寬光譜高速多通道光譜儀MCPD-9800/6800的技術(shù)特性與應(yīng)用研究

摘要

MCPD-9800與MCPD-6800是大塚電子株式會(huì)社推出的多通道光譜儀系列產(chǎn)品，覆蓋從紫外（220 nm）至近紅外（1600 nm）的寬波長(zhǎng)范圍。該系統(tǒng)采用平面場(chǎng)分光器與電子冷卻型圖像傳感器技術(shù)，最短曝光時(shí)間可達(dá)1 ms，實(shí)現(xiàn)了高速、高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍的光譜測(cè)量。本文系統(tǒng)闡述了兩款型號(hào)的技術(shù)架構(gòu)、核心性能參數(shù)及其在透過(guò)/吸收測(cè)量、膜厚分析、反射特性評(píng)價(jià)、物體顏色測(cè)量、發(fā)光/熒光分析等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，重點(diǎn)分析了高動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)、低雜散光抑制、光纖柔性光學(xué)系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)對(duì)測(cè)量精度的提升機(jī)制。

關(guān)鍵詞：多通道光譜儀；分光光度計(jì)；膜厚測(cè)量；透過(guò)率；反射率；色度測(cè)量

1 引言

在材料科學(xué)、半導(dǎo)體制造、光學(xué)元件評(píng)價(jià)及生物化學(xué)分析等領(lǐng)域，精確獲取物質(zhì)的光譜特性是定性定量研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)掃描型分光光度計(jì)雖測(cè)量精度高，但難以滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。多通道光譜儀通過(guò)陣列檢測(cè)器并行采集全波段光譜信息，可在毫秒量級(jí)內(nèi)完成單次測(cè)量，成為在線監(jiān)控與高通量分析的理想選擇。

大塚電子自1990年代起深耕多通道光譜檢測(cè)技術(shù)，MCPD系列產(chǎn)品經(jīng)過(guò)持續(xù)迭代，已形成以MCPD-9800為旗艦、MCPD-6800為標(biāo)準(zhǔn)型的完整產(chǎn)品矩陣。該系列憑借高速響應(yīng)、寬動(dòng)態(tài)范圍及靈活的光纖配置，在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)與工業(yè)產(chǎn)線檢測(cè)兩大場(chǎng)景中均獲得廣泛應(yīng)用。

2 測(cè)量原理與技術(shù)架構(gòu)

2.1 多通道分光原理

MCPD系列采用平面場(chǎng)分光器（Flat Field Grating）作為核心分光元件。入射光經(jīng)光纖導(dǎo)入后，通過(guò)狹縫入射至全息凹面光柵，光柵將不同波長(zhǎng)的光在空間上分離并聚焦至陣列檢測(cè)器平面。由于采用平像場(chǎng)設(shè)計(jì)，檢測(cè)器平面上各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的焦面處于同一平面，無(wú)需額外校正光學(xué)元件，有效簡(jiǎn)化了光路結(jié)構(gòu)。

檢測(cè)器選用電子冷卻型CCD圖像傳感器（紫外-可見(jiàn)-近紅外波段）或InGaAs線性圖像傳感器（近紅外波段）。512通道或1024通道的檢測(cè)單元并行采集各波長(zhǎng)信號(hào)，配合檢測(cè)器內(nèi)部存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)變化光譜的實(shí)時(shí)記錄。

2.2 光信號(hào)采集與處理流程

系統(tǒng)工作流程如下：光源發(fā)出的光經(jīng)樣品調(diào)制后，攜帶樣品信息的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸至分光器；分光后各波長(zhǎng)光強(qiáng)由陣列檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)USB或LAN接口傳輸至上位機(jī)；專用分析軟件根據(jù)用戶配置完成光譜計(jì)算（透過(guò)率、反射率、吸收度、色度、膜厚等）。

2.3 光纖柔性光學(xué)系統(tǒng)

MCPD系列標(biāo)配石英光纖（或摻鍺石英光纖），光纖長(zhǎng)度可根據(jù)需求定制（標(biāo)準(zhǔn)為2 m）。光纖的引入使光學(xué)系統(tǒng)不再受樣品形狀與尺寸的限制，可靈活搭建透射、反射、顯微、積分球等多種測(cè)量光路，并能方便地集成至大型平臺(tái)或工藝設(shè)備中。

3 核心技術(shù)特點(diǎn)

3.1 高動(dòng)態(tài)范圍與低雜散光

MCPD-9800作為系列旗艦機(jī)型，實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range, HDR）檢測(cè)能力。相較于普通光譜儀，對(duì)弱光的檢出能力提升約5倍，適用于光通量評(píng)價(jià)及微弱發(fā)光測(cè)量。

在雜散光抑制方面，MCPD-9800通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)與檢測(cè)器工藝，將雜散光率降低至歷代機(jī)型的五分之一，特別適合紫外波段（<300 nm）的精確評(píng)估。這一特性對(duì)半導(dǎo)體材料帶隙分析、量子效率測(cè)量等紫外敏感應(yīng)用尤為關(guān)鍵。

3.2 高速與寬范圍曝光時(shí)間

MCPD系列支持從1 ms（MCPD-9800特定型號(hào)）至65 s的曝光時(shí)間設(shè)定，覆蓋從高速在線檢測(cè)到微弱光積分測(cè)量的全場(chǎng)景需求。短曝光時(shí)間可捕捉瞬態(tài)光譜變化（如等離子體發(fā)射、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程），長(zhǎng)曝光則適用于熒光、磷光等弱信號(hào)測(cè)量。

3.3 多波長(zhǎng)范圍型號(hào)選擇

MCPD系列提供多達(dá)9種波長(zhǎng)范圍型號(hào)，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求選擇適配的檢測(cè)器：

對(duì)于需要覆蓋更寬波長(zhǎng)范圍的場(chǎng)景，可通過(guò)定制多分光器組合實(shí)現(xiàn)。

3.4 靈活的通信接口

系統(tǒng)同時(shí)配備USB和LAN通信接口。USB接口提供高便捷性，適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境；LAN接口支持遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集，便于將設(shè)備集成至生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)中。

3.5 高再現(xiàn)性光纖設(shè)計(jì)

光纖采用特殊方式纏繞（Scramble加擾光纖），可有效消除因光纖彎曲或振動(dòng)引起的光強(qiáng)分布不均勻，確保測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定再現(xiàn)性。

3.6 緊湊輕量化設(shè)計(jì)

相較于歷代機(jī)型，MCPD-9800/6800的體積減少約60%，尺寸僅為105 mm（寬）× 230 mm（高）× 280 mm（深），重量約6 kg。緊湊設(shè)計(jì)使其可靈活部署于空間受限的產(chǎn)線環(huán)境或集成至復(fù)雜測(cè)量系統(tǒng)中。

4 技術(shù)規(guī)格對(duì)比

MCPD-9800與MCPD-6800的核心規(guī)格對(duì)比如下：

數(shù)據(jù)來(lái)源：

5 多功能測(cè)量系統(tǒng)配置

MCPD系列的高靈活性體現(xiàn)在其可搭配多種光學(xué)附件與分析軟件，構(gòu)成面向特定應(yīng)用的完整測(cè)量系統(tǒng)。

5.1 透過(guò)/吸收測(cè)量系統(tǒng)

適用于濾光片、透鏡、薄膜等光學(xué)元件的透過(guò)率與吸收光譜評(píng)價(jià)。通過(guò)配置溶液測(cè)量單元，可實(shí)現(xiàn)液體樣品的濃度分析與溶出試驗(yàn)。

5.2 反射測(cè)量系統(tǒng)

用于光學(xué)材料、反射板的表面特性表征，以及抗反射膜（AR膜）、太陽(yáng)能電池等鍍層結(jié)構(gòu)的反射率評(píng)價(jià)。

5.3 膜厚測(cè)量系統(tǒng)

基于分光干涉原理，通過(guò)解析反射光譜的干涉條紋計(jì)算膜厚。系統(tǒng)支持四種解析手法：

• 波峰-波谷法（P-V）：適用于0.5 μm以上膜厚

• 快速傅里葉變換法（FFT）：適用于數(shù)微米膜厚及多層膜解析

• 非線性最小平方法（Curve Fitting）：適用于1 μm以下薄膜及光學(xué)常數(shù)（n, k）解析

• 適化法（Optimization）：適用于在線生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)反射率波形與理論波形進(jìn)行比較演算

膜厚測(cè)量范圍覆蓋65 nm至92 μm（以SiO?換算），可應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓膜（氧化膜、氮化膜、光阻膜）、涂布膜、機(jī)能性薄膜、包裝膜等多種樣品。

5.4 物體顏色測(cè)量系統(tǒng)

適用于涂料、印刷品、布匹、粉體、塑料制品等的顏色評(píng)價(jià)。系統(tǒng)滿足日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 8724（顏色的測(cè)量方法-光源色）中對(duì)分光測(cè)光器的精度要求，波長(zhǎng)偏差小于0.5 nm，測(cè)光直線性偏差優(yōu)于0.5%（強(qiáng)度比2:1）。

5.5 發(fā)光/熒光測(cè)量系統(tǒng)

用于LED、OLED、PDP熒光體等光源的發(fā)射光譜、色度、亮度、照度測(cè)量。搭配積分球可評(píng)估總光通量。

5.6 顯微分光測(cè)量系統(tǒng)

通過(guò)將MCPD光譜儀與顯微鏡耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小區(qū)域（微米級(jí)）的反射、透過(guò)、吸收光譜及膜厚測(cè)量，適用于半導(dǎo)體微區(qū)分析、MEMS器件評(píng)價(jià)等。

5.7 多點(diǎn)/在線測(cè)量系統(tǒng)

通過(guò)光纖切換裝置，實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)順序測(cè)量，或集成至生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控。

6 可靠性與校準(zhǔn)保障

6.1 JIS標(biāo)準(zhǔn)符合性

MCPD系列滿足日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 8724對(duì)分光測(cè)光器的全部精度要求，包括：

• 波長(zhǎng)刻度準(zhǔn)確性：波長(zhǎng)偏差小于0.5 nm

• 測(cè)光刻度準(zhǔn)確性：強(qiáng)度比2:1時(shí)直線偏差小于0.5%，再現(xiàn)性優(yōu)于0.2%

• 雜散光：450 nm處雜散光低于1.0%

6.2 JCSS校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證

大塚電子的光計(jì)測(cè)實(shí)驗(yàn)室已通過(guò)日本計(jì)量法校正實(shí)驗(yàn)室注冊(cè)制度（JCSS）認(rèn)證，可提供國(guó)際MRA（相互承認(rèn)協(xié)議）對(duì)應(yīng)的光校正服務(wù)，確保測(cè)量結(jié)果的可追溯性。

7 典型應(yīng)用領(lǐng)域

7.1 半導(dǎo)體與電子制造

• 晶圓上膜厚測(cè)量（氧化膜、氮化膜、光阻膜）

• CMP工藝終點(diǎn)檢測(cè)

• 光刻膠剝離液濃度監(jiān)測(cè)

• 平板顯示器件的光學(xué)特性評(píng)價(jià)

7.2 光學(xué)元件與鍍膜

• 抗反射膜、高反射膜的光譜特性

• 濾光片透過(guò)率測(cè)試

• 鏡頭鍍層均勻性檢查

7.3 材料研發(fā)

• 新型光學(xué)材料透射/反射特性

• 納米材料吸收光譜

• 量子點(diǎn)發(fā)光特性

7.4 生物化學(xué)與制藥

• 溶液濃度測(cè)定

• 酶標(biāo)分析

• 溶出度試驗(yàn)

7.5 汽車與消費(fèi)電子

• 車漆顏色管理與色差控制

• 顯示屏色度校準(zhǔn)

• 塑料件顏色一致性評(píng)價(jià)

8 結(jié)論

MCPD-9800與MCPD-6800多通道光譜儀通過(guò)平面場(chǎng)分光技術(shù)、電子冷卻型陣列檢測(cè)器及柔性光纖光學(xué)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從紫外至近紅外波段的高速、高靈敏度光譜測(cè)量。高動(dòng)態(tài)范圍與低雜散光特性使其在微弱光檢測(cè)與紫外分析中表現(xiàn)優(yōu)異；靈活的波長(zhǎng)范圍選擇和模塊化系統(tǒng)配置則滿足了從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到產(chǎn)線在線的多樣化需求。結(jié)合大塚電子JCSS認(rèn)證的校準(zhǔn)服務(wù)體系，MCPD系列為光學(xué)、半導(dǎo)體、材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的光譜分析與質(zhì)量控制提供了可靠的技術(shù)平臺(tái)。