光电传感与检测第五章

1、一、激光概述一、激光概述1 1、 激光是利用外部能源激励物质，使其发生受激辐激光是利用外部能源激励物质，使其发生受激辐 射而产生的一种特殊的光。射而产生的一种特殊的光。2 、工作物质: 任何光学透明的固体、液体、气体3 、激励能源: 光源、电源、热源、化学能源4 、光学谐振腔、光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔 使某一方向、某一频率的辐射不断得使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置抑制的装置.全反射镜全反射镜M1部分反射镜部分反射镜M2激光激光工作物质工作物质作用作用选择激光的方向选择激光的方向选择激光的频率选择激光的频率

2、激励能源激励能源He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理激光器的基本构成及激光的形成激光器的基本构成及激光的形成具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔 光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。放大，并输出激光。反射镜反射镜反射镜反射镜阳极阳极阴极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗毛细管毛细管工作物质：工作物质：氦气氦气辅助物质：辅助物质：氖气氖气激励方式：激励方式：直流气体放电直流气体放电二、激光的特点二、激光的特点1 1、 方向性好方向性好2 、亮度高、亮度高3

3、 、单色性好单色性好4 、相干性好相干性好2公里三、激光的种类三、激光的种类1 1、 固体激光器固体激光器2 、气体激光器、气体激光器3 、液体激光器液体激光器4 、半导体激光器、半导体激光器四、激光的应用四、激光的应用1 1、激光测长激光测长2 、激光测距、激光测距:发射激光信号，然后利用接收器接收到发射激光信号，然后利用接收器接收到激光回波，通过计时器计算时间差激光回波，通过计时器计算时间差测量目标距离测量目标距离.3 、激光测振激光测振4 、激光测速、激光测速5 、激光雷达、激光雷达: 电磁波照射目标并接收回波的方法电磁波照射目标并接收回波的方法.范围：范围：0.2 300m 分辨力：分

4、辨力： 3mm德国俫卡手持式：德国俫卡手持式：范围：范围：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美国美国bushwell 单目军用单目军用范围：范围：1000m分辨力：分辨力：1m被测光学元件的表面形貌图被测光学元件的表面形貌图用PZT的Twyman-Green 干涉仪 激光干涉位移传感器激光干涉位移传感器激光面形测量仪激光面形测量仪激光测长干涉仪 激光面形测量仪激光面形测量仪激光平面干涉仪激光平面干涉仪基于激光平面干涉技术的元件面形偏差检测系统设计基于激光平面干涉技术的元件面形偏差检测系统设计 1. 光学元件面形偏差检测光学元件面形偏差检测 干涉图干涉条纹顺序的辨识干涉图干涉条纹顺序的辨

5、识 均值法，该法将每一象素点的灰度值设置为该点邻域窗均值法，该法将每一象素点的灰度值设置为该点邻域窗口内的所有象素点灰度值的平均值口内的所有象素点灰度值的平均值(或加权平均值或加权平均值)，所采用，所采用的窗口大小一般为的窗口大小一般为33、55、77，实际运用中，根，实际运用中，根据条纹走向采用灵活的窗口大小，往往可得到比较理想的据条纹走向采用灵活的窗口大小，往往可得到比较理想的结果；结果；中值滤波法，该法是一种非线性平滑技术，它将每一象中值滤波法，该法是一种非线性平滑技术，它将每一象素点的灰度值设置为该点邻域窗口内的所有象素点灰度值素点的灰度值设置为该点邻域窗口内的所有象素点灰度值的中值，

6、中值滤波法对消除椒盐噪音非常有效，在光学测的中值，中值滤波法对消除椒盐噪音非常有效，在光学测量条纹图像的相位分析处理方法中有着特殊的作用，但在量条纹图像的相位分析处理方法中有着特殊的作用，但在条纹中心分析方法中作用不大；条纹中心分析方法中作用不大； 滤波滤波干涉条纹处理步骤：干涉条纹处理步骤：1、滤波、滤波2、求阈值、求阈值3、二值化、二值化4、提取干涉条纹的条纹中心线、提取干涉条纹的条纹中心线5、对条纹进行跟踪、标记、对条纹进行跟踪、标记6、获取面形信息、获取面形信息0011000011100101000101G(i,j)01计算各条线上的灰度平均值和灰度均方差值，灰度均方差计算各条线上的灰

7、度平均值和灰度均方差值，灰度均方差最小的方向线为条纹的切线方向，当前点的灰度值为条纹最小的方向线为条纹的切线方向，当前点的灰度值为条纹切线方向上的灰度平均值。切线方向上的灰度平均值。 ),(51),(jiGkjiAk| ),(),(|),(jiAkjiGkjiDkGk(i, j)为在第为在第k个方向线上的像素点，个方向线上的像素点， Ak(i, j) 为在第为在第k个方向线上的灰度平均值，个方向线上的灰度平均值，Dk(i, j) 为在第为在第k个方向个方向线上的灰度均方差值，线上的灰度均方差值， ),(51),(jiGkjiAk),(),(jikAjiGk根据干涉条纹图像中像素的灰度值，可以通

8、过选根据干涉条纹图像中像素的灰度值，可以通过选取一个合适灰度值作为对该图像进行二值化的阈取一个合适灰度值作为对该图像进行二值化的阈值，然后令该图像中灰度值小于该阈值的像素取值，然后令该图像中灰度值小于该阈值的像素取值为值为0，大于该阈值的像素取值为，大于该阈值的像素取值为255。 对不同暗条纹上的中心点进行标识，就可标识不同对不同暗条纹上的中心点进行标识，就可标识不同条纹。最后采用曲线拟合法对这些暗条纹的中心线条纹。最后采用曲线拟合法对这些暗条纹的中心线进行拟合。进行拟合。 miyxpaaaaiiQ123210)(),(xaxaxaaxp332210)(由多元函数极值原理可知，通过求取由多元函

9、数极值原理可知，通过求取minQ(a0，a1，a2，a3)确定系数确定系数a0，a1，a2，a3后，就可得到较平滑的、连续的暗条纹的后，就可得到较平滑的、连续的暗条纹的中心线中心线面形偏差的定义可知：被检光学表面相对于参考光学面形偏差的定义可知：被检光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏差，即光圈。表面的偏差称面形偏差，即光圈。 12 . 0112 . 01kiikiippHhHhN2. 激光平面干涉测量装置的设计激光平面干涉测量装置的设计 激光出射单元、光强调节单元、光束转向单元、光束干激光出射单元、光强调节单元、光束转向单元、光束干涉单元、光束成像单元、干涉条纹图像检测与分析单元。涉单元

10、、光束成像单元、干涉条纹图像检测与分析单元。 3. 光学元件面形检测软件系统设计光学元件面形检测软件系统设计 光刻机调焦调平激光检测系统设计光刻机调焦调平激光检测系统设计 光刻机调焦调平激光检测的基本原理光刻机调焦调平激光检测的基本原理 光刻机工作前，先通过吸盘机械手将准备曝光的硅片放置于承片光刻机工作前，先通过吸盘机械手将准备曝光的硅片放置于承片台上，然后由调焦调平激光检测对该硅片进行检测，根据检测的台上，然后由调焦调平激光检测对该硅片进行检测，根据检测的结果控制相应的工作台动作，由该工作台对硅片表面相对于投影结果控制相应的工作台动作，由该工作台对硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量

11、进行调节，当完成对硅片调焦调平物镜焦平面的高度值和倾斜量进行调节，当完成对硅片调焦调平时，光刻机调焦调平激光检测系统通知硅片曝光系统对曝光区域时，光刻机调焦调平激光检测系统通知硅片曝光系统对曝光区域进行曝光。光刻机调焦调平激光检测采用调焦传感器和调平传感进行曝光。光刻机调焦调平激光检测采用调焦传感器和调平传感器，将检测分为调焦传感单元和调平传感单元器，将检测分为调焦传感单元和调平传感单元 .投影光刻机的研究，发现它有两个最基本的投影光刻机的研究，发现它有两个最基本的参数，一个是参数，一个是分辨率分辨率R和另一个是和另一个是焦深焦深DOF(depth of focus)，它们与曝光波长、表示，它

12、们与曝光波长、表示收集衍射光的能力的数值孔径收集衍射光的能力的数值孔径NA、工艺因子、工艺因子K1和和K2之间存在着一定的数学关系，即分辨之间存在着一定的数学关系，即分辨率率R与曝光波长和工艺因子与曝光波长和工艺因子K1成正比，而与成正比，而与数值孔径数值孔径NA成反比，而焦深成反比，而焦深DOF与曝光波长与曝光波长和工艺因子和工艺因子K2成正比，而与数值孔径成正比，而与数值孔径NA的平的平方成反比。方成反比。 光束偏移量与硅片被测表面的离焦量存在的光束偏移量与硅片被测表面的离焦量存在的数学关系数学关系 sin21MZSS1为探测器检测到的离焦光束的偏移量，为探测为探测器检测到的离焦光束的偏移

13、量，为探测光束在硅片上的入射角，光束在硅片上的入射角，M为透镜为透镜L2的放大倍率。的放大倍率。 探测器检测到的光强与探测器检测到的离焦探测器检测到的光强与探测器检测到的离焦光束的偏移量之间存在数学关系光束的偏移量之间存在数学关系 xxdZZZZ24321yydZZZZ24321Z1、Z2、Z3和和Z4分别为投影光斑分别为投影光斑1、2、3和和4相对于投影物镜焦平面的距离相对于投影物镜焦平面的距离 调节控制单元主要包括高速多通道数据采集卡、调节控制单元主要包括高速多通道数据采集卡、计算机、计算机、D/A数据转换卡、三个数据转换卡、三个PZT执行器、执行器、三个三个PZT驱动器。驱动器。 软件设计软件设计 工控机的配置为：工控机的配置为：P4CPU、1GB内存和内存和60GB硬硬盘以上；操作系统采用盘以上；操作系统采用Microsoft Windows XP；开发工具为开发工具为LabVIEW 8.0。根据系统实现的功能进行软件设计，这些功能根据系统实现的功能进行软