CN103323456B - 基于fpga和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，属于分析及测量控制技术领域，由激光光源、光测弹性装置、线阵CCD探测装置组成。本发明设计的一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，利用偏振成像结合光弹法研究蓝宝石衬底中的应力分布和特定晶面上的残余应力，并采用偏振差分算法和FPGA对蓝宝石内应力的分布做到等精度测量和计算，利用前沿的分析及测量控制技术设计，解决了传统测量方法和现在存在的光学测量方法中的技术缺陷问题，为蓝宝石衬底加工工艺优化提供指导。

Description

基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，属于分析及测量控制技术领域。

背景技术

当今半导体照明行业前景光明，各地LED厂商均积极扩展。火热的投资，带动了上游材料的需求量。而蓝宝石是目前运用最广泛，产业化程度最高的LED芯片衬底材料，随着LED产业链下游需求的不断扩大，蓝宝石市场呈现出快速发展趋势。据估计，目前LED芯片上游材料蓝宝石衬底已告紧急缺货。

事实上，在蓝宝石衬底的生产过程中，衬底材料的内部应力分布对相应的器件和结构的性质有着重要的影响。蓝宝石晶体在经过掏晶、切割、研磨等过程，会在晶片衬底中产生残余应力，不仅影响外延生长的晶格质量，而且影响多量子阱外延层的发光效率.一般采用光弹性贴片法，干涉条纹法，x射线衍射法，这些方法大都根据光弹性原理，由于测量中的应力是二阶张量，在很多情况下应力分布是各向异性的，这将对材料的性能产生严重的影响。传统的测量方法往往对材料各向异性应力的测量无能为力。本发明设计的一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，利用偏振成像结合光弹法研究蓝宝石衬底中的应力分布和特定晶面上的残余应力，并采用偏振差分算法和FPGA对蓝宝石内应力的分布做到等精度测量和计算，利用前沿的分析及测量控制技术设计，解决了传统测量方法和现在存在的光学测量方法中的技术缺陷问题，为蓝宝石衬底加工工艺优化提供指导。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，解决了传统测量方法中对材料各向异性应力测量的局限以及和现在存在的光学测量方法中的对材料的性能产生严重影响的问题，为蓝宝石衬底加工工艺优化提供指导，具有原理清晰，测量精度高、易于操作等特点。

基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，其结构由激光光源、光测弹性装置、线阵CCD探测装置组成。

所述的激光光源具有高亮度，高强度，高单色性和高相干性特性，克服了普通光源发光强度弱，难于探测的缺点，并且激光的高相干性为检测蓝宝石的内应力提供了优良测量特性。激光器的波长可以选择1064nm；

所述的光测弹性装置由起偏镜P、检查镜A和光弹性调制器PEM组成。起偏镜P的主轴方向与水平方向成45°，用于把来自光源的光变为偏振光；检查镜A用来检验光波通过的情况。当两偏振片镜轴互相垂直放置时(称为正交平面偏振布置)，形成暗场，通过调整一偏振镜轴为竖直方向，另一为水平方向。当两偏振镜轴及相平行放置时(成为平行平面偏振布置)，则呈亮场。两偏振镜有同步回转机构，能使其偏振周同步旋转。PEM为光弹性调制器，它的主要作用是使通过它的光信号中平行于PEM主轴方向的分量增加一个周期变化的相位；

所述的线阵CCD探测装置由线阵CCD探测器、FPGA模块、ADC、晶振，系统时钟，USB接口芯片，JTAG口、PROM和计算机PC组成，CCD中文全称电荷耦合器件，是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，可测光谱范围为200-1100nm。FPGA模块不仅有数据采集部分，还有信号放大部分，锁相放大器提取CCD探测器测量到的光信号被PEM调制的成份，被提取的信号通过单片机8051软核等精度测量，最后输出给CCD探测器精确信号。

该基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，利用偏振差分算法和FPGA来等精度测量内应力的分布并计算，这能够解决传统测量方法和现在存在的光学测量方法中的技术缺陷问题，为蓝宝石衬底加工工艺优化提供指导。

附图说明

图1是基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统的原理图；

图2-1是FPGA模块原理图中的信号采集部分；

图2-2是FPGA模块原理图中的信号标准定标部分；

图2-3是FPGA模块原理图中的信号等精度测量部分；

具体实施方式

如图1所示，基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，由激光光源(1)、光测弹性装置(2)、线阵CCD探测装置(3)组成。

本发明中激光光源(1)具有高亮度，高强度，高单色性和高相干性特性，克服了普通光源发光强度弱，难于探测的缺点，并且激光的高相干性为检测蓝宝石的内应力提供了优良测量特性。激光器的波长可以选择1064nm。

本发明光测弹性装置(2)由起偏镜P、检查镜A和光弹性调制器PEM组成。起偏镜P的主轴方向与水平方向成45°，用于把来自光源的光变为偏振光；检查镜A用来检验光波通过的情况。当两偏振片镜轴互相垂直放置时(称为正交平面偏振布置)，形成暗场，通过调整一偏振镜轴为竖直方向，另一为水平方向。当两偏振镜轴及相平行放置时(成为平行平面偏振布置)，则呈亮场。两偏振镜有同步回转机构，能使其偏振周同步旋转。PEM为光弹性调制器，它的主要作用是使通过它的光信号中平行于PEM主轴方向的分量增加一个周期变化的相位。

本发明中的线阵CCD探测装置(3)由线阵CCD探测器、FPGA模块、ADC、晶振、系统时钟、USB接口芯片、JTAG口、PROM和计算机PC组成。ADC将CCD探测器探测到的模拟信号转换为12位数字信号输入到FPGA模块；经过FPGA处理过的信号通过转移部分再反馈到CCD探测器显示出图像；USB接口芯片一端与FPGA模块相互连接作用，另一端连接到PC上；PC输出的信号输出到JTAG口，再生成相应的程序代码经PROM输入到FPGA模块；晶振为FPGA模块提供系统主时钟；锁相放大器提取CCD探测器测量到的光信号被PEM调制的成份，被提取的信号通过单片机8051软核等精度测量，最后输出给CCD探测器精确信号。

其中FPGA模块的电路连接如下：ADC和十进制计数器CNT10B共用一个外部时钟；ADC输出的LOCK0信号作为CNT10B的输入信号LOCK0；ADC和CNT10B的输出信号Q[7..0]、DOUT[8..0]分别作为信号采集模块的RAM8B的输入data[7..0]和address[8..0]；信号定标部分的LPM_COMPARE的输出信号agb作为输入信号，输入到等精度测量计算部分中8051单片机核的RAM中，然后将所取的RAM中的数据通过串行口发送到PC机上，利用单片机AT89C51来进行即时的控制和相应的显示数据来定标；锁相环PLL20的输出信号C0作为时钟信号输入到单片机片内256BRAM的inclock；单片机工作时钟设置在90MHz。

本发明基于以下原理：激光光源输出波长为1064nm的高干涉性激光，经过起偏器P形成偏正光，偏振光经过PEM调制后打到待测样品上，再由检偏镜检测后输出到CCD探测器，CCD探测器探测到的模拟信号被ADC转换为12位数字信号输入到FPGA模块，信号经由FPGA采集放大，等精度测量后反馈回CCD输出精确图像，同时信号输入到PC，最后根据算法分析信号，得出蓝宝石内应力的分布，为蓝宝石衬底加工工艺优化提供指导。探测器探测到的信号：

$\frac{{({\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y)}^2{E}^2}{4}\[1+2\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}\right)J_2\left(\mathrm{\φ}\right)cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)+2Im\left(\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}\right)J_1\left(\mathrm{\φ}\right)sin\left(\mathrm{\ω}t\right)\mathrm{......}\]\mathrm{...}\left(1\right)$

其中，J_n(Φ)是n阶贝塞尔函数，Φ是PEM对相位调制的振幅，E为光波经过起偏器后的电矢量大小，Re表示取的实数部分，Im表示取的虚数部分，ω代表角速度，t表示时间，σ_x，σ_y分别为x，y方向上的应力，(1)式忽略了高次项，保留了一倍频和二倍频成分，两者都可以通过锁相放大器同时测出来，知道了Φ值后，就可以同时得到的实部和虚部。而v为探测器的灵敏度，t_x，t_y分别为x，y方向蓝宝石的透射系数。

近似的，t_x＝|t_x|e^iα，t_y＝|t_y|e^iβ，t_x，t_y分别表示|t_x|，|t_y|的模，α，β分别表示x，y方向的透射光与入射光之间的相位差；故 $\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}=\frac{2({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_y)}{{\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y}=2\frac{\left|t_x\right|e^{i\mathrm{\α}}-\left|t_y\right|e^{i\mathrm{\β}}}{\left|t_x\right|e^{i\mathrm{\α}}+\left|t_y\right|e^{i\mathrm{\β}}},$

分母有理化后得到： $\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}=2\frac{{\left|t_x\right|}^2-{\left|t_y\right|}^2+2i\left|t_x\right|\left|t_y\right|\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}{{\left|t_x\right|}^2+{\left|t_y\right|}^2+2\left|t_x\right|\left|t_y\right|cos(\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}\mathrm{...}\left(2\right)$

通过上面公式可以看出，蓝宝石的内应力分布可以由透射系数和x，y方向的透射光与入射光之间的相位差测得。的虚部反应的是x，y方向的相位差，而的实部主要x，y方向的透射光强度差。当α与β相差较小时，当两个方向光透射强度相同时，|t_x|²-|t_y|²＝0，即二倍频为0.对于本方法，和的测量精度可以精确到10^-5。

Claims (1)

1.一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的方法，包括激光光源、光测弹性装置、线阵CCD探测装置，其特征在于：

所述的激光光源具有高亮度，高强度，高单色性和高相干性特性，激光器的波长选择1064nm；

所述的光测弹性装置由起偏镜P、检查镜A和光弹性调制器PEM组成，起偏镜P的主轴方向与水平方向成45°，把来自光源的光变为偏振光，检查镜A用来检验光波通过的情况；当两偏振片镜轴互相垂直放置，为正交平面偏振布置时，形成暗场；当两偏振镜轴为平行平面偏振布置时，则呈亮场；两偏振镜有同步回转机构，能使其偏振周同步旋转；光弹性调制器PEM，使通过的光信号中平行于PEM主轴方向的分量增加一个周期变化的相位；

所述的线阵CCD探测装置由线阵CCD探测器、FPGA模块、ADC、晶振、系统时钟、USB接口芯片、JTAG口、PROM和计算机PC组成，ADC将CCD探测器探测到的模拟信号转换为12位数字信号输入到FPGA模块；经过FPGA处理过的信号通过转移部分再反馈到CCD探测器显示出图像；USB接口芯片一端与FPGA模块相互连接作用，另一端连接到PC上；PC输出的信号输出到JTAG口，再生成相应的程序代码经PROM输入到FPGA模块；晶振为FPGA模块提供系统主时钟；锁相放大器提取CCD探测器测量到的光信号被PEM调制的成份，被提取的信号通过单片机8051软核等精度测量，再次输出给CCD探测器，同时信号输入到PC，最后根据算法分析信号；

所述的一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的方法，具有一种结合硬件装置优化系统的算法，所述的信号算法分析：

$\frac{{({\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y)}^2{E}^2}{4}\[1+2\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}\right)J_2\left(\mathrm{\φ}\right)cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)+2\mathrm{Im}\left(\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}\right)J_1\left(\mathrm{\φ}\right)\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)......\]...\left(1\right)$

其中，J_n(Φ)是n阶贝塞尔函数，Φ是PEM对相位调制的振幅，E为光波经过起偏器后的电矢量大小，Re表示取的实数部分，Im表示取的虚数部分，ω代表角速度，t表示时间，σ_x，σ_y分别为x，y方向上的应力，(1)式忽略了高次项，保留了一倍频和二倍频成分，两者都可以通过锁相放大器同时测出来，知道了Φ值后，就可以同时得到的实部和虚部；而v为探测器的灵敏度，t_x，t_y分别为x，y方向蓝宝石的透射系数；

近似的，t_x＝|t_x|e^tα，t_y＝|t_y|e^iβ，t_x，t_y分别表示|t_x|，|t_y|的模，α，β分别表示x，y方向的透射光与入射光之间的相位差；故分母有理化后得到：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}=2\frac{|t_x{|}^2-|t_y{|}^2+2i\left|t_x\right|\left|t_y\right|sin(\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}{|t_x{|}^2+|t_y{|}^2+2\left|t_x\right|\left|t_y\right|cos(\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}...\left(2\right)$

通过上面公式可以看出，蓝宝石的内应力分布可以由透射系数和x，y方向的透射光与入射光之间的相位差测得；的虚部反应的是x，y方向的相位差，而的实部主要x，y方向的透射光强度差，当α与β相差较小时，当两个方向光透射强度相同时，|t_x|²-|t_y|²＝0，即二倍频为0，对于本方法，和的测量精度可以精确到10^-5。