模块：用于根据标准样品的反射率曲线和三种状态下检测到的光强数据得到待测样品的反射率曲线。

6.采用如权利要求1-5任一项所述的基于面阵CCD传感器自参考的反射率测量的装置的自参考反射率测量方法，其特征在于，包括：

在无光源、标准样品和待测样品下分别获取参考光强和测量光强；

根据标准样品的反射率曲线和三种状态下检测到的光强数据得到待测样品的反射率曲线。

7.根据权利要求6所述的自参考反射率的测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S101：遮挡光路，分别获取参考光强和测量光强/>；

S102：对标准品进行检测，分别得到参考光强和测量光强/>；

S103：对待测样品进行检测，分别得到参考光强和测量光强/>；

S104：根据式Ⅰ和Ⅱ计算得到待测样品的反射率曲线；

(Ⅰ)

(Ⅱ)

其中，为标准品的反射率曲线，/>为水平像素索引，/>为每个像素的波动因子。