（光学工程专业论文）基于usb20接口的多功能光谱仪的研究.pdf

摘要 通过深入分析光谱仪的般结构和原理，并依据各种光学原理，我们成功研 制r 一种实用的依靠线阵c c d 与计算机结合的多功能光谱测量仪，该仪器，督仪 可以测量光谱曲线，而且还可以测量光学薄膜的厚度以及各种玻璃样品的反刺 率。 本课题研究的多功能光谱仪数据采集系统的数据传输是基于u s b 2 0 接l 的，u s b 2 0 接口理沧上可以实现4 8 0 m b s 的高速数据传输。接lj 器件选用带d m a 功能的p h i l i p si s p l 5 8 1 芯片，通过芯片的d m a 接口实现与计算机的高速数据传 输。c c d 的驱动时序电路通过可编程逻辑器件c p l d 来实现，多功能光谱仪的 光学系统巾采用环形照明技术来减少玻璃样品下表面的反射，从而提高玻j 离样品 反射率的测是精度。 本课题实现了基于1 s p l 5 8 1 芯片的单片机端周件程序的开发和p c 端u s b 2 0 驱动程序的开发，p c 端以v c + + 设计开发的光谱仪程序采用模块化结构，二 ? 要 包括光谱曲线测景予程序、光谱曲线放大程序、光谱曲线数据配录子程序、波k 定标子程序、反射率测量子程序、薄膜厚度测量子程序等等。拥有良好的用户辫 面，完善的菜单，功能齐全，操作简捷。 本光谱仪的测量范围为3 8 0 7 8 0 n m ，光谱分辨率为l n m ，在论文的最后，对 影i 响测量精度的原因做了分析，并提出进一步提高测量精度妁措旗。 父键词：线阵c c du s b 2 ，0 驱动光谱仪反射率薄膜厚度 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fd e e p l ya n a l y s i so ft h ec o n s t r u c t i o na n dp r i n c i p l eo fs p e c t r o m e t e r a n dp r i n c i p l eo fo p t i c s ，w es u c c e s s f u l l yd e s i g n e dam u l t i f u n c t i o n a ls p e c t r o m e t e r w h i mc o m b i n e sl i n e a rc c dw i t ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y i tc a l ln o to n l ym e a s u r e s p e c t r u mc u r v e ，b u ta l s om e a s u r et h et h i c k n e s so fo p t i c a lf i l ma n dt h er e f l e c t i o no fa l l k i n d so fo p t i c a ld e m e n t t h em u l t i f u n c t i o n a ls p e c t r o m e t e r sd a t aa c q u i r e m e n ts f i t e mi sb a s e do nt h e i n t e r f a c eo fu s b 2 0 t h e o r e t i c a l l ys p e a k i n g ，t h eu s b 2 0i n t e r f a c ec a l lr e a l i z et h e h i g hd a t at r a n s m i s s i o ns p e e do f4 8 0 m b s t h ep h i l i p si s p l 5 8 1w h i c hh a sd m a i n t e r f a c ei ss e l e c t e d h i g hd a t at r a n s m i s s i o ns p e e dw i n lc o m p u t e ri sr e a l i z e dt i n o u g h d m ai n t e r f a c e t h ed r i v e rc i r c u i to fc c di sr e a l i z e d b yc p l d ( c o u l p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) i nt h em u l t i - f u n c t i o n ss p e c t r o s c o p e so p t i c a ! s y s t e m ， r i n g s h a p ea p e r t u r e i l l u m i n a t e si su s e dt or e d u c et h es a m p l e su n d e r s u r f a c e s r e f l e c t i o n ，t h e ne n h a n c et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h er e f l e c t i v i t y t h ef i r m w a r eo fi s p l5 8 1a n dt h ed r i v e r so fu s b 2 0a r er e a l i z e di nt h i st h e s i s b a s e dm o d u l a rd e s i g nm e t h o d an e ws p e c t r o m e t e rs o f t w a r ei sm a d ei nl a n g u a g e v c + 十，i tm a i n l yi n v o l v e ss p e c t r u mc u r v ec a p t u r i n gs u b p r o g r a m ，c u r v ez o o m i n g s u b p r o g r a m ，w r i t i n gd a t ar e c o r ds u b p r o g r a m ，w a v e l e n g t hc a l i b r a t i n gs u b p r o g r a m ， r e f l e c t i v i t ym e a s u r i n gs u b p r o g r a m , t h ef i l mt h i c k n e s sc a c u l a t i n gs u b p r o g r a m ，e t c t h es o f t w a r ei n c l u d e su s e r - f t i e n di n t e r f a c e f u n c t i o w , d l yc o m p l e t em e n u ，t h u s o p e r a t i n gv e r ye a s i l y t h es p e c t r a lm e a s u r e m e n tr a n g eo ft h es p e c t r o m e t e ri sf r o m3 8 0t o7 8 0 n m ，a n d t h es p e c t r a lr e s o l u t i o ni sa b o u t 】n r n a tt h ee n do ft h et h e s i s ，as u l r m a a r ya n a l y s i so f f a c t o r si n f l u e n c i n gm e a s u r e m e n tp r e c i s i o nw a sd i s c u s s e d s o m em e t h o d s 的i m p r o v e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fi n s t r u m e n ta r es u g g e s t e d ， k e yw o r d ：l i n e a rc c d ，u s b 2 0d r i v e r s ，s p e c t r o m e t e r , r e f l e c t i v i t 3 ； 矗i mt h i c k n e s s 一2 一 1 1 光栅光谱仪简介 第一章绪论 自从1 8 5 9 年鼬r c h h o f f 和b u n s e n 制成世界h 第一台结构完整的光谱仪以来， 光谱仪本身及其应用也发展到相当完善的程度。现在光谱仪已为现代灭文、化学、 物理各研究领域和生产领域的有力l ：具【2 1 。 在光谱仪核心元件分光器件的发展历程中，经历了色散棱镜到衍射光栅至l j 采用干涉调制元件和信息变换技术的演化。在光谱探测器的发展里程中，从传统 的肉眼、感光板、光电池到光电倍增管、热电偶、热释电器件，已发展刽全浏念 的光电、热电探测器，如c c d 、光电：二极管阵列等等。 我们开发的多功能光谱仪用的探测器是c c d ，c c d 本身具有高分辨率、高 灵敏度、像素位置信息强，结构紧凑及其自扫描的特性，所以这种测量方法往往 无需配置复杂的机械运动机构，从而减少产生误差来源，使测量更力便准确。 用c c d 检测谱线波妖，以取代传统的波长扫描机构，有很大的可行性，这套力 案的研制成功会大大改善光栅光谱仪的精度性能。 1 2 本文研究内容 本课题是通过比较测量获得光学零件样品表面的反射率，并通过反射率推算 出零件表面的薄膜厚度。用于比较的对象是光学性能稳定的b k 7 甲板光学表面。 计算机方面的接口采用u s b 2 0 ，可以保证高速稳定的数据传输。本文着重讨论 r 綦于p h i l i p si s p l 5 8 1 单片机端固件程序的开发及p c 端骡动程序的开发，以 及p c 端应用程序的开发，包括光谱曲线测量予程序、光谱曲线放大程序光谱 曲线数据记录予程序、波长定标子程序、反射率测量子程序、薄膜厚度测量子程 序等子程序，最后对实验结果的精度及误差做了定的分析。 全文的结构如下： 第章绪论，对光谱仪器的发展历史进行了简要的阐述，包括分光元件和探 测器元件的发展，并着重介绍了以c c d 为探测器的光谱仪的最新动态。 第：章光栅光谱仪的工作原理，介绍光栅光谱仪的基本结构，以及光谱仪的 6 浙江大学硕上沦文 要指标。 第三章主要对光谱仪用探测器线阵c c d 进j ：厂较为伞面的讨论，包括c c d 进行光谱测量的理论基础、c c d 的r 作原理，选择原则等。 第四章丰要讨论r 反射率及膜厚测量原理，并介绍测量装置所采用的光路。 第工i 章主要讨论j - u s b 接口电路以及单片机端同件编程。 第六章丰要讨论了p c 端针对p h i l i p si s p l 5 8 lu s b 接口：矗片的驱动程序 编写。 第七章主要讨论p c 端u s bl j 数据的读取及处理，以及应用程序界面的编 写。 第八章所做工作总结及展望。 1 3 本文研究目的及意义 随着光学技术的迅速发展，对光学零件表面反射率控制的要求越来越严格， 在现代工业和研究领域都迫切需要有精确方便的测量手段用于光学零件表面反 射率的测黉工作。该研究就是应这种要求而提出的利用比较测量法来实现光学 透明表面的光谱反射率精确测量。并依据现代科学仪器便携式和高集成性方面 发展趋势，把多种功能集成在一台装置上。本研究的多功能光谱仪，1 i 仪可以作 普通测量光谱使用，增加相应的光学系统即可用于测量光学薄膜的厚度及各种 材料的表面反射率，实现了一机多用的功能，同时与计算机的接口采用u s b 2 0 接口，可以即插既用，保证高速数据传输，能满足工业及学术研究的测量需求。 一7 + 1 二受指标。 第二章主要对光谱仪用探测器线阵c c d 进行了较为争面的时沧，他括c c d 琏行站谱测量的理论基础、c c d 的i ? 作原理，选择原则等。 第旧章t 要讨论，。反射率发膜厚测量原理，并介绍测量装置所采用的光路。 篱章丰娑讨论ru s b 接口电路以及单片机端阐件编程。 第六章辛爱讨论rp c 端针对p h i l i p sl s p l 5 8 1u s b 接口芯片朗驱动鞋序 编写。 第七章t 要讨论p c 端u s b 口数据的谖取及处理，以及麻州程序界蜘的缩 写。 第八章所做工作总结及展望。 1 3 本文研究目的及意义 随着光学技术的迅速发展，对光学零件表面反射率控制的要求越来越严格， 盘现代工业和研究领域都迫切需要有精确方便的测量手段用于光学零什表面反 射率的测量工作。该研究就是应这种要求而提出的利用比较测量法来实现光学 透明表面的光谱反射率精确测量。并依据现代科学仪器便携式和高集成性方面 发展趋势，把多种功能集成在一台装置上。本研究的多功能光带仪不仅可以作 普通测量光罄使用，增加j ： l 应的光学系统即可用于测量光学薄膜的厚度硬各种 材料的表曲反射率，实现r 一机多用的功能，同时与计算机的接r 采用u s b 20 接_ ，可以即插既用，1 i 证高速数据传输，能满足 业及学术研究的测苗需求。 接l j ，可以即插既用，保证高速数据传输，能满足 i 业及学术研究的测量需求。 浙江人学硕士沦文 第二章光谱仪工作原理 2 1 光谱仪器基本结构 光谱仪器是种利用光学光谱的色散原理而设计的光学仪器。所有的光潜仪 器都可分为二部分：光源和照明系统，分光系统，以及接受系统瞄j 。 分光系统是任何光谱仪器的核心部分。一股来说它由准直光学系统、光栅等 分光器件和暗箱组成。分光系统的工作原理如下图所示，由狭缝发出的光束经过 准卣物镜，变成平行光束射入色散元件，由于色散元件的作用使进入的白光分解 为单色光，再经过会聚透镜按波长的顺序成像在焦面卜。一个由白光照明的狭缝 经过分光系统而变为若干个单芭的狭缝像，这是目前广泛应用的光谱仪器分光系 统的基本原理。 。肜 j分光系统一 、爪 i7恁 ， 7除 光源嗣l 卿系辄 f 。； 醛n 搀受系统p 图2 一l光谱仪的 j 作原理幽 现代光谱仪中，色散元件可以是棱镜也可以是光栅。不过，近年来，随着光 栅技术的成熟，棱镜已经很少再用做分光系统中的色散元件了。在光谱仪器中， 应用最广泛的是反射式衍射光栅，通常简称为反射光栅。透射光栅应用的，小太多， 只在某些天文光谱仪器中有所应用。根据光栅基面的形状是平面还是凹面，可分 为平面光栅和凹面光栅两大类。 一8 2 2 平面光栅色散原理 、h d 乜束射到平面光栅上时，光栅的划痕起着衍射的作用。衍射角的正弦与 波长成正比，所以不同波长的光束偏转不同的角度。各条划痕的同波【丈的衍剩 光乘的方向一致，他们通过物镜会聚，在焦面f 二形成狭缝的单色像。这就是光栅 的色散原理【。 平面光栅的色散公式为：d ( s i n o + s i n 妒) = q - k a ( 2 1 ) 式中的妒为入射角，妒为衍射角，d 是光栅的周期，k 是衍射的级次。从该公式 可以看出，当给定光栅和入射角时，在某确定的光谱级次中，波长越长的光束其 衍射角越大，因此光谱按照波长产生空间排列。 ( 1 ) 色散率 色散率是光谱在空间按波长分离的尺度。它可以用角度来表示，称为角色撤 率；也可以用线度来表示，称为线色散率。 角色散率是表示两条光谱线在空间分离的角度，殴入射角不变，从式2 一l 微 分得到光栅的角色散率为：皇箬= 墨 ( 2 2 ) d adc o s 当衍射角较小时光栅的角色散率与波长无关，即衍射角的变化与波长变化成线阼 关系。 线色散率是表示两条光谱线在光谱成像焦面卜的距离，因此它与成像物镜的 焦距f 2 有关： 一d l ：旦一 ( 2 3 ) d a d c o s 妒 ( 2 ) 光栅的分辨率 光栅的色分辨本领是指可分辨两个波长差很小的谱线的能力 入= 唠脚= 半丽a 而= 啬 c z - 4 ) 分辨率a 一面a = k n ( 2 - 5 ) 其中d 为光栅常数，即划痕间距；k 是衍射级次；n 为划痕的总条数。 实际 由于光栅的光学表面精度存在误差、刻槽间距、深度以及刻槽表面光 9 浙订大学硕论连 洁度存在着不均匀性利随机误差，使得光栅的实际分辨率比| i 述的理论值要低。 当光栅用于光谱仪器时，仪器光学系统的设讨。、制造、装校质量和入射狭缝的丁| ： 启宽度、照明情况、接收汜录系统引进的畸变、以及所测谱线本身的轮廓和i 十h 剥 位置等，均会造成仪器分辨率的下降。 ( 3 ) 光谱级的重叠和自由光谱范围 光栅咒谱有许多光谱级次，在实际应用中，各光谱级次之问会有部分光谱蕈 迭。以：式2 1 中，当k l 、1 = k 2 k = = 常数h “不同的光谱级次的谱线就会发j ；i 重替。例如，波长为7 8 0 n t o 的。级光谱能与波长为3 9 0 n m 的二级光谱重叠。 在光谱仪器中，光谱级次的重迭、互相交错不利于光谱的观察和记录，甚全 会引起光谱分析的错误。网此在实际：卜作中必须设法消除级次的重迭。消除缎次 重送通常用卜述： ( 1 ) 采用滤光片将不需要的光谱级次滤掉，只透过需要级次的光谱( 般足鲁 光谱入射口处放一氏带通滤波片) 。 ( 2 ) 用棱镜或光栅作前置了；色散器，使它的色散方向垂直于主仪器的色散方向。 色散方向互相垂直是为了将不同级次的光谱沿高度方向拉开，到达光谱的 闩的。这种方法适用j 作在较高光谱级次的光谱仪。 由于滤光片方法消除级次重迭在结构e 简单，使用方便。所以，般光谱 仪器均采用这种方法，我们设计的多功能光谱仪采用的就是带通滤波片。 2 3 凹面光栅色散原理 平面光栅和三棱镜都只起到色散的作用，还需要其他的成像元件，才能够成 像，而凹面衍射光栅除了可以起色散作用外，还兼起成像的作用。已经有很多文 献从光程差的角度讨论凹面光栅的成像情况，凹面光栅的特点如下： ( 1 ) 焦面与物点( 狭缝) 在同一个圆周上，该圆与光栅相切，网的直径为光栅 表面的曲率半径。这个圆也叫罗兰圆。 ( 2 ) 线色散率罢：等与狭缝位置无关，是一个常数，其中r 是光栅的曲率 n 口 半径，d 是凹面光栅的光栅常数。这个特征对于光电记录特别有利。 一1 0 一 ( 3 ) 本身具有成像作用，所以入劓到叫面光栅的光线不必是平行光，h 剩) 七线 电不必经过成像兀件，可以减小体积。 2 4 闪耀光栅 前面讨论过的振幅型光栅存在1 个明显的缺点，作为色散元件，无色散的 零级光谱占掘了总能量的很人一部分，而光谱分析中使用的较高级次的) l ( = 谱却蚁 。拍艮少一部分能量，因此衍射效率( 衍射光能量与如射光能母之比) 很低。其原 闲在十单缝衍射的中央极大与缝间干涉的零极主极人重台。 闪耀光栅的巧妙之处是它的的刻槽面和光栅面不平行，两者之间有峡角 1 ( 称为闪耀角) 。从而使单个刻槽面( 相当于单缝) 衍射的中央极大和诸槽i 酊 问( 缝间) 干涉零级卜极人分开，将光能餐从个干涉零级丰极火，即零级光谱， 转移并集中到某一级光谱上去，实现该级光谱的c i ；1 耀。在一级衍射中对应的波长 称为光栅的闪耀波长。 我们选择是光谱仪中用的是凹面光栅，1 2 0 0 1 i n e s n a m ，闪耀波长4 0 0 n m 。 第三章线阵c c d 多通道探测器 3 。1c c d 应用于光谱反射率测量的理论分析 在c c d 中，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电注入两类， 征光谱用c c d 中采用光注入方式，当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的 j # 导体体内产牛电子空穴对，其q 多数载流子被栅极电压排开，少数载流予则 被收集在势阱中形成信号电荷。 光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。由于c c d 的【e 面布置着许 多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射时底，即 使是透明的多晶硅电檄也会因为电极的吸收以及在整个硅一二氧化硅界面上的 多次反射引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹，使光谱响庸曲 线出现若干个峰与谷，即发生起伏。为此光谱测量用c c d 常采用背面照射的方 法。 光注入电荷为： q ，p 一啊a 疋 t 3 1 ) 式中q 为材料的量子效率；q 为电予电荷量；为入射光的光子流速率；a 为 光敏单元的受光面积；耳为光注入时间。 由式( 3 1 ) 可以看出，当c c d 确定后，q 、q 及a 均为常数，注入到势阱 叶i 的信号电荷q ，p 与入射光的光予流速率a n 及注入时问瓦成正比。注入时间瓦 由c c d 驱动器的转移脉冲周期z 南决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时 州稳定不变时，注入到c c d 势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速度心。 成止比。由此可知，在单色入射辐射时，入射光的光子流速度与入射光谱辐通= 晕： 的关系为衄。：睾量， 、”、a 均为常数。因此，在这种情况下光注入的电荷 r u ， 量与入射的光谱辐量圣。成线形关系。该线形关系是应用c c d 检测光谱强度和 进行多通道光谱分析的理论基础5 1 。 1 2 浙；l | i ： _ ：学硕一 j 论文 3 2c c d 的工作原理 c c d 有线型利面型两大类，他们分别属产维幽象传感器和：维图象传感 器，光谱测吊巾广泛用的是线型c c d 。 线型c c d 由光敏兀线列、转移栅、模拟移位寄存器、胖零电流注入电路、 信号输出电路等几部分组成。光敏j i 线列是由一列的m o s 电容组成，这种结构 具有存储和转移电荷的能力。当积分刷期开始后，入射光照射在感光窗上产生信 号光电荷并存储于二极管的电容器卟，当积分周期结束，电容中的信号电荷、7 即 通过转移栅的作用，向两列模拟移动位寄存器的电极转移，然后形成势垒，使电 容器与移位寄存器隔离，进入个光积分周期，在移位寄存器中两路驱动脉冲的 控制- f 分两路传输到读出电路。c c d 的输出电压与c c d 上光敏面上的照度强度 的分布成正比。通过对输出电压信号的处理，我们可以褥到被测j 标的在c c d 光敏面上的成像。 线型c c d 有单沟道和双沟道之分，同样像敏单元的双沟道线阵c c d 要比 单沟道线阵c c d 的转移次数少一半，它的总转移效率也大大提高，故极高十 2 5 6 位的线阵c c d 都为双沟道的。 3 3c o d 的噪声 在c c d 中有以下几种噪声源pj ：1 由于电荷注入器件引起的噪声；2 电衙转 移过程中，电荷量的变化引起的噪声；3 由检测时产生的噪声。 ( 1 ) 光子噪声由于光子发射是随机过程，凶而势阱中收集的光电荷也是随机 的，就成为噪声源。由于这种噪声源与c c d 传感器无关，而取决于光予的 性质，因而成为摄像器1 ：l ：的基本限制因索。这种噪声主要对低光强下的摄 像有影响。 ( 2 ) 暗电流噪声与光子发射一样，暗电流也是+ 个随机过程，因而也成为噪 声源。而且，若每个c c d 单元的暗电流也不一样，就会产生图形噪声。 ( 3 ) 胖零电流包括光学胖零电流噪声和电子胖零噪声，光学胖零噪声由使用 时的偏置光的大小决定，电子胖零由电子注入胖零机构决定。 一1 3 一 i 4 ) 俘获噪卢在s c c d 中起凶于界面缺陷，存b c c d 中起因j 二体缺陷，仞 b c c d 中俘获噪声小。 t5 ) 输出噪声这种噪声起闪于输出电路复位过程叶1 产生的热噪声。该噪声咎 换算成均方根值就可以。- jc c d 的噪声相比较。 此外，器件的单元尺寸不同或问隔不同也会成为噪声源，但这利，噪声源可以 通过改进光刻技术而减少。 3 4c c d 不均匀性讨论 均匀性在测量领域是一个重要的性能指标，光敏单元响应的均匀与否影响着 测量的精度。造成不均匀性的原因是多种多样的，有的原因与硅材料质是有关， 另一些原冈则与工艺j ：程柑联系，f _ = = 产工艺的复杂，掺杂浓度的不均匀性，淀积 厚度的差异，以及光刻的误差等等因素，在c c d 的响应中引入了不可避免的固 定噪声。由于噪声大小的不确定性，从而造成了c c d 响应的不均匀性6 ( w 。 3 4 1c c d 不均匀的原因 ( 1 ) c c d 的暗电流不均匀性 由于少数载流子的激发产生许多热电子不断填充到势阱中，这些源源不断 的热电子就形成c c d 的暗电流。c c d 的某个像元产生的暗电流电荷为： 虢= a n , j ( i ) a 砭+ 9 - 0 ( 3 2 ) 其中，a 为积分光敏单元的电极面积；( f ) 为第i 个像元的暗电流密度；耳为 光注入时间；a o 为转移栅中各电极产生的暗电荷总和。由于各个像元的血。( f ) 是 不致的，这就导致了暗电流不均匀性。 ( 2 ) c c d 光电响应率的不均匀性 对于c c d 的某一像元，受到光照后产生的光信号电荷为： q ，= 啊加。( f ) a r c ( 3 3 ) 由于叩与光电导材料的反射率、光吸收系数、厚度及掺杂浓度有关，而a 与光刻 1 4 精度有关，这些参数在c c d 的生产过程中很难保证致，从而导致t 光电响成 牢的小均匀性。 ( 3 ) c c d 光电响应的非线。陀 光电响应非线性表征探测光电转换中比例失调的缺陷。理想探测器存：动态范 f ；1 内的输出电压v ( 或者电流i ) 应与输入曝光量成正比。而实际器伺一般小满 足线性笑系，关系可能比较复杂。 对光电响应非线性的校j 一般采用查找表变换法。具体方法如下：首先将探 测器输出信号进行a d 转换在全部有效的范围内变化曝光萤，使输出信号依 次达到每一个量化级，记卜相应的曝光量并将此曝光量下理想器件的输出值填八 表内，完成标定。在以后测量时实际探测器输 h 值做索引查询表中理想器件的标 准值，完成非线性的补偿。 3 4 2c c d 做光谱分析用时不均匀性校正 。般意义e 来说，为了使c c d 器件处于最佳：e 作状态，必须进行暗电流消除， 光敏元件不均匀性校正和光谱响应校正。用比较法测量反射率时，我们需要得到 的只是各个波长能量的相对强度分布图，但是作为光谱测量时，就必须校正光谱 响应不均匀性了，我们这个是多功能光谱仪，既可以测量反射率又可以测量光谱 强度，所以必须校正光谱响应不均匀性。校正光谱响应引起的不均匀性的方法的 方法：一是根据c c d 厂商提供的光谱响应曲线进行校正，二是通过标准光源多 步实验进行校正。卜_ 面是通过标准光源多步实验进行校正不均匀性的方法懈】。 在做多通道光谱检测时，不同波长的光信号沿着光敏元排列方向分布，不同 位置的光敏元对应不同的波长，相对灵敏度各：胥相同。各光敏元的灵敏度用灵敏 度矩阵k 描述： k ： ( ) 0 000 0 置( 凡) 00 0 0 000 k ( 九) 式中，置( 入) 表示序号为i 的光敏元的相对灵敏度 一1 5 设c c d 器件接受的多通道光谱信号为j p ( a ) ，则第i 个光敏元对应波长为，k 的光谱信号，各光敏元上的比强为p ( ) ，尸( 凡) ，p ( 九) ，址做矩阵p ( 输 入光强矩阵) ： p = = 【p ( ) p ( 九) p ( 九) 1 c c d 每一个光敏元的输出用输出矩融- p 1 表示 p = ( ) p ( 凡) p ( 九) 1 7 p ( ) 是c c d 第i 个光敏元的实际输出。 则可以得到如下公式： p = k p ( 3 4 ) 实际测量中，c c d 的输出结果是每一个光敏元的实际输出p ( 入) ，即输出矩阵p 。 这个结果受到了c c d 光敏特性的影响，是不准确的。为了得到能正确反映实际 光谱强度分布的结果，可以从式( 3 4 ) 恢复输八光强度矩阵： p = k1 p ( 3 ，5 ) ( 3 5 ) 式就是光谱响应曲线校正的基本方法，显然只要能够得到c c d 器件的灵 敏度矩阵k ，就可得到经过校正的能正确反映实际光强度分布的结果。 彤的得到可以采用标准光源输入法，具体如f ：采用已知光谱分布的标准光 源，用c c d 直接测量该光源，测得结果对应于c c d 响应波长的转换率。每个 光敏兀的输出经归一化处理后，得至r j + h 应灵敏度k ( ) ，综合每一个( 入) 可得 到灵敏度矩阵量。采用这种方法确定的置直接而且准确。 3 5c o d 的选择 光谱仪用c c d 9 的参数需要关注如下几个方面：像元数及像元尺寸，光谱响 应范围，灵敏度，动态范围，不均匀性。 3 5 1c c d 像元数选择 对于同样的视场，c c d 像元数越多，系统像方的分辨率越高，但同时c c d 1 6 的电荷转移频率却会下降。此外还要综合性价比等力缸的考虑。c c d 像，选择 的原则是在满足测量精度的前提f 尽量选用像元少的c c d 。 3 5 2c c d 的积分时间 c c d 的驱动频率会直接影响到它的积分时刚。一方面随着驱动频率的升高， 光积分时间变短，测量的速度得到提高，但是另一方面，从c c d 的输入和输 _ | 1 的关系来看，随着光秘分时白j 的缩短会使有效光生载流子减少，引起器件的信嵘 、 l - lf 降。这是凶为c c d 的输出电平为：v = f ，f + s ( a ) e ( a ) d a( 3 6 ) v 其c ht ；是c c d 的光积分时问；s ( a ) 为c c d 的光谱响应；e 1 ( a ) 为光敏面卜的 照度。从上式可以看出y 与光积分时问成正比。因此选择合适的积分时间是保i i ： 系统测量精度的一个重要因素。 3 5 3 动态范围 动态范围d r 定义为饱和曝光量与信噪比等于1 时的曝光量之比。但是，这 种定义方式不容易计算，为此常采用饱和输出电压与暗信号电压之比代替，即 耻绦 - ， 式中，u 。，为c c d 的饱和输出电压，d d w 为c c d 没有光照射时的输【叶i 电压( 暗 信号电压) 。显然，降低暗信号电压d 一是提高动态范尉的最好方法。动态范 围披大的器件品质越好。 3 6 我们选择的o c d 3 6 1t c d l 2 0 9 d 的基本结构 c c d 是检测系统的核心。通常线阵c c d 在可靠性、灵敏度、暗电流、分辨 窜等方面都能满足一般工业要求。在考虑前两点条件的前提下，我们采用的 一1 7 c c dl “”为日本东芝公训高灵敏t c d l 2 0 9 d 型2 0 4 8 像元阵列探测器。t c d l 2 0 9 d 采用单沟道结构形式，曰的是为了提高器件的像敏单二的不均匀度和提高器什的 动态范围。t c d l 2 0 9 d 是只确一个转移栅和一卜模拟移位寄存器的单沟道型线鸺 器件。其原理图讲如卜： 图3 - 1t c d l 2 0 9 d 的原理结构图 t c d l 2 0 9 d 的光敏阵列共有2 0 7 5 个光电二极管，其中2 7 个光电极管被 遮蔽( 前面的d 1 3 一d 3 1 和后面的d 3 2 d j 9 ) ，巾间的2 0 4 8 个光电二极管为有效的 光敏单元。每个光敏单元的尺寸为1 4 9 m x l 4 9 m ，相邻两个光敏单元的t h 心距为 1 4 1 a n 。光敏单元的总长度为2 8 6 7 2 m m 表3 - 1t c d l 2 0 9 d 的特征参数 特征参数 参数符号最小值典型值最大值单位 灵敏度 r2 53 l3 7v ，( 1 x s ) 像敏单元的不均匀性p r n i i3 1 0 p r n u ( v ) 41 0m v 饱和输出电压 u s a t 1 52 0v 饱和曝光量e s 埘 0 0 4o 6 6 l x s 暗信号电压d d a r k 1 o2 5m v 暗信号电压不均匀性d s n u l ，o2 5m v 直流功率损耗p d 1 6 04 0 0m w 总转移效率 t t e9 2 9 8 输出阻抗z o 0 21k n 动态范围d r 2 0 0 0 一1 8 一 浙江大学硕士论文 输m 信号的直流电位u o s 4 o5 57 0v 噪声n d oo 6m v 驱动频率 f12 ( )m h z 测试条件：环境温度2 5 摄氏度，u o d = 1 2 v ，驱动频率为1 m h z ，积分时间为1 0 m s 负载电阻为1 0 0k d _ 时在2 8 5 6 k 标准自炽钨灯光源情况下的特征参数。 3 6 2t c d l 2 0 9 d 的基本工作原理 t c d l 2 0 9 d 的驱动脉冲形图如图3 1 【l0 姐示。它由转移脉冲s h 、驱动脉冲 c r l 和c r 2 、复位脉冲r s 和缓冲控制脉冲c p 等5 路脉冲构成。转移脉冲s h 的高电乎期间，驱动脉冲c r l 必须也为高电平，而且必须保证s h 的f 降沿落 在c r l 的高电平上，这样才能保证光敏区的信号电荷并行的向模拟移位寄存器 的c r i 电极转移。完成信号电荷的并行转移后，s h 变为底电平，光敏区与模拟 移位寄存器被隔离。在光敏区进行光积累的同时，模拟移位寄存器在驱动脉冲 c r l 和c r 2 的作用下，将转移到模拟移位寄存器的c r l 电极里的信号电荷向左 转移，在输出端得到被光强调制的序列脉冲输出，如图3 1 中所示的o s 信号。 s h 的周期称为行周期，行周期应大于等于2 0 8 8 个转移脉冲c r l 的周期 t c ，只有行周期大于2 0 8 8t c m ，才能保证s h 在转移第2 行信号时第l 行信号 能全部转移出器件。当s h 由高变底时，o s 输出端变开始进行输出。血“图3 。j 所示，o s 端首先输出1 3 个虚设单元的信号( 所谓虚设单元的信号是没有光电：， 极管与之对应的c c d 模拟寄存器的部分) ，然后输出1 6 个哑元信号( 哑，是指 被遮蔽的光电二极管与之对应的c c d 模拟寄存器的部分产生的信号) ，再输出3 个信号( 这3 个信号可因光的斜射而产生电荷信q - 的输出，但这3 个信号不能被 作为信号处理) 后才能输出2 0 4 8 个有效像敏单元信号。有效像敏单元信号输出 后，再输出8 个哑元信号( 其中包括1 个用来检测1 个周期结束的检测信号) 。 这样，1 个行周期总共包括2 0 8 8 个单元，行周期应该大于等于这些单元输出的 时| 1 ；| j ( 即大于等于2 0 8 8 t c r j ) 。 1 9 浙江大学硕+ j 论文 一j 一嚣i 嚣霭万爵嚣广j s h l 晦+ 一岛舔鲈一l t ， n 一一w ，、 l ：i 。一。一。竺= 竺! = 苎鼋：罩翟差二；。萎蔑篓篓要菱薹篓蓑雯萋 c 魁j 。；丁霸n 1 几露刁l 一门弧疆门露霸麓l 且a 厦贝疆n 曩歹疆n 潮一f 己 ” 。8 2 b 拜门霞4 n n 瞳羹翌嚣奠。舅足甜a f w l _ 亚贝t n j ，n j u 凡且狼； c r 2 b 龋 。量驻，且必u 且卫瑚乒且妊强埘醵i 魁强且刖蛐孬l - ；乙 图3 - 2t c d l 2 0 9 d 的驱动脉冲波j 眵图 3 6 3t c d l 2 0 9 d 的光谱响应特性 t c d l 2 0 9 d 的光谱响应特性曲线如图3 - 3 t m l 所示。光谱响应的峰值波长为 5 5 0 n m ，短波响应在4 0 0 n m 处大于7 0 ，光谱响应的长波限在1 1 0 0 r a n 处。响应 范围远远超出人眼的视觉范围。 矿、q。l r = 2 5 l n i l x l 、 1 l il n ， 图3 3t c d l 2 0 9 d 光谱响应曲线 2 0 一 3 6 4t c d l 2 0 9 d 的驱动电路 由图3 2 中可以看出，t c d l 2 0 9 d 的驱动应产生s h ，c r i ，c r 2 ，r s ，c p 等5 路脉冲，其中转移脉冲的周期远远大于其他4 路脉冲的周期。按照图3 2 所 示驱动脉冲波形的要求，驱动电路呵用现场可编程逻辑器件( f p g a 进行设讨) 。 2 l 一 浙江大学颤十论文 第四章反射率及膜厚测量原理及光路介绍 4 1 光路图介绍 图4 1 系统光路图 图中，从溴钨灯光源到视场光阑f s l 的光学系统是用于照明f s l ，在该光路 l _ i 设置了亮度调整用的的孔径光阑a s 。从f s l 发出的光束通过正透镜组，形成 平行光，并通过半透半反镜反射后射入显微物镜，聚光在样品面上。在样品面上 f s l 的像直径约1 0 0 耻m ( 使用1 0 x 物镜时) 。 样品表面的反射光沿原光路返回，通过半透半反镜及棱镜，再经过会聚透镜 组被会聚在第2 个视场光阑f s 2 上。f s 2 的主要用于消除杂散光。在f s i 卜的像 通过2 次杂光过滤，并由凹面光栅进行分光后成像在c c d 表面上。 一2 2 通过将棱镜配置在会聚透镜of s 2 之间，通过目镜可以对被检面进行对焦。 其次，为1 厂防i e 环境光通过日镜进入测量系统，日镜后的快门会在背景、标准面 及样品测定时，自动关闭。 f s 2 上的旋转反刳镜以及渊整照明用的指示灯，是为了将从f s l 处剁来的光 束照射到f s 2 视场光阑的位置上而配置的，通过手动点灯，旋转反射镜在测光时 将自动从光束上避丌。 光源我们选用p h i l i p s7 0 2 7 ，灯的寿命大约是5 0 个小时，1 2 v 5 0 w ，色温： 3 4 0 0 k ，】5 0 0 1 m 。 4 2 反射率测量原理 我们的反射率测最是以b k 7 玻璃的反射率为已知作为基础的【l = ! 】，计算分 光反射率的基本公式如下所述。分光反射率是以已知的参考面反射率为基准，根 据参考面的分光反射强度，样品分光反射强度以及底面分光强度来计算样品的分 光反射率的。 碍旷ismnpile()o-ibackground(a)吣， r 1 ：需测定的分光反射率数据 ，。卿f p ( ) ：样品分光反射强度 r 蜘一c 。( ) ：参考面分光反射强度 l b a 咖。u n d ( ) ：背景光分光强度 民。：参考面理论分光反射率数据 ( 4 一j ) b k 7 玻璃的理论反射率可以通过公式计算得到，下面是计算过程： 首先计算b k 7 的折射率，b k 7 的在可见光波段的折射率可通过如f 式计算 r t ( a ) 2 其中aa 是分散式参数，通过查询玻璃手册得知 一2 3 一 ( 4 2 ) a o = 2 ，2 7 0 4 5 4 9 ， 4 ，= 一9 9 7 4 8 3 2 7 ( 1 0 。，如= 1 0 4 6 8 3 7 7 ) ( 1 0 ，a 3 = 2 7 9 7 4 2 5 0 x 1 0 4 a 4 一一2 1 7 0 6 0 2 3 ) ( 1 05 ， = 1 4 2 6 5 6 9 7 1 0 1 1 15 4 0 15 3 5 15 3 0 蛙15 2 5 螺15 2 d 15 15 15 1 口 波长 图舡2b k 7 玻璃折利率随波长变化图 然后通过可以通过菲涅耳公式可以得到，具体公式如下： 胪= 粼 渤 郎= ( 百a l p j - 2 2 = 丽t 9 2 ( o l - - 0 2 ) ( 4 4 ) p ，与p 。分别为s 波和p 波的反射比，o l 与0 2 为入射角和折射角，可以通过材料 折射率通过折射公式轻易求得。 当入射波电矢取任意方位角a 时，可以证明其反射比肪的表达式为 p d = bs i n 2 a + p 口c o s 2 0 ( 4 5 ) 对于自然光的情况，可以将自然光看成具有一切可能振动方向的广播的总和， 利用1 - _ 面的结果，对所有可能的方位角取值a ( a 从o 一 2 p i ) 所对应的反射比 取平均，求得自然光反射比为： n = + = ( p s + 伟) 2 ( 4 6 ) 表示取平均。 2 4 n ：( s i n z 一( 0 0 8 0 5 7 r 一- a r c s i n 一( 去；n ) ) + 竺2 ( 0 0 8 0 5 7 t - a r c s i n ( 等2 1 ) ) ) 2以= ( t 一+ 二警一) s i n 2 ( o 0 8 0 5 7 r + a r c s i n ( - 圭2(o，-)tg0 8 0 5 丌+ a r c s i n ( q l ) ) 4 n4 “ ( 其中g t ( 柚- - - , a o + a 1 a 2 + 如a 2 十 a 3q - a 4 a 4 + a 5 、5 ) 丑 求 褂 搡 哒 波长 图4 - 3b k 7 玻璃反射比随波长变化图 我们系统中应用了环行照明技术，实际测景时应用的就是环行照明光源， 相刘十物镜这端而言，实际在反射率测量时用到的照明光是有一定数值孔径范围 的，不过从上图可以看出，当数值孔径在o 2 5 - - 0 1 5 范围内变化时，反射率的变 化是比较小的。 一2 5 4 3 膜厚测量原理 4 3 1 测量方法介绍 利用光谱分析的方法测量薄膜厚度主要有极值法和全光谱拟合法两种13 j 【1 。 我们测试软4 - 1 ：中应用到的是极值测量法，极值法测量薄膜厚度主要是根据薄 膜发射或透射光谱曲线上的2 个或2 个以卜极值点的位置来计算，讣算过程简单， 速度快，缺点是没有考虑薄膜和基底色散的影响，导致结果不够精确。当膜越薄 刚，这种影响对计算结果的影响就越大。通常用该方法测量的薄膜厚度在2 0 0 n l n 以上。 4 3 2 原理 图4 4 所示为镀在透明基底上厚度为d