2020年光电检测系统设计
光电检测原理与技术课程设计光学准直系统
光电检测原理与技术课程设计光电准直系统一、引言准直系统是利用光学自准原理，利用小角度测量或可转化位小角度测量的一种常用技术测试仪器。
所谓光电准直系统就是光学准直系统与光电技术结合的产物。
它具有测量精度高的优点，在精密，超精密定位方面有重要的作用。
小角度测量有多种方法，本实验主要采用平面反射镜的光学杠杆原理，在探测光斑移动时使用CCD来经行图像的采集。
关键字：光学杠杆光学准直系统望远镜系统照明系统 CCD二、基本原理：（一）光学准直系统的基本原理这部分系统，通常是由光源，位于物镜焦平面上的分划板和物镜三部分组成，望远镜实际上是准直装置的你应用，它是将入射的平行光在其焦平面上，然后再用目镜直接观察光斑的变化。
图2.1 准直系统原理图2.2 望远镜系统工作原理一个准直管和一个望远镜组合，两个装置的光轴在一条直线上，我们将看到从发光点F发出的光线通过准直管的物镜变为平行于主光轴的光束，进入望远镜的物镜之后在汇聚到F点；同样发自焦平面上另一点F1的光线射出准直管后变成方向平行与光轴的光束，它在进入望远镜后汇聚于其焦平面的F1点。
因此，线位移之比等于两系统焦距之比。
由于平行光束成像的位置位移的由他的方向所确定，而不受平行光束在进入透镜前所走过的距离的影响，所以与发光点F及F1相关的像F及F的位置不依赖于准直管和望远镜之间的距离。
在准直管的前面放置一个全反射镜，准直管发出的平行光束再由它本身来接受，就相当与集准直管与望远镜一体，这就是准直的原理。
将一个刻度线的图像以平行光束（准直光）的形式投射到反射镜上，该反射镜将其光束反射回准直系统。
如果反射镜与光轴垂直则光束将返回其自身。
如果反射镜倾斜一个角度α，则其反射光将于2α反射回来。
根据反射光的倾斜程度，自准图像将会以更大的角度发生位移。
通过测量自准直图像在X轴Y轴上的唯一可以测量得反射镜的角度变化。
自准直已为平行光。
其测量结果不受距离的影响。
图2.3 准直管简易图2.1.2 高斯系统为了使目镜不受光源遮挡，高斯系统的自准直仪光路在其光轴上加有析光镜。
光电检测课程设计
光电检测课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握光电检测的基本原理，理解光电效应、光电器件的工作原理及其在检测技术中的应用。
2. 使学生了解不同类型的光电传感器及其特性，能够分析其在实际工程中的应用场景。
3. 引导学生掌握光电检测系统的构建方法，学会进行简单的光电检测系统设计和分析。
技能目标：1. 培养学生运用光电传感器进行数据采集和处理的能力，提高实际操作技能。
2. 培养学生运用所学知识解决实际光电检测问题的能力，提高创新意识和实践能力。
3. 提高学生的团队协作能力，学会在团队中分工合作，共同完成项目任务。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光电检测技术的兴趣，激发学习热情，形成主动学习的态度。
2. 培养学生具有严谨的科学态度和良好的实验习惯，注重实验数据的真实性和准确性。
3. 引导学生关注光电检测技术在生产、生活和社会发展中的应用，认识光电检测技术对社会进步的重要性。
课程性质：本课程为高二年级物理选修课程，结合物理知识和实践操作，注重培养学生的实际应用能力。
学生特点：高二年级学生具有一定的物理基础，思维活跃，好奇心强，具备一定的自主学习能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，通过项目式教学，提高学生的实际操作能力和解决问题的能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 光电检测基本原理：光电效应、光电器件原理、光电传感器工作原理。
教材章节：第二章光电检测技术基础2. 光电传感器类型及特性：光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电管、光电倍增管等。
教材章节：第三章光电器件及其特性3. 光电检测系统构建：系统设计原理、传感器选型、信号处理与分析、应用案例。
教材章节：第四章光电检测系统设计与应用4. 实践操作：光电传感器数据采集、处理与分析，实际应用场景下的检测项目实施。
教材章节：第五章实践操作与案例分析5. 创新设计：结合所学知识，开展小组项目，设计并实现一个简单的光电检测系统。
工程光电探测系统设计方案
工程光电探测系统设计方案一、背景及意义光电探测系统是一种集光学、电子、计算机等多种技术于一体的高新技术系统，能够利用光电传感器对目标物体进行检测、识别、跟踪等操作。
在工程、军事、医疗、安防等领域有着广泛的应用前景。
光电探测系统的设计方案具有重要意义，它决定了系统的性能、可靠性和实用性。
本文将以一种针对军事领域的光电探测系统为例，介绍其设计方案。
二、需求分析1. 任务需求：该光电探测系统主要用于探测和跟踪飞行器、地面目标、水下目标等，能够实时获取目标的位置、速度、姿态等信息。
2. 工作环境：系统将在多种复杂环境下工作，包括昼夜光照变化、恶劣气候条件、高速移动目标等。
3. 精度要求：系统对目标的探测、识别和跟踪需具备较高的精度，能够满足军事需求的作战指挥要求。
三、系统结构设计1. 组成模块：光电探测系统主要由光学模块、电子模块、数据处理模块、控制模块组成。
2. 功能描述：光学模块负责捕捉目标的光信号，将其转化为电信号；电子模块负责信号放大、滤波、数字化处理；数据处理模块负责对目标进行识别、跟踪、定位计算；控制模块负责系统的运行控制和指令传输。
四、技术实现方案1. 光学模块：选用高灵敏度、高分辨率的光学传感器，采用光学滤波、聚焦、变倍等技术，以获得清晰、准确的目标图像。
2. 电子模块：采用低噪声、高增益的放大器、滤波器等元件，保证光信号的清晰度和稳定性。
3. 数据处理模块：采用先进的图像处理算法，如边缘检测、目标识别、运动跟踪等技术，对捕捉到的光学信号进行处理，提取目标信息。
4. 控制模块：引入先进的控制算法，实现对光学模块、电子模块、数据处理模块的无缝控制和协同工作。
五、系统性能指标1. 光学性能：分辨率≥30lp/mm，灵敏度≥0.1Lux，变焦范围≥20倍。
2. 电子性能：信噪比≥60dB，增益范围±20dB，输出动态范围≥5V。
3. 数据处理性能：目标识别准确率≥95%，跟踪误差≤1像素，处理帧率≥30fps。
光电探测器测试系统的设计与实现
光电探测器测试系统的设计与实现光电探测器是光电传感器的一种，具有灵敏度高、响应速度快、寿命长等优点，广泛应用于太阳能电池、光通信、光电计量等领域。
而光电探测器测试系统则是为了保证其电性能、响应速度、光灵敏度等性能指标的可靠性而开发的。
在此，将详细探讨光电探测器测试系统的设计与实现。
第一部分：系统概述本测试系统主要用于测试二极管和光电倍增管两类光电探测器，主要包括测试样品的加工、测试电路的设计、仪器的选型以及软件的编写等方面。
第二部分：测试样品的加工在测试之前，需要将探测器元件进行加工操作。
以无源二极管为例，需要将其镀金，同时在基片上进行蚀刻等加工措施；对于光电倍增管，则需要在其光阴极表面进行钝化处理等。
第三部分：测试电路的设计测试电路主要包括控制电路和信号放大电路。
对于控制电路，其主要作用是提供测试样品的偏压、校零等信号。
而信号放大电路则是用于将探测器所感应到的微弱信号放大到一定程度以便进行观测、测量。
第四部分：仪器的选型一般而言，光电探测器测试系统需要搭配不同的测量仪器，以满足不同精度和频率要求。
测量仪器选型的关键在于要根据实际测试需求，选择性能优良的设备。
而一般的仪器包括示波器、信号源、频谱分析仪等。
第五部分：软件的编写最后一步需要编写测试软件，对测试仪器以及测试电路进行控制。
同时，软件需要具备提供数据的功能，包括实际测量的参数值、校准参数值等。
需要注意的是，为了准确表示的数据，需要使用经过滤波和计算的数据来提高数据精度。
第六部分：系统集成和测试验证经过以上措施，光电探测器测试系统的硬件和软件都已经初步完成。
但是，为了验证系统的可靠性以及实际测试效果，需要对其进行测试验证。
测试操作需要结合标准探测器进行，确保测试精度和稳定性，验证系统的性能指标是否符合实际生产需要。
总结：通过以上论述，我们可以明确光电探测器测试系统的设计和实现流程。
光电探测器测试系统设计的核心在于测试电路的设计和选型，而研发出功能完备、精准稳定的测量系统，对于提高光电器件的制造和研究质量起着至关重要的作用。
纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计
㊀２０２０年㊀第１２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．１２㊀基金项目：国家科技重大专项（２０１７ＺＸ０２１０１００６－００３）收稿日期：２０１９－１２－１０纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计龚士彬１，２，３，谢冬冬１，３，武志鹏１，３，宗明成１，２，３（１．中国科学院微电子研究所，北京㊀１０００２９；２．中国科学院大学，北京㊀１０００４９；３．中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室，北京㊀１０００２９）㊀㊀摘要：针对光刻机调焦调平传感器的高实时性数据采集的设计需求，设计了一种多通道同步采集的光电探测系统㊂该系统使用ＦＰＧＡ作为数据处理和逻辑控制核心，实现了２１个通道测量数据的实时采集和高速传输，与硅片台位置同步以保证测量数据与被测位置间的同步性，利用高速差分串行传输和ＰＣＩｅ协议完成数据的高速传输，并由上位机软件保存数据㊂实验结果证明该系统测量精度好于４ｎｍ，并可稳定采集调焦调平传感器的测量结果㊂关键词：光刻机；调焦调平；探测系统；同步性；实时数据采集；多通道中图分类号：ＴＰ２７４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）１２－０００６－０４ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＤｅｔｅｃｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＦｏｃｕｓｉｎｇａｎｄＬｅｖｅｌｉｎｇＳｅｎｓｏｒｉｎＮａｎｏｓｃａｌｅＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＧＯＮＧＳｈｉ⁃ｂｉｎ１，２，３，ＸＩＥＤｏｎｇ⁃ｄｏｎｇ１，３，ＷＵＺｈｉ⁃ｐｅｎｇ１，３，ＺＯＮＧＭｉｎｇ⁃ｃｈｅｎｇ１，２，３（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ；２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ；３．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｖｉｃｅｓ＆ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓｉｎｔｈｅｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｓｙｓｔｅｍ，ａｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡａｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ２１ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｓａｎｄｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓ⁃ｓｉｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｗａｆｅｒｓｔａｇｅｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｒｉａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＰＣＩｅｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗｈｅｎｓａｖｉｎｇｄａｔａｔｏｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ４ｎｍ，ａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｓｔａｂｌｙｃｏｌｌｅｃｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇｓｅｎｓｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｍａｃｈｉｎｅ；ｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇ；ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ０㊀引言光刻机是集成电路生产制造过程中的关键设备之一㊂提高光刻机曝光分辨率通常有两种方式 缩短光源波长λ和增大数值孔径ＮＡ，但同时会造成镜头的焦深范围变小［１］㊂在２０／１４ｎｍ节点，关键光刻层的焦深已经只有６０ｎｍ左右，曝光时的对焦精度必须控制在１０ｎｍ以下［２］㊂为保证不离焦，光刻机在测量位置测量晶圆表面形貌，在曝光位置调整其曝光时的姿态［３］㊂光刻机利用调焦调平传感器测量晶圆高度，主流厂商都采用了基于光学三角法的测量技术［４］㊂ＡＳＭＬ公司的调焦调平传感器采用了归一化分时差分测量方法，将一组差分形式的测量光斑由光弹调制器分时成像在光电探测器上［５－７］㊂计算机根据测量结果计算出晶圆高度，绘制出晶圆表面的形貌图㊂国内研究机构和ＳＭＥＥ公司的光刻机均采用ＶＭＥ控制系统控制调焦调平传感器实现硅片形貌的测量和对焦控制㊂上述的调焦调平实现方法存在２个导致同步性差的因素：在分时差分测量方法中，前后两次所采数据实际对应晶圆上的不同位置，从而产生时延误差；操作系统的任务调度存在延时，造成测量的晶圆形貌与实际的晶圆形貌存在偏移㊂针对分时差分测量的缺点，本文提出一种基于空间分光的调焦调平传感器同步光电探测系统㊂本探测系统采用多通道同步采集方法进行光电转换，解决㊀㊀㊀㊀㊀第１２期龚士彬等：纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计７㊀㊀分时采集造成的时延误差；并针对软件延时造成的形貌偏差问题，在探测系统上引入硅片台位置同步机制，即使用硬件电路保存硅片台位置㊂１㊀调焦调平实现原理调焦调平传感器利用光学三角法和空间分光技术测量晶圆表面各个曝光区域内的高度，硅片台根据该高度数据调整晶圆的位置和姿态，以保证曝光区域位于焦深范围内㊂光学三角法的测量原理如图１所示，其中Ａ㊁Ｂ分别为投影光栅和探测光栅，ｈ１㊁ｈ２对应同一反射面在不同时刻的表面位置㊂在给定入射角α时，若反射面向下移动距离ｈ，反射光的位置对应移动Δｘ㊂根据式（１）所示的几何关系可算得反射面的相对位置㊂ｈ＝Δｘ２ｓｉｎα（１）空间分光的过程如图２所示，投影光栅的条纹由双远心成像系统成像在晶圆表面，晶圆表面反射后再次经过双远心成像系统成像在探测光栅㊂探测光栅图１㊀光学三角法高度测量原理图的前面板依次粘贴着偏振片和分光晶体，于是投影光栅像由偏振片起偏，分光晶体将起偏的投影光栅像分离为在垂直方向上相差半个条纹周期的ｏ光和ｅ光，如图２（ｂ）所示㊂随后经探测光栅调制形成图２（ｄ）所示条纹㊂根据光学三角法原理，晶圆表面高度的变化会造成投影光栅像在垂直于光栅条纹的方向上移动，从而改变调制后ｏ光和ｅ光通过探测光栅的比例㊂光栅像进入光电探测器前，利用渥拉斯顿棱镜将ｏ光与ｅ光在空间上完全分开，探测器即可同时采集ｏ光与ｅ光条纹的光强值㊂㊀（ａ）投影光栅像㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）半周期分光㊀㊀㊀㊀㊀（ｃ）经过探测光栅㊀㊀㊀㊀（ｄ）探测光栅像㊀（ｅ）空间分光图２㊀空间分光示意图空间分光后的ｏ光㊁ｅ光光强为Ｉｏ＝（Ｎ－｜Δｘ｜Ｐ）ｃ４｛Ｐ２［１＋２ｓｉｎｃ２（１２）］＋４Ｐπｓｉｎｃ（１２）ｓｉｎ（２πＰΔｘ）｝（２）Ｉｅ＝（Ｎ－｜Δｘ｜Ｐ）ｃ４｛Ｐ２［１＋２ｓｉｎｃ２（１２）］－４Ｐπｓｉｎｃ（１２）ｓｉｎ（２πＰΔｘ）｝（３）式中：Ｐ为光栅周期，μｍ；Ｎ为光栅条数；ｃ为组件（偏振片＋分光晶体）的透过率；Δｘ为晶圆表面高度的位移量，μｍ［８］㊂根据上述公式绘制晶圆表面高度与光强的关系曲线（图３），图（３）中Ｉｏ为ｏ光光强的归一化值，Ｉｅ为ｅ光光强的归一化值㊂０μｍ位置处ｏ光与ｅ光光强曲线相交，且为所有交点中的最大值，即在零位时ｏ光㊁ｅ光光强有最大的相等值㊂图３㊀光强与晶圆表面高度关系仿真晶圆表面高度值的计算公式为ｈ＝Ｇ（Ｉｅ－Ｂｅ）－（Ｉｏ－Ｂｏ）（Ｉｅ－Ｂｅ）＋（Ｉｏ－Ｂｏ）（４）式中：Ｂｅ与Ｂｏ为探测器的背景噪声；Ｇ为比例系数㊂Ｇ同光栅周期Ｐ㊁测量光入射角α的关系为㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｃ．２０２０㊀Ｇ＝Ｐ／４２ｓｉｎα（５）基于上述空间分光测量原理以及调焦调平传感器的精度需求，设计了一种高精度㊁高实时性㊁多通道同步采集的光电探测系统㊂２㊀光电探测系统设计２．１㊀探测系统总体设计光电探测系统由光电二极管阵列㊁数据采集板㊁ＰＣＩｅ板和上位机软件组成，图４为总体框图㊂光电二极管阵列由紧凑排列的２１个高灵敏度探测区域组成，可将６００ １０００ｎｍ波长的光强值转换为电流信号，包括９对ｏ光㊁ｅ光探测区和３个粗对准探测区㊂数据采集板根据上位机和硅片台的指令，同步采集光电二极管产生的模拟信号，经１６ｂｉｔＡＤＣ模数转换后以数字信号的形式发送至位于上位机主板上的ＰＣＩｅ板㊂数据通过高速串行链路向ＰＣＩｅ板发送时，利用ＳＥＲＤＥＳ芯片以１０ｂｉｔ串并转换的方式，将高两位分别作为 测量数据有效 和 温度数据有效 控制信号，每个时钟发送１个字节的数据，保证每次采样完成后，将包括温度数据在内的４４个字节数据以ＭＳＢ方式有序传输㊂ＰＣＩｅ板从高速串行链路上恢复来自数据采集板的数据至片上ＲＡＭ，再通过ＰＣＩｅ协议发送至上位机，上位机上的光电探测系统测试程序可对数据进行保存㊂图４㊀总体关系图为了克服造成探测系统精度下降的两个因素：ｏ光与ｅ光之间存在采样延迟㊁硅片台实际位置与采样位置偏离，文中采用了 多通道同步采集 和 硅片台同步触发 这两项针对性设计㊂２．２㊀多通道同步采集设计传统的探测系统采集光强信号时采用分时采集的方式，每组ｏ光与ｅ光由同一个ＡＤＣ在间隔１μｓ的２个时刻先后采样㊂例如，在１ｘｎｍ光刻机内，为实现２５０／ｈ的产率，要求扫描速度为８００ｍｍ／ｓ［９］㊂依照该扫描速度，两次采样的实际位置相差８００ｎｍ㊂根据式（４）计算可知，对于时刻０位置的高度测量结果，由分时采集方式造成的偏差值约为时刻０与时刻１两个位置之间高度差值Δｈ的一半，即时刻０位置的测量值为真实值ｈ与偏差量Δｈ／２的和，这种偏差将在ｎｍ尺度下影响测量的精确性㊂本设计则采用同步采集方式，在收到采样脉冲后，探测系统同步采集２１路光强信号，克服了上述分时电路造成的测量结果偏差㊂２．３㊀硅片台同步触发设计本设计针对硅片台位置与实际采样位置存在的偏差，在探测系统上引入了硅片台同步信号㊂相比于使用软件读取硅片台位置，由探测系统的硬件电路接收硅片台的位置信号可减少软件处理信息所带来的延时问题，且硬件电路的延时较稳定㊂控制硅片台常用的操作系统是ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式系统，操作系统内任务切换时间最高接近２μｓ［１０］㊂本设计使用触发器电路处理硅片台同步信号的执行时间可缩小到百ｎｓ以内㊂具体实现方法是为硅片台的运动路径建立坐标，并对硅片台的控制电路进行编程：当运动至预定的测量位置时发出同步信号，光电探测系统处理这个同步信号时使用一个触发器提取出其上升沿，根据该上升沿触发数据采集和硅片台位置更新，硅片台位置更新由计数器实现㊂光电探测系统的实物如图５所示，数据采集板和ＰＣＩｅ板之间的互连线内集成了高速串行传输链路㊁１２Ｖ／２０Ｖ供电㊁ＲＳ４８５传输线㊂数据采集板的三段式柔性连接有利于位置固定和节省空间㊂图５㊀光电探测系统实物图３㊀实验验证３．１㊀背景噪声测试探测系统背景噪声数据如图６（ａ）所示，总计１８路探测光路数据和３路捕获光数据，图中选取了噪声最为明显的ｏ７光路㊂对连续的５００次采样数据进行㊀㊀㊀㊀㊀第１２期龚士彬等：纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计９㊀㊀分析后得到该噪声数据的３σ值为０．２５ｍＶ，该结果很好地满足了调焦调平实验平台对光电探测系统所规定的１ｍＶ指标要求㊂根据该数据进行精度分析㊂Ｉｏ＋Ｂｏ㊁Ｉｅ＋Ｂｅ两项与探测系统的输出的电压值之间为线性关系，因此直接将ｏ７光路数据及其对应的ｅ７光路数据带入式（４）中得到图６（ｂ）的高度曲线，可知探测系统在最糟糕情况下的高度数据３σ为３．７２ｎｍ，探测系统的噪声对精度的影响在ｎｍ量级㊂（ａ）原始电压值（ｂ）高度计算值图６㊀探测系统背景噪声３．２㊀硅片台同步触发测试利用Ｖｉｖａｄｏ集成逻辑分析仪（ＩＬＡ）在线抓取硅片台同步脉冲信号ＳＹＮＣ＿ＳＩＧ㊁硅片台同步脉冲边沿检测信号ＳＹＮＣ＿ＰＯＳ㊁硅片台位置计数器ＰＯＳＩＴＩＯＮ㊁采集信号ＤＡＴＡ＿Ｅ０ ＤＡＴＡ＿Ｅ８和ＤＡＴＡ＿Ｏ０ ＤＡＴＡ＿Ｏ８㊂如图７所示，游标Ｔ所在时刻，光电探测系统接收到ＳＹＮＣ＿ＳＩＧ输入脉冲，ＳＹＮＣ＿ＰＯＳ寄存器提取出输入脉冲的上升沿作为采集的启动信号和硅片台位置更新的信号，等待ＡＤＣ芯片完成模数转换后更新测量数据㊂从硅片台位置脉冲到达光电探测系统开始至硅片台位置更新，这个过程的延迟为６０ ８０ｎｓ，延迟主要产生在异步信号的处理过程㊂图７中采样结果的产生时刻也表明ｏ光与ｅ光为多通道同步采样㊂３．３㊀调焦调平在线测试在调焦调平实验平台上对探测系统进行测试，测试结果如图８所示，放置晶圆的位移台在Ｚ方向上从相对调焦调平实验平台零位的下方７５μｍ处向上移动至零位的上方７５μｍ处，复现了图３的仿真曲线㊂测试结果中的偏置是由于光学背景噪声和机械装配误差造成的，但因为测量信号的形式是差分光强，所以共模干扰不会对计算结果产生影响㊂图７㊀硅片台同步触发信号时序图图８㊀探测系统测量结果４㊀结束语本文基于ＦＰＧＡ设计了一种用于光刻调焦调平传感器的光电探测系统，实现了实时采集光刻调焦调平传感器测量数据㊂根据空间分光原理对２１路模拟数据同步采集，解决了分时采集所产生的时延误差；引入硅片台同步信号，提高了测量值与测量位置之间对应的精度；并针对探测系统背景噪声和（下转第１５页）㊀㊀㊀㊀㊀第１２期师琪等：基于光纤光栅传感器的智能螺栓开发及应用１５㊀㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ａｎｄＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍｓ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２００５，５７６５：３６４－３７６．［２４］㊀ＡＭＥＲＩＮＩＦ，ＢＡＲＢＩＥＲＩＥ，ＭＥＯＭ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｌｏｏｓｅ⁃ｎｉｎｇ／ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｏｆｃｌａｍｐｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒｖｉｂｒａ⁃ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１０，１９（８）：０８５０１３．［２５］㊀ＲＥＮＬ，ＦＥＮＧＴ，ＨＯＭ，ｅｔａｌ．Ａｓｍａｒｔ ｓｈｅａｒｓｅｎｓｉｎｇ ｂｏｌｔｂａｓｅｄｏｎＦＢＧｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１８，１２２：２４０－２４６．［２６］㊀ＬＩＨＮ，ＬＩＤＳ，ＳＯＮＧＧＢ．Ｒｅｃｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｓｔｏｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｃｉｖｉｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００４，２６（１１）：１６４７－１６５７．［２７］㊀ＲＡＯＹＪ．Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｉｎ⁃ｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓａｎｄｌａｓｅｒｓｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，３１（４）：２９７－３２４．［２８］㊀ＰＥＩＨＦ，ＴＥＮＧＪ，ＹＩＮＪＨ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒｓｉｎｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１４，５８：２０７－２１４．［２９］㊀ＬＡＵＫＴ．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒｓｍａｒｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｓｉｎｇｅｍｂｅｄｄｅｄＦＢＧｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３０（１３）：１６４２－１６５４．［３０］㊀ＲＯＶＥＲＩＮ，ＣＡＲＣＡＴＥＲＲＡＡ，ＳＥＳＴＩＥＲＩＡ．Ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｍｏ⁃ｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｒａｉｌｗａｙｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１５，６０：１４－２８．［３１］㊀黄永阔．基于光纤光栅的高温法兰螺栓紧固力测量技术研究［Ｄ］．上海：华东理工大学，２０１７．［３２］㊀王永洪，张明义，张春巍，等．夹持式封装低温敏ＦＢＧ应变传感器的设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１８，３１（３）：３４７－３４９．［３３］㊀任亮，李宏男，胡志强，等．一种增敏型光纤光栅应变传感器的开发及应用［Ｊ］．光电子．激光，２００８（１１）：１４３７－１４４１．［３４］㊀任亮，姜涛，李东升，等．微型ＦＢＧ应变传感器在大坝模型试验中的应用［Ｊ］．振动．测试与诊断，２０１３，３３（２）：２７７－２８３；３４１．［３５］㊀贾子光，任亮，李宏男，等．应用光纤光栅传感器监测复合材料固化过程［Ｊ］．中国激光，２０１０，３７（５）：１２９８－１３０３．［３６］㊀ＲＥＮＬ，ＣＨＥＮＪ，ＬＩＨＮ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｔｈｅｓｍａｌｌ⁃ｓｃａｌｅｄａｍｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００９，１８（３）：０３５０１５．［３７］㊀徐望国，罗青，杨智，等．衡阳市湘江盾构隧道管片结构受力分析［Ｊ］．矿业工程研究，２０１８，３３（３）：５８－６３．［３８］㊀林荣安，刘伯莹．富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究［Ｊ］．中国公路学报，２０１８，３１（９）：１１２－１１８．［３９］㊀姜燕，杨光华，陈富强，等．湛江湾高水头跨海盾构隧道管片结构典型断面受力计算与监测反馈分析［Ｊ］．岩土力学，２０１８，３９（１）：２７５－２８６．［４０］㊀林伟波，杨小平，严振瑞，等．湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析［Ｊ］．隧道建设，２０１６，３６（３）：２８８－２９４．［４１］㊀陈晓坚．跨海地铁盾构隧道管片结构受力分析［Ｊ］．南昌航空大学学报（自然科学版），２０１４，２８（４）：６７－７１．作者简介：师琪（１９９６ ），硕士研究生，主要研究方向为光纤光栅传感器的应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：２７１２０２２９２２＠ｑｑ．ｃｏｍ任亮（１９７９ ），副教授，主要从事结构健康监测的关键技术研究，光纤传感器的开发及应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｒｅｎｌｉａｎｇ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第９页）平台数据采集做了测试㊂结果表明：该系统可以在满足精度要求的条件下稳定地将调焦调平传感器所产生的光强信号采集至上位机，测量精度高于４ｎｍ（３σ），满足调焦调平传感器光电探测系统的设计要求㊂参考文献：［１］㊀姚汉明，胡松，邢廷文．光学投影曝光微纳加工方法［Ｍ］．北京：北京工业大学出版社，２００６：６１－６２．［２］㊀韦亚一．超大规模集成电路先进光刻理论与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１６：１１７－１１９．［３］㊀ＢＯＯＮＭＡＮＭ，ＶＡＮＤＥＶＩＮＣ，ＴＥＭＰＥＬＡＡＲＳＳ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆａｄｕａｌｓｔａｇｅｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．ＳＰＩＥ，２００４，５３７７：７４２－７５７．［４］㊀曾爱军，王向朝，徐德衍．投影光刻机调焦调平传感技术的研究进展［Ｊ］．激光与光电子学进展，２００４，４１（７）：２４－３０．［５］㊀ＭＯＤＤＥＲＭＡＮＴＭ，ＮＩＪＭＥＩＪＥＲＧＪ，ＪＡＳＰＥＲＪＣＭ．Ｏｆｆ⁃ａｘｉｓｌｅｖｅｌｉｎｇｉｎｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎａｐｐａｒａｔｕｓ：７２０６０５８Ｂ２［Ｐ］．２００７－０４－１７．［６］㊀ＤＥＮＢＯＥＦＡＪ，ＢＥＮＳＣＨＯＰＪＰＨ，ＢＲＩＮＫＨＯＦＲ，ｅｔａｌ．Ｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ，ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃａｐｐａｒａｔｕｓ，ａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｒｆａｃｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ：ＵＳ２０１３／００７７０７９Ａ１［Ｐ］．２０１３－０３－２８．［７］㊀ＶＡＮＤＥＲＷＥＲＦＪＥ．Ｏｐｔｉｃａｌｆｏｃｕｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒｆｏｒｗａｆｅｒｓｔｅｐｐｅｒｓ［Ｊ］．ＪＶａｃＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＢ，１９９２，１０（２）：７３５－７４０．［８］㊀孙裕文，李世光，宗明成．基于空间分光的纳米级调焦调平测量技术［Ｊ］．光学学报，２０１６，３６（５）：１０５－１１２．［９］㊀ＢＯＲＮＥＢＲＯＥＫＦ．ＥｘｔｅｎｄｉｎｇＡｒＦｉｉｍｍｅｒｓｉｏｎｓｃａｎｎｅｒｃａｐａｂｉｌｉｔｙｉｎｓｕｐｐｏｒｔｏｆ１ｘｎｍｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｎｏｄｅｓ［Ｃ／ＯＬ］．ＳＰＩＥＡｄｖａｎｃｅｄｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ．（２０１４－０３－０５）．ｈｔｔｐ：／／ｓｔａｔｉｃｗｗｗ．ａｓｍｌ．ｃｏｍ／ｄｏｃｌｉｂ／ｍｉｓｃ／ａｓｍｌ＿２０１４０３０６＿Ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ＿ＡｒＦｉ＿ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ＿ｓｃａｎｎｅｒ＿ｃａ⁃ｐａｂｉｌｉｔｙ＿ｉｎ＿ｓｕｐｐｏｒｔ＿ｏｆ＿１ｘｎｍ＿ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ＿ｎｏｄｅｓ．ｐｄｆ．［１０］㊀毕延帅．面向双工件台的ＶｘＷｏｒｋｓ实时嵌入式系统设计与优化［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．作者简介：龚士彬（１９９４ ），硕士研究生，主要从事光刻技术与电控方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｇｏｎｇｓｈｉｂｉｎ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ通讯作者：宗明成（１９６３ ），研究员，博士，主要从事光刻技术㊁精密测控技术㊁精密计量等方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｏｎｇｍｉｎｇｃｈｅｎｇ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ。
光电传感器检测系统设计与制作
光电传感器检测系统设计与制作光电传感器检测系统（Optical Sensor Detection System）是一种采用光学技术进行物体检测、识别的技术手段，具有精度高、响应速度快、可靠性好等优点，广泛应用于机械、电子、自动化控制等领域。
本文将介绍一种基于光电传感器的物体检测系统的设计与制作，旨在为初学者提供一些设计思路和操作指南。
一、系统组成该物体检测系统主要由以下几部分组成：1. 光源：发射光信号，一般使用红外线、激光等光源。
2. 接收器：接收被检测物体反射回来的光信号，一般使用光电二极管等器件。
3. 处理电路：对接收到的信号进行放大、滤波、计算等处理，一般使用微处理器、模拟电路等器件。
4. 显示器：将处理后的信号输出，一般使用LED灯等显示器件。
二、系统设计步骤1. 确定检测目标及检测距离：根据实际需求，确定需要检测的物体种类及其距离范围。
该步骤将有助于后续光源和接收器的选择。
2. 选择光源：根据检测需求和检测距离选择合适的光源。
例如，检测距离在5米以内，选择红外线LED灯作为光源；检测距离超过5米，选择雷达等其他光源。
3. 选择接收器：根据光源和检测目标的特点选择合适的接收器。
例如，对于红外线LED光源，选择光电二极管作为接收器。
4. 设计处理电路：根据接收到的信号进行放大、滤波、计算等处理，一般使用微处理器、模拟电路等器件。
这一步骤需要根据实际应用需求进行详细设计，确保检测系统的稳定性和可靠性。
5. 设计显示器件：将处理后的信号输出，一般使用LED灯等显示器件。
该步骤需要将处理后的信号进行转换，输出到LED灯等显示器件上。
三、系统制作要点1. 光源和接收器的布放：将光源和接收器安装在一个平面上，并且保证光源和接收器之间的距离要适当。
同时要将光源和接收器的距离对称放置，以保证信号的稳定性。
2. 处理电路的设计：承担着光电传感器检测系统中的重要组成部分，如果处理电路出现问题，将会影响整个系统的工作状态。
光电测量系统设计报告
光电测量系统设计报告一、引言近年来，光电测量技术在各个领域中得到了广泛的应用和发展。
光电测量系统是一种用于测量光的强度、波长、光谱、光色度等参数的仪器设备。
光电测量系统在光学、电子、材料等领域中有着重要的用途，本报告旨在设计一种基于XYZ色度标准的光电测量系统。
二、设计原理XYZ色度标准是一种广泛应用的颜色空间，它可以将任意颜色转化为线性变换下的三个刺激值。
光电测量系统基于XYZ色度标准的设计主要包括光源、光谱分析仪、光电传感器和数据处理部分。
1.光源：选择高质量的白色LED作为光源，保证光线的稳定性和均匀性。
2.光谱分析仪：采用高分辨率的光谱分析仪，可以准确地分析光源的光谱，并提供基于XYZ色度标准的光谱数据。
3.光电传感器：选择高灵敏度、宽动态范围的光电传感器，可将光信号转换为电信号，并提供给数据处理部分进行处理。
4.数据处理：利用计算机进行数据处理，根据XYZ色度标准进行色度计算，并将结果显示在计算机屏幕上。
三、系统设计与实施1.硬件设计：(1)光源：选择白色LED光源，通过特殊的光学配置保证光线均匀分布，并通过反馈控制保持光源的稳定性。
(2)光谱分析仪：选择高分辨率光谱分析仪，可以快速获取光谱信息，并将光谱数据传输给计算机。
(3)光电传感器：选择高灵敏度、宽动态范围的光电传感器，可以准确地转换光信号为电信号，并传输给计算机。
(4)数据处理部分：利用计算机进行数据处理，设计合适的算法来实现XYZ色度计算，并将结果通过界面显示出来。
2.软件设计：(1)数据采集：通过光谱分析仪和光电传感器实时获取光谱和光强度数据，并传输给计算机。
(2)数据处理：将光谱数据和光强度数据进行处理，基于XYZ色度标准计算RGB刺激值，并将结果转化为色度坐标。
(3)结果显示：将色度坐标显示在界面上，同时提供保存数据的功能，方便后续分析。
四、系统测试与验证进行系统的测试与验证是确保系统设计能够正确实施的重要步骤。
1.灯光源测试：测试光源的稳定性和均匀性，确保在测量过程中光源的参数保持不变。
光电设备检测与调试自动化测试系统设计
光电设备检测与调试自动化测试系统设计摘要：光电设备检测与调试是电子行业中至关重要的环节之一。
为了提高测试效率和准确性，设计一个自动化测试系统是必不可少的。
本文将介绍光电设备检测与调试自动化测试系统的设计，包括硬件配置、测试流程设计、数据处理和结果分析等方面。
1. 引言光电设备广泛应用于通信、能源、医疗和工业等领域，其性能和可靠性对于设备的使用具有重要意义。
在生产过程中，光电设备需要进行严格的检测和调试。
传统的手动测试方式存在测试效率低、测试结果不准确等问题。
因此，设计一个自动化测试系统能够提高测试效率和准确性，大大节省时间和人力成本。
2. 硬件配置自动化测试系统的硬件配置需要考虑到光电设备的特性和测试要求。
主要包括测试仪器、数据采集设备和控制设备。
测试仪器包括光功率计、频谱分析仪、波长计等。
数据采集设备用于采集和传输测试数据，可以选择高速数据采集卡或者USB接口设备。
控制设备可以选择PLC或者单片机等，用于控制测试仪器的操作。
3. 测试流程设计测试流程设计是自动化测试系统的核心，决定了测试的准确性和稳定性。
测试流程应包括以下步骤：(1) 初始化：对测试仪器进行初始化设置，准备开始测试。
(2) 标定：对测试仪器进行定标，确保测试结果的准确性。
(3) 样品加载：将待测样品加载到测试系统中，并确保正确的连接。
(4) 参数设置：设置测试参数，包括光功率、频率、波长等。
(5) 测试：开始自动化测试过程，测试仪器按照设定的参数对样品进行测试。
(6) 数据采集和存储：测试仪器采集到的数据通过数据采集设备传输到控制设备，并存储为文件。
(7) 结果分析：利用计算机软件对测试结果进行分析，得出测试数据的统计结果。
(8) 报告生成：根据测试结果生成测试报告，以便后续使用。
4. 数据处理和结果分析自动化测试系统采集到的数据需要进行处理和分析，以得到准确的测试结果。
数据处理主要包括数据滤波、数据校正和数据合并等步骤。
结果分析可以通过计算机软件进行，包括数据的统计特性分析、图像展示和结果比较等。