LD自动系统资料要点

1、16一、LD光源的功率输出稳定度考察LD光源的输出功率稳定度对厚度测量精度的影响。假设稳定度为,即输出光功率的变化在以内。由以上的分析可知，激光器功率的变化产生的影响 在波峰或波谷处最大。所以我们来考察波峰处，fax 二阳边 2.【1=2（ 3-13）如果这时输出光功率突然有个的改变，即反射比变化 fax ，为了达到检测精 度，光源稳定度的影响有：APmax , < .'；即：:：': max(3-14)同理，在波谷处P« <(3-15)综合得i ' minAPo <(3-16) max对于 GaN - Sapphire，波长 655nm，P

2、max = 0.254 ，由(3-12)可得 £ = 1nm时,co <0.4/1000 ; £= 1nm，住 <1.3/1000。可以看出对光源的稳定性要求很高，很难达到。我们考虑多次测量的情况。 在波峰处，反射率的值应该分布在max周围一max，.以内，即单次测量反射率误差最大为Pmaxto，由于薄膜沉积速率较慢（零点几nm每秒），我们可以认为在极短时间内测得的多个值反映的薄膜厚度近似相等。设对应同一薄膜厚度有N个反射率的测量值，对其取平均，反射率测量误差将减小到'max. / . N。所以有：(3-17)max由上式在2nm精度下，如果N=100则

3、对稳定度的要求可以下降到土 1.3%。这同样 是个较高的标准，所以必须设计功率高度稳定的LD激光器。、激光器的频谱漂移同样考虑在波峰处，在波峰处，频谱突然漂移 一（正的代表波长增加，负 的表示减小），薄膜的折射率变化可以忽略，这时，反射率为P'=円 + P2+22cos4叩2hf（tk）（3-18 ）0 I /(3-19)所以二宀一 J = 2. 宀(1cos(2：)丸 0 土 AX检测精度要求：心即： ,-2n2 <2 n2；（3-20）九0 + 2n2GaN薄膜：扎o = 655nn, s 1nm时，人min = 4.6nm, w = 2nm时，心入 max = 9.2nm。

4、三、LD的输出光功率范围光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能从目标（辐射源）发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感 受，这是光电系统一个很重要的指标。设LD激光器输出功率为Pi，探测器使用Si光电二极管（其能响应0.4-1.1 微米的光，在0.7-0.9um响应度最大），其在波长下的响应度为R£），反向偏 压Vr，暗电流为Id，最大允许电流Ip。只有当信噪比>1时，信号量才能被提取出 来，即照射到探测器上的光功率必须大于噪声等效功率：P/ NEP（ 3-21）同时Pi?Re（ ） ：, Ip（ 3-22）即NEP/Pi匕（3-23

5、）P Rep.）由于我们的多光束激光其中一束入射到 Si探测器中，大部分入射到CCDh，所以 要考虑CCD勺饱和问题。由于CCD的灵敏度是按照光度学来表示的，所以必须将 光场的辐射度量转换成光度量来表示。光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量，以人的视觉习惯为基础建立。辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算，主要用于X光、紫外光、 红外光以及其它非可见的电磁辐射。光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套 参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。为了区别这 两种量，规定用下标e和v表示。附录A给出常用辐射量和光度量的定义19。对人眼来说采用光谱光视效能 K（入）来

6、表征不同波长辐射下的响应能力，光谱 光视效能K（入）为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即KC） =A./：e.（3-24）由于人眼在频率为540X 1012Hz（入m=555nm该波长称为峰值波长）的辐射下，K（入） 最大，记为Km，Km = 683lm W-1，定义光谱光视效率 V（入）（又称视见函数）为VC）二KC）/Km（3-25）所以，CCDS收到的光通量为.-KmV（ ）：G（3-26）其中入射到CCDh光的辐通量（功率）叮心单位为W,光通量单位为lm 设光斑面积为S,则光照度可以写成：18E、，= A, /S = KmV（）：e./S（3-27）VuVu其单位为lux。设CC

7、D向应的光照度范围为Evmin Evmax，小于最低照度则不能成 像，大于最高照度则发生饱和。所以有：Evmin SEv max S ：十：-S（ 3-28）KmV（ ）KmV（'）由于：.：e,Pi（3-29）结合（3-23）（3-29）就可得到激光器功率输出范围。对于655nm激光，V（入）=0.0816 , 一般CCD的照度范围在2000 105lux （在 增益为0db,最大光圈下），设光斑面积为1mm P ma=0.254 （GaN薄膜在蓝宝石衬 底上），计算得R<7.1mw（照射在CCD上得光功率小于1.8mw）。四、应力检测灵敏度及误差2r由第2章薄膜应力为二二叫也

8、,;（1/r），其中曲率变化：. ：（1/r）=竺曲（-），6hfd2Ld为入射激光束阵列间的间距，：为入射角；L为样品与CCD、可的距离，d为光束 的偏转位移。可以看出，应力的灵敏度和能检测到的薄膜表面最小曲率变化量有 关，即与可测量的光束的最小偏转位移相关。设光束间距d平均值为379.88象素，S d最小值为0.155象素（多次测量结 果），L=0.5m, a= 50,蓝宝石衬底 MS= 602 Gpa, hs=200um hf=300nm 可计算得： 最小可探测的曲率变化为4.1 X104m，最小薄膜应力为：（T min=5Mpa即薄膜应力检 测灵敏度为5Mpa根据它们的测量方法，设厶h

9、s=2卩m,A hf=2nm, L=5mm, （ S d）=0.005象素 （图像处理软硬件对光斑中心细化最小尺度），则由误差传递公式得：(3-30)E一2玉也丄卫丄：4.4%hshf6dd L该灵敏度和测量精度水平完全能够满足半导体器件工艺中薄膜应力测量的要求。至此，我们完成了检测系统一些主要指标的讨论，通过以上的讨论，我们发现 该系统设计的难点内容是设计功率高度稳定 LD激光器。接下来的章节中，我们将 对系统各个部分的设计进行深入讨论。五、光学分束组件光学分束器是光计算机、图像处理、光纤通信及光学信息处理系统中用来产生一维或二维等强度激光束阵列的一种重要光学组件。以光的衍射原理为基础发 展

10、起来的二元光学技术为制作新的光分束器提供了极大的便利。Damman在70年代初提出了一种周期性可变间距的二元位相型光栅,也称空 间坐标调制型二值相位光栅，有以下主要特性 如：是相位型光栅，可得到较高的 衍射效率；其相位是二值的，便于利用常规的大规模集成电路技术进行加工；属 于夫琅和费型器件，其光束分布的均匀性不受入射光强分布的影响。Damman光栅 通过衍射把一束光分为等强度的多束光，用于集成电路的光刻掩膜版的制造。要使 这些光束成为会聚光束还必须与常规的透镜结合。随着光计算技术的发展，国外 研制出了具有自聚焦性质的集成化二元光学分束器，用该组件可直接实现二维会聚光束阵列。其基本原理21如下。

11、Damman光栅是一种二维的二元位相型光栅,它的透射率函数f(x,y)可表示为 两个对称的一元周期函数的乘积，f (x,y) =b(x)t2(y)( 3-31 )ti(x)或t2(y)的位相只取0和n两值,一周期内有2N个相位跃变点,其坐标为土 xi, ± X2,± Xn。为了得到2N+1极等光强的光束分布必须对光栅的每一个周期进行 空间坐标(刻槽数目和槽宽)的调制，利用这种微细结构的周期重复即可得到一 种特殊结构的相位光栅，经过优化设计使输出面上所要求的角谱范围内的光强均 等。合理地确定各突变点的坐标以产生等光强的谱点阵列是这类光栅设计的核心。Xi,X 2,x N满足方程

12、组：UnUo(n =1,2/ ,N)(3-32)I*式中,un为第n级衍射光的振幅。因此，这种光栅产生的0, ± 1, ± 2,± N级衍射光 的振幅相等。图3.3是N=4周期L=1时t1(x)在一个周期内的函数曲线。用一束相干 光照射一维Damman光栅可得到(2N+1)束沿不同方向传播的等强度衍射光，对于二 维Damman光栅则可有(2N+1) x (2N+1)束等强度衍射光，如图3.4所示。t, Gr)图3.4 :分束后任一行光点的光强分布曲线-172“工厂斗7*二 ©1amF图3.3 :一维Damman光栅(N=4)的透射率函数曲线19Fresn

13、el波带板是另一种常见的衍射光学组件，在这里我们将两者组合成一个 组件,它同时具有分束和聚焦功能。分束器的透射率函数t(x,y)是Damman光栅的透射率函数f(x,y)与Fresnel波带板的透射率函数t L(x,y)的乘积。由于构成自聚焦分束的两分立组件都是二元位相型的，若设Fresnel波带板和Dammar光栅的位相函数分别为 L(x,y)和d(x,y),因为分束器的透射率函数 t(x,y)为：t(x, y)二 f(x, y)tL(x, y)二exp!,：i(x,y) Gd(x,y)l(3-33)则集成分束器位相函数(x,y)为：(x,y)= L(x,y)+ d(x,y)(3-34)因为

14、l和d分别只取0和n,(x,y)只有0、n、2 n等3种值，而2 n与0是同 相位的，因此集成分束器的位相 也只取0、n ,即可由下式得到20:=( L n )XOR( d/ n ) n(3-35)式中,XOR弋表异或运算。这一位相特点，为制作这种位相型组件带来了方便。实际设计传感器时，为了提高信噪比,Fresnel波带板采用了离轴照明方式。用 发散激光光束照明时，改变光束的发散点到分束器的距离可改变点阵阵列的大小 (即光点之间的距离)。六、功率稳定可调半导体激光器引言半导体激光器(LD)由于其具有体积小、价格低、低功率、易于集成、便于 工作、波长可调、可快速调制等一系列特点，越来越受到人们的

15、重视，是应用最 广泛的一类激光器。在精密光电检测领域中，光源的微小波动会引起被测量的较 大偏移，产生较大的测量误差22。从前面的讨论可以看出，我们需要检测薄膜反 射率的变化以求解其它光电学参量，在这种情况下，由于薄膜增长的缓慢(0.1 nm级/秒)，反射率变化非常小，其对于光源稳定性的要求非常高。稳定光源在光学 测量中象电子电路测试时用振荡器作为信号源一样，必须要求发出高稳定、光功 率可调的光信号23，稳定光源正是急待开发的光学系统测试仪器中的一种重要的 基础设备。国内一些学者对稳定激光光源做了研究。有的设计使激光器注入电流稳定 2425，配合使用温控电路，这种方法虽然对稳定性有一定提高，但对

16、其它影响因 素缺乏考虑，不是一种闭环控制系统。有的对光功率的调节只使用模拟的积分调 节23，由于积分控制对稳态误差的消除作用是靠对误差的积累产生的，故反映不 灵敏，且会使系统稳定裕量下降，超调增大，一般不单独使用。这两种方法共同 特点是模拟调节。在该节中，为了使半导体激光器功率稳定，我们从自动控制理论出发，先对PID控制理论进行阐述，接着设计了对输出光功率进行数字设置、闭环PID自动调节的LD驱动电路和LD自动温度控制电路。七、PID控制理论简介PID 调节是 Proportional（比例）、Integral （积分）、Differential（微分）三者的缩写，其控制算法简单，结构改变灵活

17、，技术成熟，适应性强，可靠性高， 在控制工程中得到了广泛的应用26。（1）比例控制作用是指控制器的输出与输入偏差信号成比例。其算法为：m（t）=Kpe（t）（ 3-36）式中K表示比例增益。可见，比例控制器的调整十分简单，仅调一个参数&。由于没有延迟，比例控制响应速度快，但不能消除稳态误差（静差） 。比例控制器实 际上是一个可调增益的放大器。（2）积分控制作用积分控制算法为：m（t） = e（t）dt（3-37）式中K表示积分增益。可见，若偏差增加，则控制器的输出也增加，直至偏差为 零。若输出等于输入，偏差变为零，控制器输出保持不变，因此积分控制作用， 可以消除稳态误差。但是它有滞后现

18、象，系统响应速度变慢，超调量增大，并可 能产生振荡，必须与比例环节一起使用。（3）微分控制作用微分控制作用的算法为：m（t） = Kd 型（3-38）dt式中Kd为微分增益。从式可以看出，控制器输出是与输入偏差信号的变化率成比 例。当偏差信号很大并为常数时，微分控制器的输出为零，这是不希望的结果。 微分控制只在动态过程有效。因此微分控制作用不能单独使用，必须与其它控制 作用相结合。（4）比例一积分一微分（PID ）控制作用它表示将系统的偏差的比例一积分一微分线性组合构成控制作用。模拟PID的控21制算法为:m(t) = KPe(t)心 e(t)dt KD -de(3-39)dt(3-40)式中

19、m(t)是PID控制器的输出信号；e(t)为偏差信号，它等于测量值与给定值之 差；Kp为比例增益；K为积分增益；KD为微分增益。上式也可写成下列形式m(t) = KPe(t) e(t)dt TDT| 'dt式中T=K/Ki为积分时间常数；Td=K/Kp为微分时间常数。PID控制系统原理方框图 如图3.5所示。图3.5 PID控制系统原理方框图在PID三种作用中，比例作用可对偏差做出及时响应；积分作用主要用来消 除静差，改善系统的静态特性；微分作用主要用来减少超调，克服震荡，使系统 趋向稳定，加快系统的动作速度，减少超调时间，用来改善系统的动态特性。若 能将三种作用的强度配合适当，可以使

20、控制器快速，平稳，准确，从而获得满意 的控制效果。在实际应用中，根据被控对象的特性和要求，可灵活地改变 PID的 结构，取其中的一部分环节构成控制规律。八、数字PID算法对(3-39)式进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方 程，积分项用求和来表示，可得离散的PID表达式为kP(k) = KpE(k)E(j) KDE(k)-E(k-1)(3-41)j=0E(k):第k次采样时的偏差值，k:采样序号，P(k):第k次采样时调节器的输出。 (3-41)式称为位置型PID的控制算式。根据递推原理，可写出(k-1 )次的PID输 出表达式：k .1P(k 一1) = KPE(k -1

21、) K, E(j) KDE(k -1) - E(k -2)(3-42)j=o(3-41)式减(3-42)式得:(3-43)：P(k) =P(k) _P(k -1)= KPE(k) _E(k -1) KI E(k) KDE(k2E(k -1) - E(k _2(3-43)式表示第k次输出的增量 P(k)，等于第k次与第k-1次调节器输出的差 值，即在第(k-1 )的基础上增加(或减少的)量，所以(3-43)式叫做增量型PID 控制算式。在位置控制算式中，由于全量输出，所以每次输出均与原来位置量有关。为此，这不仅需要对e(j)进行累加，而且控制器的任何故障都会引起P(k)大幅度变化，对生产不利。增

22、量控制虽然改动不大，然而却带来了很多优点：由于输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；不产生积分失控，所以容易 获得较好的调节效果。增量控制因其特有的优点已得到广泛的应用27 o九、数字PID调节中的实际问题和变速积分 PID算法数字PID调节器在实际应用中，根据系统对被控参数的要求，D/A转换器的输 出位数，以及对于干扰的抑制能力的要求等，还有许多具体问题需要解决。针对 我们的被控对象，会遇到以下问题：(1) 正反作用问题在模拟调节器中，一般都是通过偏差进行调节的。偏差的极性与调节器输出 的极性有一定的关系，且不同的系统有着不同的要求。例如，在煤气加热炉温度 调节系统中，被

23、测温度高于给定值时，煤气进给阀门应该关小，以降低炉膛的温 度。又如在炉膛压力调节系统中，当被测压力值高于给定值时，则需将烟道阀门 开大，以减小炉膛压力。在调节过程中，前者称作反作用，后者称作正作用。模 拟系统中调节器的正反作用是靠改变模拟调节器中的正、反作用开关的位置来实 现的。而在数字PID调节器中，可通过改变偏差 E(k)的公式来完成。其做法是， 正作用时，偏差为测量值减去设定值；反作用时，偏差为设定值减去测量值，其 它不变。按照正反作用的定义，可知对于 LD的光功率是反作用调节过程，对于 LD 的温度是正作用调节过程。限位问题在某些自动调节系统中，为了安全生产，往往不希望调节阀全开或全关

24、， 而是有一个上限限位Pmax和一个下限限位Pmin。因此，要求调节系统的输出不24能为100%或0%,也即要求调节器输出限制在一定的幅度范围内，即Pmi*PvPma。在具体系统中，不一定上、下限位都需要，可能只有一个下限或上限限位。在一般的PID调节算法中，由于积分系数K是常数，所以在整个调节过程中， 积分增益不变。而系统对于积分项的要求是，系统偏差大时，积分作用减弱 以至全无，而在偏差较小时则应该加强积分作用。否则，积分系数取大了会产生 超调，甚至积分饱和；取小了又迟迟不能消除静差。变速积分PID的基本做法时设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应。偏差大时，积分累加速度 慢，积分作

25、用弱；反之，偏差小时，使积分累加速度加快，积分作用增强。为此， 设置一系数fE(k)(f值在01区间内变化)，它是E(k)的函数，当|E(k)|增大时，f减小，反之则增大。每次采样后，用fE(k)乘以E(k)，再进行累加，即变 速积分项输出值：kAR'(k) = KiU E'(j)+fE(k)E(k)(3-44)j =0变速积分PID与普通PID相比，具有以下优点：(1) 实现了用比例作用消除大偏差，用积分作用消除小偏差的理想调节特性，从而 完全消除了积分饱和现象；(2) 大大减小了超调量，可以很容易地使系统稳定，改善了调节品质；(3) 适应力强，一些用常规PID控制不理想的过

26、程可以采用该算法。十、PID参数的整定方法27扩充临界比例度法是简易工程整定方法之一。它是基于模拟调节器中使用的 临界比例度法的一种PID数字调节器参数整定方法。用这种方法整定T、矗、Ti和Td的步骤如下：(1)选择一个足够短的采样周期Tmin。 求出临界比例度S u和临界振荡周期Tuo具体方法是，将上述采样周期 Tmin 输入数字控制系统中，并只有比例控制，逐渐缩小比例度，直到系统产生等幅振 荡。此时的比例度即为临界比例度 S u，相应的振荡周期称为临界振荡周期Tuo 选择控制度。所谓控制度，即是以模拟调节器为基准，将数字控制系统的控 制效果与模拟调节器相比较，其评价函数通常用0 E2(t)

27、dt (误差平方积分)表示。E2(t)dt数字控制度二(3-45)E2(t)dt模拟（4）根据控制度，查表计算T、Kp、K和Kd值（5）按照上面的方法求得的参数，加到系统中运行，观察控制效果，在适当调整 参数，直至获得满意的控制效果。此外，PID的参数整定方法还有扩充响应曲线法、归一参数整定法以及优选法1一、基于MCS-51单片机的LD自动功率控制系统激光二极管封装及参数常见激光二极管封装有两种形式：共阳极与共阴极型（图3.6（a）所示）。LD和监测激光器背向输出光功率的 PIN光电二极管封装在一起。我们采用的655nm红光激光二极管，封装形式为共阳极（LD的正极与PD的负极连接在一起），其最

28、 大输出光功率为 30mw阈值电流为40mA（25°C）,工作电流最大110mA 光电二 极管（PD的监测电流Im与激光器的输出功率P0在温度不变的情况下成线性关系（图3.6 （b）,这为后面控制电路的设计提供了依据。共阳极型共阴极型图3.6 LD封装及监测电流和输出功率特性曲线十二、MCS-51单片机控制系统设计LD闭环控制控制及驱动系统硬件设计1.电路原理及框图对LD激光器的光功率控制是通过光电二极管检测LD的背光光功率从而进行控制来实现的。光电二极管的监测电流经差分放大后变成一个电压量，经高精度 A/D转换器采样量化后送入单片机，与单片机内监测电压参考值（在设定功率条件 下，监

29、测电流差分放大成的电压量的数字表示，也即是在电路参数不变的情况下， 一个确定的监测电压参考值对应一个确定的激光器输出光功率设定值）之间作差， 产生电压的偏差信号，再对偏差信号进行 PID运算，运算结果经D/A转换及电压25电流(V-I )变换后，驱动LD发光。PID调节是为了使激光器输出功率稳定。这 种单片机闭环控制系统框图如图 3.7所示。图3.7 LD的单片机闭环控制及驱动电路框图2 具体电路模块选型及计算(1)差分放大模块：由图3.6 (b)可见，监测电流很小，尤其当激光器输出功率 <10mW寸，此时监测电流会<O.1mA。如果把监测电流直接接一电阻，再将电阻上的 分压与放大

30、器输入端相相连，则由于电阻的阻值是有限的，电阻的温漂问题会使 放大器的输入电压受温度影响非常大，直接会导致A/D转换器的输入不准确。因此在设计中应该消除或减小环境温度对 A/D转换器输入的影响。设计中使监测电 流与参考电流通过一个由4个阻值及温度系数均相等的精密电阻组成的电桥电路， 这样温度变化的影响会在相减中减小。放大器采用TI公司的高输入阻抗精密差分放大器INA114。此模块如图3.8所示：图3.8监测电流的差分放大电路 放大器的输出电压可由下式计算：Vo=(|ref -|m) R G(3-46 )式中Iref-参考电流，ImrPD监测电流，G=(1 50k / Rg)。其中参考电流Iref可由另一 INA114和 OPA602寻到29。VrefLoL | I lref图3.9 INA114和O