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1、(10)申请公布号 CN 103323456 A (43)申请公布日 2013.09.25 CN 103323456 A *CN103323456A* (21)申请号 201310285002.5 (22)申请日 2013.07.05 G01N 21/87(2006.01) G05B 19/042(2006.01) (71)申请人 中国计量学院 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区学 源街 258 号 (72)发明人 陈亮 苏玲爱 吴军法 李晨超 张淑琴 金尚忠 沈为民 徐苏楠 卢杰 朱陆洋 毛世挺 林久奔 戴海坤 刘晨 (54) 发明名称 基于 FPGA 和偏振差分算法测量蓝宝石内应。
2、 力分布的系统 (57) 摘要 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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 。
3、1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103323456 A CN 103323456 A *CN103323456A* 1/1 页 2 1. 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 。
4、的主轴方向与水平方向成 45， 检查镜 A 垂直于水平 面， 两偏振镜有同步回转机构， 能使其偏振周同步旋转， PEM 是一光弹性调制器 ； 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 和计算机组成。 2. 根据权利要求 1 所述的， 基于 FPGA 和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统， 其特征在于， 偏振差分算法是一种采用偏振成像结合光弹法对蓝宝石内应力分布测量的方 法， FPGA 模块是一种采用 8051 软核可以对数据采集、 定标、 等精度测量的系统。 权 利 要 求 书 CN。
5、 103323456 A 2 1/3 页 3 基于 FPGA 和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 事实上， 在蓝宝石衬底的生产过程中。
6、， 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，。
7、 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 0004 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。 0005 基于 FPGA 和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布。
8、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。 0006 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 ； 0007 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。
9、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 说 明 书 CN 103323456 A 3 2/3 页 4 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 ； 0008 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。
10、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。 0009 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 0010 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 ； 0011 。
11、图 2-1 是 FPGA 模块原理图中的信号采集部分 ； 0012 图 2-2 是 FPGA 模块原理图中的信号标准定标部分 ； 0013 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 0014 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。 0015 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。
12、可以选择 1064nm。 0016 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。 0017。
13、 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 和计算机组成。ADC 将 CCD 探测器探测到的数字信号转 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CC。
14、D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。 0018 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 Q70、 说 明 书 CN 103323456 A 4 3/3 页 5 DOUT80分别作为信号采集模块的RAM8B的输入data70和address80 ； 信号定 标部分的 LPM_COMPARE 的输出信号 agb 作为输入信号，。
15、 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。 0019 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 探测器探测到的数字信号被 ADC 转换为 。
16、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 ： 0020 0021 其中， Jn() 是 n 阶贝塞尔函数， 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， x， 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 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， tx， ty。
17、分别为 x， y 方向蓝宝石的透射系数。 0022 近似的， tx |tx|ei， ty |ty|ei， tx， ty分别表示 |tx|， |ty| 的模， ， 分别 表示 x， y 方向的透射光与入射光之间的相位差 ； 故 0023 分母有理化后得到 ： 0024 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 与 相差较小时，当两个方向光透射强 度相同时， |tx|2-|ty|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。 说 明 书 CN 103323456 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2-1 说 明 书 附 图 CN 103323456 A 6 2/2 页 7 图 2-2 图 2-3 说 明 书 附 图 CN 103323456 A 7 。