寬光譜高速多通道光譜儀MCPD-9800/6800的技術特性與應用研究

摘要

MCPD-9800與MCPD-6800是大塚電子株式會社推出的多通道光譜儀系列產品，覆蓋從紫外（220 nm）至近紅外（1600 nm）的寬波長范圍。該系統采用平面場分光器與電子冷卻型圖像傳感器技術，最短曝光時間可達1 ms，實現了高速、高靈敏度、高動態范圍的光譜測量。本文系統闡述了兩款型號的技術架構、核心性能參數及其在透過/吸收測量、膜厚分析、反射特性評價、物體顏色測量、發光/熒光分析等領域的應用價值，重點分析了高動態范圍檢測、低雜散光抑制、光纖柔性光學系統等創新技術對測量精度的提升機制。

關鍵詞：多通道光譜儀；分光光度計；膜厚測量；透過率；反射率；色度測量

1 引言

在材料科學、半導體制造、光學元件評價及生物化學分析等領域，精確獲取物質的光譜特性是定性定量研究的基礎。傳統掃描型分光光度計雖測量精度高，但難以滿足實時動態監測的需求。多通道光譜儀通過陣列檢測器并行采集全波段光譜信息，可在毫秒量級內完成單次測量，成為在線監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技術，MCPD系列產品經過持續迭代，已形成以MCPD-9800為旗艦、MCPD-6800為標準型的完整產品矩陣。該系列憑借高速響應、寬動態范圍及靈活的光纖配置，在實驗室研發與工業產線檢測兩大場景中均獲得廣泛應用。

2 測量原理與技術架構

2.1 多通道分光原理

MCPD系列采用平面場分光器（Flat Field Grating）作為核心分光元件。入射光經光纖導入后，通過狹縫入射至全息凹面光柵，光柵將不同波長的光在空間上分離并聚焦至陣列檢測器平面。由于采用平像場設計，檢測器平面上各波長對應的焦面處于同一平面，無需額外校正光學元件，有效簡化了光路結構。

檢測器選用電子冷卻型CCD圖像傳感器（紫外-可見-近紅外波段）或InGaAs線性圖像傳感器（近紅外波段）。512通道或1024通道的檢測單元并行采集各波長信號，配合檢測器內部存儲器，可實現對動態變化光譜的實時記錄。

2.2 光信號采集與處理流程

系統工作流程如下：光源發出的光經樣品調制后，攜帶樣品信息的光信號通過光纖傳輸至分光器；分光后各波長光強由陣列檢測器轉換為電信號；經模數轉換后，通過USB或LAN接口傳輸至上位機；專用分析軟件根據用戶配置完成光譜計算（透過率、反射率、吸收度、色度、膜厚等）。

2.3 光纖柔性光學系統

MCPD系列標配石英光纖（或摻鍺石英光纖），光纖長度可根據需求定制（標準為2 m）。光纖的引入使光學系統不再受樣品形狀與尺寸的限制，可靈活搭建透射、反射、顯微、積分球等多種測量光路，并能方便地集成至大型平臺或工藝設備中。

3 核心技術特點

3.1 高動態范圍與低雜散光

MCPD-9800作為系列旗艦機型，實現了高動態范圍（High Dynamic Range, HDR）檢測能力。相較于普通光譜儀，對弱光的檢出能力提升約5倍，適用于光通量評價及微弱發光測量。

在雜散光抑制方面，MCPD-9800通過優化光學設計與檢測器工藝，將雜散光率降低至歷代機型的五分之一，特別適合紫外波段（<300 nm）的精確評估。這一特性對半導體材料帶隙分析、量子效率測量等紫外敏感應用尤為關鍵。

3.2 高速與寬范圍曝光時間

MCPD系列支持從1 ms（MCPD-9800特定型號）至65 s的曝光時間設定，覆蓋從高速在線檢測到微弱光積分測量的全場景需求。短曝光時間可捕捉瞬態光譜變化（如等離子體發射、化學反應過程），長曝光則適用于熒光、磷光等弱信號測量。

3.3 多波長范圍型號選擇

MCPD系列提供多達9種波長范圍型號，用戶可根據應用需求選擇適配的檢測器：

對于需要覆蓋更寬波長范圍的場景，可通過定制多分光器組合實現。

3.4 靈活的通信接口

系統同時配備USB和LAN通信接口。USB接口提供高便捷性，適用于實驗室環境；LAN接口支持遠程控制和數據采集，便于將設備集成至生產線自動化系統中。

3.5 高再現性光纖設計

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引起的光強分布不均勻，確保測量結果的穩定再現性。

3.6 緊湊輕量化設計

相較于歷代機型，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。緊湊設計使其可靈活部署于空間受限的產線環境或集成至復雜測量系統中。

4 技術規格對比

MCPD-9800與MCPD-6800的核心規格對比如下：

數據來源：

5 多功能測量系統配置

MCPD系列的高靈活性體現在其可搭配多種光學附件與分析軟件，構成面向特定應用的完整測量系統。

5.1 透過/吸收測量系統

適用于濾光片、透鏡、薄膜等光學元件的透過率與吸收光譜評價。通過配置溶液測量單元，可實現液體樣品的濃度分析與溶出試驗。

5.2 反射測量系統

用于光學材料、反射板的表面特性表征，以及抗反射膜（AR膜）、太陽能電池等鍍層結構的反射率評價。

5.3 膜厚測量系統

基于分光干涉原理，通過解析反射光譜的干涉條紋計算膜厚。系統支持四種解析手法：

• 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以下薄膜及光學常數（n, k）解析

• 適化法（Optimization）：適用于在線生產環境，對反射率波形與理論波形進行比較演算

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

5.4 物體顏色測量系統

適用于涂料、印刷品、布匹、粉體、塑料制品等的顏色評價。系統滿足日本工業標準JIS Z 8724（顏色的測量方法-光源色）中對分光測光器的精度要求，波長偏差小于0.5 nm，測光直線性偏差優于0.5%（強度比2:1）。

5.5 發光/熒光測量系統

用于LED、OLED、PDP熒光體等光源的發射光譜、色度、亮度、照度測量。搭配積分球可評估總光通量。

5.6 顯微分光測量系統

通過將MCPD光譜儀與顯微鏡耦合，實現對微小區域（微米級）的反射、透過、吸收光譜及膜厚測量，適用于半導體微區分析、MEMS器件評價等。

5.7 多點/在線測量系統

通過光纖切換裝置，實現多個測量點的自動順序測量，或集成至生產線進行實時質量監控。

6 可靠性與校準保障

6.1 JIS標準符合性

MCPD系列滿足日本工業標準JIS Z 8724對分光測光器的全部精度要求，包括：

• 波長刻度準確性：波長偏差小于0.5 nm

• 測光刻度準確性：強度比2:1時直線偏差小于0.5%，再現性優于0.2%

• 雜散光：450 nm處雜散光低于1.0%

6.2 JCSS校準實驗室認證

大塚電子的光計測實驗室已通過日本計量法校正實驗室注冊制度（JCSS）認證，可提供國際MRA（相互承認協議）對應的光校正服務，確保測量結果的可追溯性。

7 典型應用領域

7.1 半導體與電子制造

• 晶圓上膜厚測量（氧化膜、氮化膜、光阻膜）

• CMP工藝終點檢測

• 光刻膠剝離液濃度監測

• 平板顯示器件的光學特性評價

7.2 光學元件與鍍膜

• 抗反射膜、高反射膜的光譜特性

• 濾光片透過率測試

• 鏡頭鍍層均勻性檢查

7.3 材料研發

• 新型光學材料透射/反射特性

• 納米材料吸收光譜

• 量子點發光特性

7.4 生物化學與制藥

• 溶液濃度測定

• 酶標分析

• 溶出度試驗

7.5 汽車與消費電子

• 車漆顏色管理與色差控制

• 顯示屏色度校準

• 塑料件顏色一致性評價

8 結論

MCPD-9800與MCPD-6800多通道光譜儀通過平面場分光技術、電子冷卻型陣列檢測器及柔性光纖光學系統的協同設計，實現了從紫外至近紅外波段的高速、高靈敏度光譜測量。高動態范圍與低雜散光特性使其在微弱光檢測與紫外分析中表現優異；靈活的波長范圍選擇和模塊化系統配置則滿足了從實驗室研發到產線在線的多樣化需求。結合大塚電子JCSS認證的校準服務體系，MCPD系列為光學、半導體、材料、生物醫藥等領域的光譜分析與質量控制提供了可靠的技術平臺。