光電傳感及檢測第五章

1、光電傳感及檢測第五章第一頁，共26頁。一、激光概述1、 激光是利用外部能源激勵物質(zhì)，使其發(fā)生受激輻 射而產(chǎn)生的一種特殊的光。2 、工作物質(zhì): 任何光學透明的固體、液體、氣體3 、激勵能源: 光源、電源、熱源、化學能源4 、光學諧振腔第二頁，共26頁。第三頁，共26頁。光學諧振腔 使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強，其它方向、其它頻率的輻射受到抑制的裝置.全反射鏡M1部分反射鏡M2激光工作物質(zhì)作用選擇激光的方向選擇激光的頻率激勵能源第四頁，共26頁。He-Ne激光器的工作原理激光器的基本構成及激光的形成具有亞穩(wěn)態(tài)能級結構的工作物質(zhì)、激勵系統(tǒng)和光學諧振腔 光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩，在工作物質(zhì)中的

2、傳播使光得以放大，并輸出激光。反射鏡反射鏡陽極陰極布儒斯特窗毛細管工作物質(zhì)：氦氣輔助物質(zhì)：氖氣激勵方式：直流氣體放電第五頁，共26頁。二、激光的特點1、 方向性好2 、亮度高3 、單色性好4 、相干性好2公里38萬公里第六頁，共26頁。三、激光的種類1、 固體激光器2 、氣體激光器3 、液體激光器4 、半導體激光器第七頁，共26頁。四、激光的應用1、激光測長2 、激光測距:發(fā)射激光信號，然后利用接收器接收到激光回波，通過計時器計算時間差測量目標距離.3 、激光測振4 、激光測速5 、激光雷達: 電磁波照射目標并接收回波的方法.第八頁，共26頁。范圍：0.2 300m 分辨力： 3mm德國俫卡手

3、持式：范圍：0.2 200m分辨力：0.2mm美國bushwell 單目軍用范圍：1000m分辨力：1m第九頁，共26頁。被測光學元件的表面形貌圖用PZT的Twyman-Green 干涉儀 激光干涉位移傳感器第十頁，共26頁。激光面形測量儀激光測長干涉儀 激光面形測量儀第十一頁，共26頁。激光平面干涉儀基于激光平面干涉技術的元件面形偏差檢測系統(tǒng)設計 1. 光學元件面形偏差檢測 干涉圖干涉條紋順序的辨識第十二頁，共26頁。 均值法，該法將每一象素點的灰度值設置為該點鄰域窗口內(nèi)的所有象素點灰度值的平均值(或加權平均值)，所采用的窗口大小一般為33、55、77，實際運用中，根據(jù)條紋走向采用靈活的窗口

4、大小，往往可得到比較理想的結果；中值濾波法，該法是一種非線性平滑技術，它將每一象素點的灰度值設置為該點鄰域窗口內(nèi)的所有象素點灰度值的中值，中值濾波法對消除椒鹽噪音非常有效，在光學測量條紋圖像的相位分析處理方法中有著特殊的作用，但在條紋中心分析方法中作用不大； 濾波干涉條紋處理步驟：1、濾波2、求閾值3、二值化4、提取干涉條紋的條紋中心線5、對條紋進行跟蹤、標記6、獲取面形信息第十三頁，共26頁。0011000011100101000101G(i,j)01計算各條線上的灰度平均值和灰度均方差值，灰度均方差最小的方向線為條紋的切線方向，當前點的灰度值為條紋切線方向上的灰度平均值。 Gk(i, j)

5、為在第k個方向線上的像素點， Ak(i, j) 為在第k個方向線上的灰度平均值，Dk(i, j) 為在第k個方向線上的灰度均方差值， 第十四頁，共26頁。根據(jù)干涉條紋圖像中像素的灰度值，可以通過選取一個合適灰度值作為對該圖像進行二值化的閾值，然后令該圖像中灰度值小于該閾值的像素取值為0，大于該閾值的像素取值為255。 對不同暗條紋上的中心點進行標識，就可標識不同條紋。最后采用曲線擬合法對這些暗條紋的中心線進行擬合。 第十五頁，共26頁。由多元函數(shù)極值原理可知，通過求取minQ(a0，a1，a2，a3)確定系數(shù)a0，a1，a2，a3后，就可得到較平滑的、連續(xù)的暗條紋的中心線第十六頁，共26頁。面

6、形偏差的定義可知：被檢光學表面相對于參考光學表面的偏差稱面形偏差，即光圈。 第十七頁，共26頁。2. 激光平面干涉測量裝置的設計 激光出射單元、光強調(diào)節(jié)單元、光束轉向單元、光束干涉單元、光束成像單元、干涉條紋圖像檢測與分析單元。 第十八頁，共26頁。3. 光學元件面形檢測軟件系統(tǒng)設計第十九頁，共26頁。 光刻機調(diào)焦調(diào)平激光檢測系統(tǒng)設計 光刻機調(diào)焦調(diào)平激光檢測的基本原理 光刻機工作前，先通過吸盤機械手將準備曝光的硅片放置于承片臺上，然后由調(diào)焦調(diào)平激光檢測對該硅片進行檢測，根據(jù)檢測的結果控制相應的工作臺動作，由該工作臺對硅片表面相對于投影物鏡焦平面的高度值和傾斜量進行調(diào)節(jié)，當完成對硅片調(diào)焦調(diào)平時，

7、光刻機調(diào)焦調(diào)平激光檢測系統(tǒng)通知硅片曝光系統(tǒng)對曝光區(qū)域進行曝光。光刻機調(diào)焦調(diào)平激光檢測采用調(diào)焦傳感器和調(diào)平傳感器，將檢測分為調(diào)焦傳感單元和調(diào)平傳感單元 .第二十頁，共26頁。投影光刻機的研究，發(fā)現(xiàn)它有兩個最基本的參數(shù)，一個是分辨率R和另一個是焦深DOF(depth of focus)，它們與曝光波長、表示收集衍射光的能力的數(shù)值孔徑NA、工藝因子K1和K2之間存在著一定的數(shù)學關系，即分辨率R與曝光波長和工藝因子K1成正比，而與數(shù)值孔徑NA成反比，而焦深DOF與曝光波長和工藝因子K2成正比，而與數(shù)值孔徑NA的平方成反比。 第二十一頁，共26頁。光束偏移量與硅片被測表面的離焦量存在的數(shù)學關系 S1為探

8、測器檢測到的離焦光束的偏移量，為探測光束在硅片上的入射角，M為透鏡L2的放大倍率。 第二十二頁，共26頁。探測器檢測到的光強與探測器檢測到的離焦光束的偏移量之間存在數(shù)學關系 Z1、Z2、Z3和Z4分別為投影光斑1、2、3和4相對于投影物鏡焦平面的距離 調(diào)節(jié)控制單元主要包括高速多通道數(shù)據(jù)采集卡、計算機、D/A數(shù)據(jù)轉換卡、三個PZT執(zhí)行器、三個PZT驅動器。 第二十三頁，共26頁。軟件設計 工控機的配置為：P4CPU、1GB內(nèi)存和60GB硬盤以上；操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows XP；開發(fā)工具為LabVIEW 8.0。根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能進行軟件設計，這些功能包括初始化、參數(shù)設置、長行程PZT