CN108063102B - 一种基于四象限光电探测器的监测微镜的方法 - Google Patents

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    • H01L22/20—Sequence of activities consisting of a plurality of measurements, corrections, marking or sorting steps
    • H01L22/26—Acting in response to an ongoing measurement without interruption of processing, e.g. endpoint detection, in-situ thickness measurement

Abstract

一种基于四象限光电探测器的监测微镜的方法，涉及四象限光电探测器。整个监测系统由微镜、四象限光电探测器、光源构成一个闭环系统；根据需要，微镜受到驱动后产生一个位置变化，驱动过程受到扰动，得到微镜位置；得到的微镜位置跟实际需要的位置存在差距，当前的位置变化通过光线的反射使芯片上的四象限光电探测器产生四路输出电压，通过处理四象限光电探测器产生四路输出电压精确得到微镜的位置，与预期想要得到的位置进行对比，矫正微镜的驱动，即得到更加精确的位置。可实现利用FQPD对微镜的位移和偏转角度进行同时监测，使两者的输出的线性区间都尽可能最大，易于控制，结果处理简便、成本低。

Description

一种基于四象限光电探测器的监测微镜的方法
技术领域
本发明涉及四象限光电探测器，尤其是涉及可通过设计其各个变量，使其可以同时用来监测微镜的位移和偏转角度的一种基于四象限光电探测器的监测微镜的方法。
背景技术
随着光电技术的发展，光电传感的应用也越来越广泛。在不同结构类型的位置传感器中，光学位置传感器分别克服了超声波位置传感器、激光位置传感器、压电位置传感、电容式位置传感器的体积较大、能耗高而且并不适用于面向人的环境中应用、线性度不高、分辨率小、材料不兼容等缺点，具有低功耗、可单片集成、简易高效等优点。
四象限光电探测器(FQPD)([1]唐彦琴，顾国华，钱惟贤，陈钱，张骏.四象限探测器基于高斯分布的激光光斑中心定位算法.红外与激光工程，2017，46(2)：1-7)是一类在定位系统和监测系统中应用较为广泛的非成像探测器件，作为一种常用的光信号传感器———光电探测器，由于其具有灵敏度高、信号处理简单和抗干扰能力较强等优点，在通信、军事、工程测量等众多领域都有应用。例如：在光电信号检测、光电定向、激光导引头、激光经纬仪等光电跟踪、定位和准直仪器中，常采用FQPD作为光电传感器。
Ishikawa等人在双轴电磁驱动的扫描微动镜中采用发光二极管(LightingEmitting Diode，LED)和三个光电探测器在镜背面进行监控动镜镜面的运动情况，动镜反面发射监测系统中的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)芯片发射光，当镜面转动时，光电探测器根据光电流变化获得镜面转动角度，可以测量+2.5°到-2.5°，垂直位移的分辨率可以达到20nm。TI公司在TALB1000B中也采用了类似的光学传感监控微动镜位置的方法，该方法在集成度上还有提高空间。Kallweit等人在动镜面引入光栅，允许入射光透射通过位置传感器(position sensitive detector，PSD)进行监控镜面转动角度。但这种方法光强不可避免损失且PSD价格昂贵、面积大不易与微动镜集成。
T.Y.Lin等人通过设计阵列式PD光源模块来组成光学位置传感器。这种方法整体功耗较大并且占用芯片尺寸较大，不适合于小型化低功耗要求。Z.Zivkovic提出了一种5像素的低功耗手势传感器。此种方法虽然功耗较低，但是造成了较低的分辨率，无法同时应用于距离位置监测。
发明内容
本发明的目的在于为了克服其他传感方法与各种PD的不足，提供可通过设计其各个变量，使其可以同时用来监测微镜的位移和偏转角度，对结果做进一步差分处理的一种基于FQPD的监测微镜的方法。
本发明包括以下步骤：
1)整个监测系统由微镜、四象限光电探测器(FQPD)、光源构成一个闭环系统；
2)根据需要，微镜受到驱动后产生一个位置变化，驱动过程受到扰动，得到微镜位置；
3)得到的微镜位置跟实际需要的位置存在差距，当前的位置变化通过光线的反射使芯片上的四象限光电探测器产生四路输出电压，通过处理四象限光电探测器产生四路输出电压精确得到微镜的位置，与预期想要得到的位置进行对比，矫正微镜的驱动，即得到更加精确的位置。
所述四象限光电探测器为四个相同的光电二极管，接收微镜反射回来的光线并产生光电流，实现光电转换。
所述光源可以根据监测范围选择、封装与否可以根据实际尺寸来选择。
本发明的有益效果如下：
本发明可实现利用FQPD对微镜的位移和偏转角度进行同时监测，使两者的输出的线性区间都尽可能最大，易于控制，结果处理简便、成本低。本发明在应用中，实际的位移线性区间超过2.0～3.0mm，角度线性区间达到-5～5°，其监测范围远远超过了目前市场上的扫描微镜实际运动范围。这种PD布局可以用于不同扫描类型、不同运动范围的微镜监控中。
附图说明
图1为本发明的四象限光电探测器布局示意图。
图2为本发明的微镜角度变化后反射光线示意图。
图3本发明的微镜角度变化后光敏面受光变化示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明，光源选择为发散角为30°的850nm VCSEL。
参见图1，本发明的四象限光电探测器的监测示意图。1为芯片衬底，2为光源，3为微镜，4为PDA，5为PDB，6为PDC，7为PDD。芯片内部电路驱动光源发光，微镜将光线反射给FQPD，分析输出得到此刻微镜的位置。
参见图2，本发明的微镜角度变化后反射光线示意图。B点为光源，B’为微镜转动轴心，β为光源的发射角，h为微镜的垂直位移。C、D、A、E均代表反射后光斑的外边界，M、N和M’、N’代表转动前后微镜所接收到的光斑边界。当微镜处于水平位置PQ时，光线10和12分别到M和N反射经9和13至C和D，此时光线9和13相对于芯片的入射角∠1和∠3的值均为β。当微镜转过α至P’Q’的位置，原来的光线10和12分别到M’和N’反射经8和11至A和E，此时光线8和11相对于芯片的入射角∠4为(2α+β)，∠2为(β-2α)；若2α>β，则E点位于B左侧，∠2变为(2α-β)。各个点的位置变化分别可以由下面的关系式算出为：
Figure BDA0001513780300000031
Figure BDA0001513780300000033
Figure BDA0001513780300000034
参见图3，微镜角度变化后光敏面受光变化示意图。以图2的B点为原点建立二维坐标系。转动后两侧的PD的受光情况不同，其输出也不同。当微镜位于水平位置PQ时，反射光线呈高斯分布，中心位置坐标为B(0，0)，I(x，y)表示光敏面上(x，y)处的光强值，则光线能量概率密度函数和每个PD的光能量分别为：
Figure BDA0001513780300000035
其中，I0/2πσ2为光线中心光强，σ＝2htanβ，为光线分布的束腰半径，S为PD间距，L为每个PD的边长。一个垂直位移唯一对应一个束腰半径。一般情况下，α的取值都很小，转动后反射到芯片上的光线仍然可近似看作高斯分布，只不过原来中心位置B(0，0)移动到B”(0，y0)，此时的(x，y)处的光线能量概率密度函数为：
Figure BDA0001513780300000041
PDA和PDD对应的光能量为：
Figure BDA0001513780300000042
其中，新的圆心和束腰半径可以由下面的式子计算得出：
Figure BDA0001513780300000043
Figure BDA0001513780300000044
同理可以计算出PDB和PDC的光能量。至于当微镜处于水平面时的的输出与垂直位移h的关系比较简单，可直接由下面公式计算得出：
Figure BDA0001513780300000045
由于垂直位移对应的四个PD输出是相同的，所以实际监控中可以取四个输出电压之和作为对应位移的输出。
利用MATLAB或者Tracepro软件均可以得到不同S和L下的位移输出与角度输出，分析两种输出的线性区间范围并做折中选择便可以得到该光源条件下合适的FQPD布局。实际在确定间距S的时候，要根据光源的尺寸与外围的电路分布，这个尺寸一般要靠流片的经验来确定。确定每个PD的边长L不能只考虑最终的输出值的大小，还要综合考虑光线和光敏面的利用率。由于光源反射后的光线是呈现高斯分布，光强中间高、两侧低，也就是说当PD的光敏面距离高斯圆心较远或者监测的位置超过一定范围的时候，反射后照到光敏面上后会带有很小的权值，其接收到的光线是很弱的，此后的光强变化并不明显，那这个时候再继续增大PD的尺寸将变得没有意义，因此要在线性区间范围与尺寸，也就是响应度之间进行折中。比如说，500μm*500μm与600μm*600μm的FQPD，最后得出的光强变化，也就是光通量输出和线性区间均相当，而且明显高于400μm*400μm、300μm*300μm等尺寸的FQPD，那这个时候就要对比一下照度，500μm*500μm的照度明显高于600μm*600μm的FQPD，因此就没有必要将FQPD做成600μm*600μm。另外，得到的角度输出必然是随着角度的增加先增大后减小，这就出现了正线性与负线性区段，这个要根据实际需要来选择。
实际在监测位移时，调节平台，FQPD四个输出读数相同的时候，说明此时位置镜面与芯片平行。对测得的数据做进一步处理：将初始条件下四个输出电压取平均值作为第一个输出，并依次累加对应位置各个象限相对于上一位置增量的平均值作为该位置的输出。在测量角度输出时，可以定义FQPD对于微镜角度变化的光通量输出为:
Φ(FQPD)＝(ΦA+ΦD)-(ΦB+ΦC)。
照度E与光通量Φ的关系为：E＝dΦ/dA。其中A为光敏面的面积，当光照集中且光敏面很小时候，可以做近似E＝Φ/A，因此可以求得FQPD对于微镜角度变化的照度输出：
E(FQPD)＝(EA+ED)-(EB+EC)＝Φ(FQPD)/APD
其中APD为每个PD的面积。不同角度下的输出电压VA～VD。为了降低转动误差，将每次的输出减去微镜偏转角为0°时的初始值作为本次输出ΔVA～ΔVD，并记FQPD输出：
Vout＝(ΔVA+ΔVD)-(ΔVB+ΔVC)。

Claims (2)

1.一种基于四象限光电探测器的监测微镜的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)整个监测系统由微镜、四象限光电探测器、光源构成一个闭环系统；所述四象限光电探测器为四个相同的光电二极管，接收微镜反射回来的光线并产生光电流，实现光电转换；
2)根据需要，微镜受到驱动后产生一个位置变化，驱动过程受到扰动，得到微镜位置；
3)得到的微镜位置跟实际需要的位置存在差距，当前的位置变化通过光线的反射使芯片上的四象限光电探测器产生四路输出电压，通过处理四象限光电探测器产生四路输出电压精确得到微镜的位置，与预期想要得到的位置进行对比，矫正微镜的驱动，即得到更加精确的位置。
2.如权利要求1所述一种基于四象限光电探测器的监测微镜的方法，其特征在于所述光源根据监测范围选择、封装与否根据实际尺寸来选择。
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