一種微分散射自控測量系統(tǒng)＊

王 敏，高愛華，楊 捷

（西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測重點實驗室，陜西 西安 710032）

引 言

隨著科技的進(jìn)步，散射技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在醫(yī)藥學(xué)中散射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬離子、核酸、蛋白質(zhì)、糖類［1］、生物細(xì)胞［2］等的研究和測定中；在海洋探測、環(huán)境治理方面，散射技術(shù)用于測量顆粒的粒徑及分布和濃度；在食品分析、生物科學(xué)方面，利用共振光散射光譜法對水體中陽離子表面活性劑和小分子藥物進(jìn)行測定［3］；在航海系統(tǒng)中，利用光散射技術(shù)可以實時檢測艦船尾流信號［4］；在航天領(lǐng)域中，衛(wèi)星沿軌道飛行經(jīng)過光照區(qū)時，被太陽光直接照射，產(chǎn)生較強(qiáng)的光散射效應(yīng)。衛(wèi)星可見光散射特性的理論建模研究為其散射特性數(shù)據(jù)的提取以及目標(biāo)的識別提供了依據(jù)［5］。在光學(xué)檢測中，利用光散射技術(shù)可對薄膜表面粗糙度及面形進(jìn)行評估等。

光的散射是由于光的傳播介質(zhì)中存在微小粒子或分子，使光束偏離原來的傳播方向而向四周傳播的現(xiàn)象。因此可以利用光在樣品表面所發(fā)生的這一特殊現(xiàn)象來研究散射樣品表面的空間分布情況，對樣品的性能進(jìn)行評估。本文綜合成本、環(huán)保等方面研究一種微分散射自控測量系統(tǒng)。

1 微分散射測量理論

1.1 微分散射測量

微分散射方法測量［6］散射平面內(nèi)不同位置的散射光強(qiáng)度分布［7］，測量原理如圖1所示，利用散射光的光強(qiáng)及其分布來測量表面粗糙度參數(shù)。光信號探測器以點O為原點，以固定臂長作掃描，測出整個平面內(nèi)的散射光強(qiáng)度分布（bidirectional reflectance distribution function，BRDF），掃描范圍一般在前表面－90°＜θs＜90°，對于特殊要求，也可測出后表面的背向散射值。

在固定臂長，空間角為θS點的相對散射光強(qiáng)度［6］可表示為：

圖1 微分散射方法原理圖Fig.1 Principlediagram of the scattering differential method

對BRDF（θS）進(jìn)行空間積分，得到總積分散射（total integrated scattering，TIS）

根據(jù)表面散射理論，可將表面粗糙度的均方差表示為：

表面傾斜度的均方差表示為：

其中f為散射光分布的空間頻率。

微分散射測量方法可得到表面粗糙度的均方值和表面傾斜度均方值，有利于對表面面形的全面了解，而且在納米測量的應(yīng)用中，更為注重的是反射鏡表面的散射分布，特別是小角度內(nèi)的散射光強(qiáng)度分布，因為小角度的表面散射光的大小直接影響到最終的測量。

為了研究Ce3+：YAG熒光薄膜上轉(zhuǎn)換發(fā)光的過程，我們得到了樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度和泵浦光強(qiáng)度雙對數(shù)曲線，根據(jù)樣品發(fā)射光譜的三個峰值分布，我們分別測得了521nm、540nm和549nm 時功率關(guān)系的雙對數(shù)曲線并分別得到了它們的斜率，如圖6所示。

微分散射法可以測量1nm Rms（表面粗糙度）量級的超光滑表面［8］的散射光分布，并通過其全空間積分，得到表面的總積分散射值；測量結(jié)果受環(huán)境和實驗條件的影響較大。測量重復(fù)精度為±10%，能夠滿足樣品結(jié)構(gòu)散射光測量的要求。

1.2 微分散射測量系統(tǒng)的測量范圍

（1）PIN 光電二極管

該系統(tǒng)選取的PIN光電二極管的電流靈敏度為S＝0.43mA／mW，暗電流為Id＝0.07×10－9A，根據(jù)公式I＝Sφ［9］進(jìn)行估算，則φ＝1.628×10－5mW。即理論上PIN光電二極管可探測的最小光功率為φ＝1.628×10－5mW。

（2）APD光電二極管

該系統(tǒng)選取的PIN光電二極管的電流靈敏度為S＝0.5mA／mW，暗電流為：Id＝0.05×10－9A，雪崩增益M＝100，根據(jù)公式I＝Sφ進(jìn)行估算，則φ＝1.0×10－7mW。即理論上APD光電二極管可探測的最小光功率為φ＝1.0×10－7mW，可以看出APD可以探測至nW量級。

APD光電二極管的性能與入射光功率有關(guān)，通常當(dāng)入射光功率在nW～μW量級時，倍增電流與入射光具有較好的線性。但當(dāng)入射光過強(qiáng)時，雪崩增益M反而會降低，從而引起電流畸變。

因此，在微分散射測量系統(tǒng)中，當(dāng)入射光較弱時，采用APD光電二極管，此時雪崩增益引起的噪聲貢獻(xiàn)??；相反，在入射光較強(qiáng)時，雪崩增益引起的噪聲占主要優(yōu)勢，并可能帶來光電流失真，采用APD帶來的好處不大，此時采用PIN光電二極管更為恰當(dāng)。

（3）PMT光電倍增管

雖然PMT光電探測器可探測的最小光功率更微弱，而由于其體積大、價格昂貴、光較強(qiáng)時容易燒壞該器件等因素不利于系統(tǒng)的集成性與穩(wěn)定性，但又由于該系統(tǒng)測量的是空間點的光功率，因此過于微弱的空間點無法測量時還是需要考慮PMT光電探測器。

因此，微分散射測量系統(tǒng)主要考慮PIN光電二極管與APD光電二極管的聯(lián)用。理論上，只對光電探測器所能探測到的最小光功率進(jìn)行估算，對于功率較強(qiáng)的點可以減小光電流的放大倍數(shù)或在凸透鏡前表面加衰減片來探測該點光功率。

2 微分散射測量系統(tǒng)的工作原理

2.1 硬件部分工作原理

微分散射測量系統(tǒng)的組成如圖2所示，由計算機(jī)、輸出采集單元、放大倍數(shù)控制單元、前置放大器、探測器、光源及調(diào)制七大部分組成。

圖2 微分散射測量系統(tǒng)的組成Fig.2 Composition of the differential scattering measurement system

微分散射測量系統(tǒng)的工作過程如下：計算機(jī)控制多功能卡，多功能卡DA單元對激光器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制的交變信號作為參考信號；測量信號以偏離軸線3°范圍內(nèi)（防止反射光線進(jìn)入激光器，影響激光器特性）照射于樣片上，使光電探測器在樣片表面移動，經(jīng)過探測器將微弱的光信號轉(zhuǎn)換為電流信號后送入前置放大器，若電流信號過于微弱，計算機(jī)將選擇更大的放大倍數(shù)指令，通過多功能卡DO單元送入放大倍數(shù)控制單元，直到選擇合適的放大倍數(shù)為止；將放大后的電信號通過AD采集，送入編好程序的計算機(jī)中，可在計算機(jī)中直接顯示測量結(jié)果。

微分散射測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。使光電探測器在樣片表面移動，由于光電探測器的光敏面較小，而測試量是極其微弱的散射光，因而在探測器前表面加上凸透鏡，使小范圍的散射光會聚以提高測量準(zhǔn)確度。若樣片過于粗糙而散射光比較強(qiáng)時，可以在凸透鏡前加入衰減片以提高散射測量范圍，光電探測器將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成微弱的電流信號后送入前置放大器。

考慮到雜散光對該系統(tǒng)的影響較大，因此，可以在凸透鏡前加濾光片濾除雜散光來提高測量的精度。這樣測量的樣片是對于該片某點的測量，為了將點測量擴(kuò)展為面測量，可以設(shè)計成XY平移臺，即將樣片放置于平移臺上，使樣片能在XY方向移動，通過這樣的移動完成對樣片的二維掃描。

圖3 微分散射測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元Fig.3 Differential scattering measurement structure unit of system

圖4 測量軟件流程圖Fig.4 Measurement software flow chart

2.2 軟件部分工作原理

該系統(tǒng)軟件部分使用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW程序語言編制程序，采用多功能卡作為輸出采集卡。

圖4為測量軟件流程圖，其中放大倍數(shù)自選單元控制電信號的放大倍數(shù)，該放大倍數(shù)分為1×103倍、5.1×103倍、1×104倍、5.1×104倍、1×105倍、5.1×105倍、1×106倍、5.1×106倍八個檔位。開始時先將多功能卡初始化（包含地址設(shè)定初始化、通道號設(shè)定初始化、放大倍數(shù)初始化），然后啟動數(shù)據(jù)采集，采集值記為PV，當(dāng)2V／PV≥1時，退出至主測試頁面（為了防止電壓過大，保護(hù)該系統(tǒng)），當(dāng)2V／PV＜1時選擇最接近的檔位。得到合理放大倍數(shù)后，控制模擬開關(guān)在此放大倍數(shù)下進(jìn)行采集并顯示數(shù)據(jù)。移動探測器位置重復(fù)上述操作，直至在選定空間內(nèi)掃描完畢。

將空間各個點探測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以便后續(xù)對空間各點散射情況做進(jìn)一步分析。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

按圖2微分散射測試框圖搭建好實驗平臺，在暗室環(huán)境下進(jìn)行測試。由于ZnS作為一種典型的直接躍遷寬帶隙II－VI族半導(dǎo)體材料，具有較大的激子結(jié)合能（40meV）和較小的玻爾半徑（2.4nm）。納米ZnS結(jié)構(gòu)特有的光、電、化學(xué)性能使其在光催化、傳感器、光電材料、化工材料等許多領(lǐng)域有著廣泛的用途［10］。這里選擇切削過的硫化鋅精礦為樣片，在其表面中間部分選取任意三點進(jìn)行測量。

在實驗中使用的激光器參數(shù)已被標(biāo)定，其波長為635nm，功率為1mW±1.6%mW，經(jīng)驅(qū)動電路調(diào)制后發(fā)出的交變信號幅值為4V，頻率為176Hz，占空比為50%，選擇的光電探測器探測波長為320～1060nm，635nm波長處的電流靈敏度為0.43mA／mW，測得基準(zhǔn)電壓為3.277V。測試時需要保證激光器垂直于樣片表面并偏離軸線3°范圍內(nèi)，樣片上的散射光經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換后送入放大倍數(shù)控制單元，再經(jīng)過采集記錄測量結(jié)果，如表1所示。

表1 切削過的硫化鋅精礦不同出射角的散射率Tab.1 Scattering rate of cut zinc sulfide concentrate in different angles

顯示10次測量值得到最大值和最小值，并計算出平均值和測量的最大誤差（最大誤差＝（最大值－最小值）／平均值［11］）?？梢钥闯鰷y量的最大誤差在±1%范圍內(nèi)，并且重復(fù)性良好。

4 結(jié) 論

微分散射測量方法可以很好地獲得樣片表面特性參數(shù)，了解表面的微觀特征。利用計算機(jī)控制微分散射測量系統(tǒng)能減少操控繁瑣的步驟并且重復(fù)性較好。通過實驗得出：該微分測量系統(tǒng)測量的最大誤差在±1%范圍內(nèi)，并且重復(fù)性良好，是一種能夠測試樣片散射特性的有效方法。

［1］覃明麗.共振光散射技術(shù)在有機(jī)小分子藥物分析中的應(yīng)用研究［D］.重慶：西南大學(xué)，2011：13－26.

［2］方寶英，王 成，陳家璧.細(xì)胞彈性光散射計算與檢測方法的研究進(jìn)展［J］.光學(xué)儀器，2008，30（4）：82－83.

［3］王 雪.基于共振光散射光譜法對表面活性劑和小分子藥物測定的研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2011：6－9.

［4］鄧仲芳.基于小波分析的艦船尾流光散射實時檢測信號的處理研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2006：1－3.

［5］徐根興.目標(biāo)和環(huán)境的光學(xué)特性［M］.北京：宇航出版社，1995：247－281.

［6］陳天明，孫榮明.超光滑表面的微分散射測量［J］.光學(xué)及光電儀器，1995（2）：42－44.

［7］SHEN Y J，ZHU Q Z，ZHANG Z M.A scatter meter for measuring the bidirectional reflectance and transmittance of semiconductor wafers with rough surfaces［J］.American Institute of Physics，2003，74（11）：4885－4892.

［8］閆麗榮.低損耗光學(xué)元件散射特性測試技術(shù)研究［D］.西安：西安工業(yè)大學(xué)，2012：9－10.

［9］雷玉堂.光電信息技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：19－52.

［10］楊信成，薛永強(qiáng)，石建青.均勻沉淀法制備不同粒徑的納米硫化鋅［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2011，43（7）：13－15.

［11］費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：10－11.