光電傳感與檢測第五章

1、一、激光概述一、激光概述1 1、 激光是利用外部能源激勵(lì)物質(zhì)，使其發(fā)生受激輻激光是利用外部能源激勵(lì)物質(zhì)，使其發(fā)生受激輻 射而產(chǎn)生的一種特殊的光。射而產(chǎn)生的一種特殊的光。2 、工作物質(zhì): 任何光學(xué)透明的固體、液體、氣體3 、激勵(lì)能源: 光源、電源、熱源、化學(xué)能源4 、光學(xué)諧振腔、光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 使某一方向、某一頻率的輻射不斷得使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強(qiáng)，其它方向、其它頻率的輻射受到到加強(qiáng)，其它方向、其它頻率的輻射受到抑制的裝置抑制的裝置.全反射鏡全反射鏡M1部分反射鏡部分反射鏡M2激光激光工作物質(zhì)工作物質(zhì)作用作用選擇激光的方向選擇激光的方向選擇激光的頻率選擇激光的頻率

2、激勵(lì)能源激勵(lì)能源He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理激光器的基本構(gòu)成及激光的形成激光器的基本構(gòu)成及激光的形成具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔 光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。放大，并輸出激光。反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡陽極陽極陰極陰極布儒斯特窗布儒斯特窗毛細(xì)管毛細(xì)管工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：氦氣氦氣輔助物質(zhì)：輔助物質(zhì)：氖氣氖氣激勵(lì)方式：激勵(lì)方式：直流氣體放電直流氣體放電二、激光的特點(diǎn)二、激光的特點(diǎn)1 1、 方向性好方向性好2 、亮度高、亮度高3

3、 、單色性好單色性好4 、相干性好相干性好2公里三、激光的種類三、激光的種類1 1、 固體激光器固體激光器2 、氣體激光器、氣體激光器3 、液體激光器液體激光器4 、半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體激光器四、激光的應(yīng)用四、激光的應(yīng)用1 1、激光測長激光測長2 、激光測距、激光測距:發(fā)射激光信號，然后利用接收器接收到發(fā)射激光信號，然后利用接收器接收到激光回波，通過計(jì)時(shí)器計(jì)算時(shí)間差激光回波，通過計(jì)時(shí)器計(jì)算時(shí)間差測量目標(biāo)距離測量目標(biāo)距離.3 、激光測振激光測振4 、激光測速、激光測速5 、激光雷達(dá)、激光雷達(dá): 電磁波照射目標(biāo)并接收回波的方法電磁波照射目標(biāo)并接收回波的方法.范圍：范圍：0.2 300m 分辨力：分

4、辨力： 3mm德國俫卡手持式：德國俫卡手持式：范圍：范圍：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美國美國bushwell 單目軍用單目軍用范圍：范圍：1000m分辨力：分辨力：1m被測光學(xué)元件的表面形貌圖被測光學(xué)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激光干涉位移傳感器激光面形測量儀激光面形測量儀激光測長干涉儀 激光面形測量儀激光面形測量儀激光平面干涉儀激光平面干涉儀基于激光平面干涉技術(shù)的元件面形偏差檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于激光平面干涉技術(shù)的元件面形偏差檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 光學(xué)元件面形偏差檢測光學(xué)元件面形偏差檢測 干涉圖干涉條紋順序的辨識干涉圖干涉條紋順序的辨

5、識 均值法，該法將每一象素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)鄰域窗均值法，該法將每一象素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)鄰域窗口內(nèi)的所有象素點(diǎn)灰度值的平均值口內(nèi)的所有象素點(diǎn)灰度值的平均值(或加權(quán)平均值或加權(quán)平均值)，所采用，所采用的窗口大小一般為的窗口大小一般為33、55、77，實(shí)際運(yùn)用中，根，實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)條紋走向采用靈活的窗口大小，往往可得到比較理想的據(jù)條紋走向采用靈活的窗口大小，往往可得到比較理想的結(jié)果；結(jié)果；中值濾波法，該法是一種非線性平滑技術(shù)，它將每一象中值濾波法，該法是一種非線性平滑技術(shù)，它將每一象素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)鄰域窗口內(nèi)的所有象素點(diǎn)灰度值素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)鄰域窗口內(nèi)的所有象素點(diǎn)灰度值的中值，

6、中值濾波法對消除椒鹽噪音非常有效，在光學(xué)測的中值，中值濾波法對消除椒鹽噪音非常有效，在光學(xué)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；條紋中心分析方法中作用不大； 濾波濾波干涉條紋處理步驟：干涉條紋處理步驟：1、濾波、濾波2、求閾值、求閾值3、二值化、二值化4、提取干涉條紋的條紋中心線、提取干涉條紋的條紋中心線5、對條紋進(jìn)行跟蹤、標(biāo)記、對條紋進(jìn)行跟蹤、標(biāo)記6、獲取面形信息、獲取面形信息0011000011100101000101G(i,j)01計(jì)算各條線上的灰度平均值和灰度均方差值，灰度均方差計(jì)算各條線上的灰

7、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(dāng)前點(diǎn)的灰度值為條紋最小的方向線為條紋的切線方向，當(dāng)前點(diǎn)的灰度值為條紋切線方向上的灰度平均值。切線方向上的灰度平均值。 ),(51),(jiGkjiAk| ),(),(|),(jiAkjiGkjiDkGk(i, j)為在第為在第k個(gè)方向線上的像素點(diǎn)，個(gè)方向線上的像素點(diǎn)， Ak(i, j) 為在第為在第k個(gè)方向線上的灰度平均值，個(gè)方向線上的灰度平均值，Dk(i, j) 為在第為在第k個(gè)方向個(gè)方向線上的灰度均方差值，線上的灰度均方差值， ),(51),(jiGkjiAk),(),(jikAjiGk根據(jù)干涉條紋圖像中像素的灰度值，可以通

8、過選根據(jù)干涉條紋圖像中像素的灰度值，可以通過選取一個(gè)合適灰度值作為對該圖像進(jìn)行二值化的閾取一個(gè)合適灰度值作為對該圖像進(jìn)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，然后令該圖像中灰度值小于該閾值的像素取值為值為0，大于該閾值的像素取值為，大于該閾值的像素取值為255。 對不同暗條紋上的中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識，就可標(biāo)識不同對不同暗條紋上的中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識，就可標(biāo)識不同條紋。最后采用曲線擬合法對這些暗條紋的中心線條紋。最后采用曲線擬合法對這些暗條紋的中心線進(jìn)行擬合。進(jìn)行擬合。 miyxpaaaaiiQ123210)(),(xaxaxaaxp332210)(由多元函數(shù)極值原理可知，通過求取由多元函

9、數(shù)極值原理可知，通過求取minQ(a0，a1，a2，a3)確定系數(shù)確定系數(shù)a0，a1，a2，a3后，就可得到較平滑的、連續(xù)的暗條紋的后，就可得到較平滑的、連續(xù)的暗條紋的中心線中心線面形偏差的定義可知：被檢光學(xué)表面相對于參考光學(xué)面形偏差的定義可知：被檢光學(xué)表面相對于參考光學(xué)表面的偏差稱面形偏差，即光圈。表面的偏差稱面形偏差，即光圈。 12 . 0112 . 01kiikiippHhHhN2. 激光平面干涉測量裝置的設(shè)計(jì)激光平面干涉測量裝置的設(shè)計(jì) 激光出射單元、光強(qiáng)調(diào)節(jié)單元、光束轉(zhuǎn)向單元、光束干激光出射單元、光強(qiáng)調(diào)節(jié)單元、光束轉(zhuǎn)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。涉單元

10、、光束成像單元、干涉條紋圖像檢測與分析單元。 3. 光學(xué)元件面形檢測軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)光學(xué)元件面形檢測軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平激光檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平激光檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平激光檢測的基本原理光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平激光檢測的基本原理 光刻機(jī)工作前，先通過吸盤機(jī)械手將準(zhǔn)備曝光的硅片放置于承片光刻機(jī)工作前，先通過吸盤機(jī)械手將準(zhǔn)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(jìn)行檢測，根據(jù)檢測的臺上，然后由調(diào)焦調(diào)平激光檢測對該硅片進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測的結(jié)果控制相應(yīng)的工作臺動(dòng)作，由該工作臺對硅片表面相對于投影結(jié)果控制相應(yīng)的工作臺動(dòng)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

11、進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)完成對硅片調(diào)焦調(diào)平物鏡焦平面的高度值和傾斜量進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)完成對硅片調(diào)焦調(diào)平時(shí)，光刻機(jī)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)域時(shí)，光刻機(jī)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(jìn)行曝光。光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平激光檢測采用調(diào)焦傳感器和調(diào)平傳感進(jìn)行曝光。光刻機(jī)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)平傳感單元器，將檢測分為調(diào)焦傳感單元和調(diào)平傳感單元 .投影光刻機(jī)的研究，發(fā)現(xiàn)它有兩個(gè)最基本的投影光刻機(jī)的研究，發(fā)現(xiàn)它有兩個(gè)最基本的參數(shù)，一個(gè)是參數(shù)，一個(gè)是分辨率分辨率R和另一個(gè)是和另一個(gè)是焦深焦深DOF(depth of focus)，它們與曝光波長、表示，它

12、們與曝光波長、表示收集衍射光的能力的數(shù)值孔徑收集衍射光的能力的數(shù)值孔徑NA、工藝因子、工藝因子K1和和K2之間存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，即分辨之間存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，即分辨率率R與曝光波長和工藝因子與曝光波長和工藝因子K1成正比，而與成正比，而與數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA成反比，而焦深成反比，而焦深DOF與曝光波長與曝光波長和工藝因子和工藝因子K2成正比，而與數(shù)值孔徑成正比，而與數(shù)值孔徑NA的平的平方成反比。方成反比。 光束偏移量與硅片被測表面的離焦量存在的光束偏移量與硅片被測表面的離焦量存在的數(shù)學(xué)關(guān)系數(shù)學(xué)關(guān)系 sin21MZSS1為探測器檢測到的離焦光束的偏移量，為探測為探測器檢測到的離焦光束的偏移

13、量，為探測光束在硅片上的入射角，光束在硅片上的入射角，M為透鏡為透鏡L2的放大倍率。的放大倍率。 探測器檢測到的光強(qiáng)與探測器檢測到的離焦探測器檢測到的光強(qiáng)與探測器檢測到的離焦光束的偏移量之間存在數(shù)學(xué)關(guān)系光束的偏移量之間存在數(shù)學(xué)關(guān)系 xxdZZZZ24321yydZZZZ24321Z1、Z2、Z3和和Z4分別為投影光斑分別為投影光斑1、2、3和和4相對于投影物鏡焦平面的距離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、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(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)、D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡、三個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡、三個(gè)PZT執(zhí)行器、執(zhí)行器、三個(gè)三個(gè)PZT驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器。 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 工控機(jī)的配置為：工控機(jī)的配置為：P4CPU、1GB內(nèi)存和內(nèi)存和60GB硬硬盤以上；操作系統(tǒng)采用盤以上；操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows XP；開發(fā)工具為開發(fā)工具為LabVIEW 8.0。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，這些功能根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行軟