基于光电检测技术的玻璃间距测量方法的研究

1、基于光电检测技术的玻璃间距测量方法的研究王路（长春理工大学,S090200238）摘要:本文主要研究基于光电检测技术的透明玻璃间距测量方法和实验装置。本测量系统由激光光源、光学系统像采集系统及光点位置估算系统组成。本文主要讨论了采用重心估算法(CCP)和傅立叶相位偏转法(FPS)计算光点的位此外,为了验证上述理论的可行性,本研究利用计算机软件模拟并讨论了噪声信号对上述2种光电估算法的影响。关键词:重心估算法，傅立叶相位偏移法，光电检测Research on gap of glass plates using optoelectronic detection techniquewanglu(Ch

2、aqngchun University of Science and Technology, S090200238)Abstract :In this paper an opto-electrical system was developed to measure the gap of glass plates. Themeasurement system includes a laser light source ,lens module , image capturing system and estimation system of the position of light spots

3、. The algorithm for calculating the position of light point ,including centric calculation method (CCM) and Fourier phase shift (FPS) is discussed. Furthermore ,to verify the feasibilityof the algorithm ,simulation experiments were used and the contribution of the noise to the influence on accuracy

4、for the CCM and FPS was discussed.Keywords :center calculation method ，Fourier phase shift ，optoelectronic detection1. 引言近年来,半导体技术及平板显示器产业在国家建设中扮演了非常重要的角色。LCD显示屏是平板显示器的核心部件。早期的LCD曝光机为了控制掩模和基底之间的间距,必须在掩模上贴一层特殊的透明薄膜并在曝光前将基底紧贴该薄膜,以便获得良好的曝光效果。但是由于传统曝光工艺为直接接触方式,薄膜极易磨损,从而影响曝光质量。为了克服上述问题,需要实现对薄膜间距的实时测量。图 1

5、 LCD 生产线上的装配工艺示意图目前已有光点位置测量系统有PSD系统、CCD系统。PSD系统结构如图1所示 ,其光点位置测量的方法如图2(a)所示 ,它是利用光电位置变化时X1及X2两端的电流发生变化的原理来测量物体的位移 ,优点是响应速度快 ,但缺点是容易受到噪声干扰而无法测量多层反射的光点。CCD系统是利用光点位置变化时CCD 所测量到的光强分布曲线也发生变化 ,此变换的差值可通过光强分布曲线峰值的测量得到 ,如图2(b)所示,优点是可测量多层反射的光点 ,但缺点是响应速度较慢。图 2 (a) PSD 光电位置检测系统示意图; (b) CCD 光电位置检测系统示意图随着计算机技术和图像采

6、集系统的不断发展,基于个人计算机的光点位移检测系统得到广泛的重视。本测量系统即为基于光电检测技术的透明玻璃间距测量装置。如图3所示,本测量系统包括激光光源、光学系统、图像采集系统及光点位置计算软件。本系统不仅可以测量微小间隙 ,也可用于光学器件的厚度和微小位移的测量。图 3 光点位移检测系统原理图2. 激光光束发射光强度分析为了事先确定激光光束的反射光强度分布情况 ,如图4所示,利用光学波动理论推算R1、R2、R3、R4 及R5的发射光强度。图4 反射光强度分布状况示意图从光的波动理论可知:振幅反射率s分量 r=n1cos1 - n2 cos2n1 cos1+n2 cos2 (1)振幅反射率

7、p分量: r=n2cos1 - n1 cos2n2 cos1+n1 cos2 (2)振幅透射率s分量: t=2n1cos1n1 cos1+n2 cos2 (3)振幅透射率p分量: t=2n1cos1n2 cos1+n1 cos2 (4)因所使用的激光束为非偏振光源 ,假设其p分量和s 分量的能量等于入射能量的一半,所以入射光的有效反射率为:=12s+p=12n1cos1 - n2 cos2n1 cos1+n2 cos22+(n2cos1 - n1 cos2n2 cos1+n1 cos2)2 (5)若忽略介质的吸收率 ,则:+= 1 (6)式中:为入射光的透射率。假设:入射角= 30°

8、 ; n1 = 1 ; n2 = 1. 52 (忽略玻璃的色散常数) ,则根据式(6)加以推导 ,可得到如图5 所示结构 ,由此结果可进一步求得: R1R2R3R4R5 = 35. 420. 62816. 20图 5 发射光强度分布理论计算结果经线强度轮廓分析试验验证 ,结果如图6所示 ,R1、R2、R3 及R4 反射光强度的相关比率为: R1R2R3R4 = 28242623图6 发射光线强度轮廓测量结果3. 激光束反射光几何尺寸分析为了求得激光束的反射光R2 与R3 的间距尺p与两片玻璃间距尺寸gap的几何关系 ,根据几何光学的发射定律和折射定律,可求得: gap=p2sin1 (7)这里

9、我们重点讨论采用重心估算法(CCM)和傅立叶相位偏置法(FPS)来计算光电的位置。3. 1 重心估算法,CCM我们可以通过测量如图7所示的光强分布函数u( x) 的中心位置x来计算光点的位置: x=-xu ( x) d x-u( x) d x （8） 图 7 重心估算法示意图3. 2 傅立叶相位偏转法( FPS)此方法利用傅立叶变换的偏移性质来估算光电位置的偏移量。如图8所示, f ( x) = f ( - x) , 其傅立叶变换F(s)的相位F(s) = 0 ,假设:u( x) = f ( x -x) （9）则 u( x) 的傅立叶变换为:U ( s) = exp ( - i2s x ) F

10、( s) （10）U ( s) = - 2s x (11)图 8 傅立叶相位偏移法示意图若此函数在j 0 , N 区间进行采样 ,利用离散傅立叶变换计算,可求得正频率区间内的相位值: （j)=-2jNTx (12)式中: j = 0 ,1 ,2 , ,N2, T 为采样周期, N 为偶整数。再利用所求出的相位值, 求得最佳斜率2 <x > , 而< x > 即为最佳重心位置。4. 系统仿真为了模拟上述2种光点位置估算方法的效果,本研究假设成像的图样为光学系统较常见的2种光强分布图样 ,分别为:4.1 高斯图形分布如图9所示 ,其表达式如式(13)所示:u = u0exp

11、pz+kr22q(z) (13)式中: p (z) 为相位,1q=1R+j(2) .4. 2 艾里图形分布如图10所示 ,艾里图形是圆形屏幕衍射光学系统在夫琅和费(Frauhofer)近轴及远场的点扩展函数(point spread function) ,其表达式如式(15) 所示: Ir=I0J1(r)r2 (14)式中: J1(r)为第一类一阶巴塞尔(Bessel)函数 ,其表达式如式(15)所示: J1r=(-1)2r(n+2k)2n+2kk!(n+k) (15)图 10 艾里图形光强分布图仿真条件和仿真结果如表1表2所示：表1 仿真条件表2 仿真结果通过上述的仿真结果 ,我们可以得到下

12、述结论:1) 当直流分量由0增大到27时,CCM方法的线性误差由0.5增大到1.4 ,而FPS得线性误差由0.07增大到0.35 ,表明信号中的直流噪声对CCM方法影响显著,对FPS方法影响较小。2) 在同样的背景噪声情况下,CCM 方法的线性误差都在0.5至1.4 之间,而FPS仅为0. 07 至0.35之间,表明宽带噪声对CCM 方法影响较FPS方法为大。3) 当光斑分别为艾里图样和高斯图样时,CCM方法的线性误差由1. 3变为1. 4 ; FPS方法的线性误差由0. 28 变0. 35像素,说明艾里图样和高斯图样光斑两者精度相似。5. 结 论本文分别利用CCM 和FPS方法对不同条件下的

13、光斑中心位置进行了仿真计算,由仿真结果可得到如下结论:信号中的直流分量和背景噪声对CCM方法的仿真精度的影响要比FPS大,光斑分布形状对仿真精度影响不大;因此采用 FPS法计算光斑中心位置可以获得较好的测量精度 ,且抗干扰能力较强。本文的数值仿真分析结果,对于提高基于光电检测技术的透明玻璃间距测量实验装置的精度具有积极的理论指导意义。参考文献：1 YU KIO T , TOMOYOSHI N , SHIGENOBU S. Opti2cal system and characteristics of an LCD projector with interleaved pixels using four LCD projectors J . IEEETransactions on Circuit s and Systems for Video Tech2nology ,1995 ,5 (1) :41247.2 蒋洪川 ,张文旭 ,张万里.薄膜磁致伸缩系数计算机辅助测试系统的设计J .电子测量与仪器学报 ,2