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第八章 光学扫描检测技术与系统第八章 光学扫描检测技术与系统8.1 概述概述8.2 光学扫描系统光学扫描系统8.3 光学扫描技术光学扫描技术8.4 光学扫描技术的应用主要内容光学扫描技术的应用主要内容8.1 概 述概 述光学系统的光束传播方向随时间变化而变化，这种光学系统称为光学扫描系统。扫描技术是70年代中期以后出现的一种新的动态检测测试技术。它主要利用白光或激光形成对被测对象的扫描运动，配合光电器件，电子技术与计算机，构成各种精密测试方法。这种技术适合于作精密自动检测与远距离检测，特别适宜于对弹性体、柔性体、高温物体作精密测量。近年来这种光扫描技术发展很快，其主要原因是：（1）激光器的商品化，即价格大幅度降低，寿命大大增加，在产品上完全可能应用（2）光电子技术的迅猛发展。数字显示，微计算机的大批量生产与应用（3）体积小，作业效率高光学扫描系统光学扫描系统物镜扫描系统物镜前扫描系统物镜后扫描系统物镜扫描系统物镜前扫描系统物镜后扫描系统 8.2 光学扫描系统光学扫描系统8.2.1物镜扫描系统原理物镜扫描系统原理物镜L的焦距为f，一束平行光于物镜L的光轴入射，且平行光束的中心距物镜光轴为x，当物镜L严格校正像差后，平行光通过物镜L后一定聚焦于焦面上光轴处。若物镜L绕平行光束的中心轴线转动时，则平行光束的聚焦点在物镜的焦平面上扫描半径为x的圆，只要调整物镜光轴和平行光束中心轴线间的距离，任意半径的扫描圆均可得到。当然所得的扫描圆的最大直径小于物镜L的直径。其原理图如图8-1所示图8-1 物镜扫描系统原理图 8.2 光学扫描系统光学扫描系统8.2.2物镜后扫描系统原理物镜后扫描系统原理在物镜后扫描系统中，扫描反射镜位于物镜之后，其优点是物镜口径小，扫描物镜只要求校正轴上点像差即可。物镜后扫描系统的缺点是扫描象面为一曲面，因此不利于图像的接收与转换。其原理图如图8-2所示LRLD图8-2物镜后扫描系统原理图 8.2 光学扫描系统光学扫描系统8.2.3物镜前扫描系统原理物镜前扫描系统原理fL扫描反射镜位于物镜的前方，只要物镜严格的校正轴上点和轴外点像差，即可得到很好的扫描成像质量，又可使扫描象面成一平面，因此一般的光学扫描系统多采用物镜前扫描形式。原理图如图8-3所示图8-3 物镜前扫描系统原理图为了保证物镜前扫描系统在扫描象面上得到均匀的象面照度和尺寸一致的扫描象点，扫描物镜一般设计成象方远心光路，使其象方主光线始终垂直扫描象平面，这种扫描系统又称作远心扫描系统。若要保证远心扫描特性，除扫描物镜本身作设计上的要求外，对提供给扫描物镜光束也必须满足象方远心系统的成像要求，即只有扫描反射镜的转动轴心与扫描物镜的物方焦点重合，才能使轴外扫描光束的中心线（主光线）通过物镜的物方焦点，构成象方远心光学系统，如图8-3所示。8.2 光学扫描系统光学扫描系统若扫描反射镜的转动轴心不在这一正确位置，对扫描物镜来说，扫描反射镜提供的轴外光束均不能构成象方远心光学系统的成像光束，例如扫描反射镜的转动轴心位于物镜的物方焦点F之右，且在光轴的下方，如图8-4所示，则上半视场的扫描光束中心光线与物镜光轴相交在物方焦点F的右边z1点，且随着扫描角的变化，z1点的位置也不断的改变。图8-4扫描反射镜位置变换图 8.2.3物镜前扫描系统原理物镜前扫描系统原理光束的扫描形式可以有多种方法得到，但不管其扫描形式如何，表征扫描系统的特性只有三个参数，即扫描系统孔径的大小D、扫描系统孔径的形状因子和最大扫描角。根据瑞利衍射极限理论，扫描系统的衍射极限分辨角为由此可见孔径大小D和形状因子决定了扫描系统的极限分辨角，即决定了扫描系统的扫描光点大小和成像质量。sinD=（8-1）8.3 光学扫描技术光学扫描技术光学扫描技术光学扫描技术激光扫描检测技术相位调制扫描技术光扫描定位技术表面特征检测扫描技术激光扫描检测技术相位调制扫描技术光扫描定位技术表面特征检测扫描技术8.3.1激光扫描检测技术激光扫描检测技术激光扫描检测的原理主要是利用激光束的扫描运动来检测物体的几何尺寸，具体来说就是利用激光束的方向性和高能量密度，把扫描的时间转换成物体尺寸。如图8-5所示。图中1激光器，2扫描反射镜。当2按一定频率作摆动时，形成激光束的扫描运动，扫描光束通过物镜3后形成平行光，扫描被测工件4，然后由接收物镜5，光电器件6将扫描光信号转变成电信号，经放大器7，信号处理器8处理后，用显示器9显示被测物体4的尺寸。图8-5 激光扫描计量原理 8.3光学扫描技术光学扫描技术1、扫描检测原理、扫描检测原理t21=()fdtdfdtfddtdhv222=tftdtdhvtD2=根据以上的分析，当扫描反射镜2以的角速度匀速转动时，激光束的扫过的角度是扫描光束通过物镜3后，形成线扫描运动，扫描线速度是设被测件尺寸为D，则 8.3.1激光扫描检测技术激光扫描检测技术（8-2）（8-3）（8-4）当已知角速度，通过测定时间t，由上式就可求出被测件尺寸D。为保证测量的高精度，激光扫描检测系统，以下三点基本要求必须满足：(1)激光束应垂直照射被测表面；(2)光束必须对物面作匀速直线扫描运动，即(3)扫描时间必须测得很准确。为保证激光束扫描时始终垂直于被测表面，可采用物体表面相对激光束作匀速运动。但这种方法，对机构要求很高，实现困难。所以一般不采用被测物体运动 的方式。=dtdhv常数；另一种方法是在激光束的光路中加入旋转的光学元件，根据旋转光学原件的位置可以分为前置扫描和后置扫描两种情况，如图8-6所示。图8-6 光扫描的两种基本形式a)后置扫描；b)前置扫描 8.3.1激光扫描检测技术激光扫描检测技术根据旋转装置的不同分为反射镜式和多面体式。多面体式扫描系统如图8-7所示。图8-7 多面体扫描式（8-5）说明，当反射镜以转速旋转时，激光束在物面上的转动速度是非均匀的，即v常数。而且，除o点上光垂直于物体表面外，其余任何一点均是投射，因此，无法实现上述光扫描的前两点基本要求。8.3.1激光扫描检测技术激光扫描检测技术图8-8 光束的扫描运动a)反射镜转动的光扫描；b)反射镜准直扫描反射镜式如图8-8所示，当激光束在摆动的反射镜上反射时，就产生光束的扫描运动。此时，激光束在物面上的扫描长度y和反射镜的转角成如（8-5）关系所示：2Rtgy=式中：R为反射镜摆动中心到物面的距离；为反射镜转角（8-5）采用图8-8b所示的光路，在转动反射镜后放置一个物镜系统，让转动镜上的投射光点位于物镜的焦点上，从而使激光束对物面上各点均保持垂直投射，确使物面上的扫描长度y与反射转角保持线性关系，即式中：f为物镜焦距，为反射镜转角。2=fy（8-6）8.3.1激光扫描检测技术激光扫描检测技术对摆动式反射镜，设摆动的最大振幅为，则(8-7)式中：为扫描光束的转角。满足式（8-6）、（8-7）式的物镜，必须保持特定的象差，主要是用负畸变物镜，用象差来补偿而满足式（8-6）。满足式（8-7）的物镜称为f-物镜；满足式（8-7）的物镜称反正弦物镜。f-物镜用于等速旋转的反射镜系统，而反正弦物镜用于振子式反射镜系统。=0102sin2fytsin20=0f-透镜又称为线性成像物镜，是激光扫描系统中一种常用的具有特殊要求的透镜系统。根据扫描器和聚焦透镜的位置不同，可分为透镜前扫描（图a）和透镜后扫描（图b）两种，如图8-9所示。图8-9 透镜扫描的两种方式2、f-物镜物镜扫描物镜的理想像高如图8-10所示，设点光源为S，旋转反射镜为M，S点经M反射后的共轭像为 S，S点经物镜L成像后的像点为S0。当反射镜M作旋转摆动，摆动特性是：tsin0=式中：为反射镜的转角；为反射镜摆动的最大振幅；为摆动的角速度；t为摆动时间,反射镜转动角时，镜像移动到，移动的圆弧半径为R，光束相对于光轴的转角是，则0（8-8）S1Stsin220=（8-9）图8-10 扫描物镜的理想像高 8.3.1激光扫描检测技术激光扫描检测技术当t0时，设光束的中心线在的扫描透镜L的光轴上，经扫描物镜L成像为扫描光点。为保证光扫描的正确性，光点应等速移动，像高y的关系是1S0Stky=（8-10）式中：k为与光学系统有关的扫描常数为求k，将式（8-9）代入式（8-10），则)2(sin)(01=ky（8-11）当光束转角很小时，则式（8-11）可写成=)2(lim00kyy（8-12）由图8-10所示的扫描系统，在扫描物镜的成像面上，有=)(lim0lRlyy（8-13）式中：为扫描物前主点到镜像S的距离；为扫描物镜后主点到成像面的距离。ll 8.3.1激光扫描检测技术激光扫描检测技术对照式（8-12）与式（8-13），则光学系统扫描常数k为：)(20lRlk=将式（8-14）代入式（8-11），得等速扫描时扫描物镜的理想像高y：)2(sin)(2010=lRly（8-15）（8-14）当很小，很大时，式（8-15）成为0=)(lRly（8-16）当采用图8-11所示的准直光学系统时，使flRl=)(，式中：f为扫描物镜的焦距。则（8-16）变为：=fy（8-17）符合式（8-17）理想像高的物镜称f-物镜。当为有限值时，符合式（8-17）理想像高的扫描物镜称反正弦物镜。f-物镜是最常用的扫描物镜。0图8-11 准直扫描系统1-半导体激光器；2-成像物镜；3-动镜；4-f-物镜 8.3.1激光扫描检测技术激光扫描检测技术提高激光扫描检测精度的主要方法是克服工件边缘的衍射线性。衍射在工件尺寸大于2mm以上时，使被测边界模糊，用时间脉冲计数时，必须引入误差，使光点扫描法的精度限制在0.01mm左右。所谓光调制法，就是不测时间而测相位，即不用光点来扫描工件，而用空间调制光束来扫描工件。目前光调制扫描法的读数分辨率可达0.05m，精度大1m。适合于各种高温、高压下作非接触的现场测量，例如，对反应堆燃料包管测量，达到11mm1m。8.3.2相位调制扫描技术相位调制扫描技术 8.3光学扫描技术光学扫描技术提高激光扫描测量的精度到微米级时，必须把扫描的时间测量改变成扫描的位相测量，位相扫描法是提高测量精度的主要方法。归纳起来，从位相测量的角度，光扫描方法主要分两种：一、光调制扫描法一、光调制扫描法产生空间调制光束的方法很多，低频调制可用同步马达转动或音叉调谐。对高频调制可用布拉格效应或泡克耳斯盒。图8-12是利用泡克耳斯盒的电光效应来获得空间调制光束扫描的光学原理图。图a）中1是Ar离子激光器，功率2W。波长5145；2是泡克耳斯盒，它由晶体、电极盒和振荡器组成，调制的频率就是振荡器的频率。泡克耳斯的电光效应就是在电场作用下，不同偏振方向的光束在晶体中有不同传播速度。因而，不同偏振方向的光束间产生位相差，其相位角的关系是式中：n0为晶体的折射率；为电光系数，由晶体材料决定；l为晶体长度；d为晶体厚度；V为电极上的电压。30lnVd=8.3.2相位调制扫描技术相位调制扫描技术(8-18)图8-12 光调制扫描法1 空间调制光束的产生空间调制光束的产生 8.3.2相位调制扫描技术相位调制扫描技术由式（8-18），选择晶体参数和电极电压，使两个偏振方向的光束间产生90度的位相差，即成正交位相。此正交位相差的光束经扩束光组3扩束后经偏振分光板PBS分成垂直振动的光束和水平振动的光束。此二振动方向不同，位相差90度的光束分别经过两个光阑a，b，光阑a的方孔水平放置，光阑b的方孔垂直放置，遮去其它部分光束，只有方孔中光线透过，这样通过分光板4 以后，而光束又重合，形成图8-12b所示的空间调制光束、。5 是扫描反射镜，形成光束的扫描运动。空间调制扫描光束的特性如图8-13所示。这是电光效应产生的正交特性。图8-13 空间调制扫描光束的特性+=31231IIIII()123132sinTIIIIIIIt=+设分光后的二束光强相等，则有设泡克耳斯盒的频率为。由图8-16知光束是（I1+I2）（1sint）。而光束的方程式是I2（1sint）。对任意瞬间，光强用IT表示，则这就是空间调制光束的表示式。（8-19）（8-20）当用式（8-20）的调制光束来扫描被测件时，测量信号分三个区城讨论，如图8-14所示。当光束未与工件相遇时，为a区，扫描结束时为a区，这二个区域中光束的特性是无交流成分，即123aIIII=+(8-21)当工件边缘开始挡住或时，光电信号中以I2为主，这时为b(b)区，在b(b)区内的光强是()1212sinbIIIIIt=+(8-22)8.3.2相位调制扫描技术相位调制扫描技术2 测量信号的产生测量信号的产生图8-14 测量信号的产生11sindIIIt=+当工件边缘开始挡住到全部挡去时，为d(d),这时位相差与b(b)区相比差。即相位的突变点c就是交流成分为零的位置，这个突变点c就对应工件的两个边缘，从而获得精确的测量，如图8-15所示。工件尺寸L是有两个相位突变点来决定。8.3.2相位调制扫描技术相位调制扫描技术（8-23）图8-15 工件尺寸L的精确获得图 8-16 光束调制扫描计量系统图 8-16是光束调制的扫描计量系统，1扫描器，2准直物镜，3被测平面，4出射透镜，形成一个远心光路系统，以允许被测件平行于光轴移动。扫描器的转速是1800rmin，2的焦距约300nm，则工件在2.5mm内运动不会影响测量精度。5光电元件，6带通非线性放大器，7位相检测器，8时间计数器，9计算机接口，10扫描信号控制器。对瞬变的材料试验，必须采用高频时间计数器。二、外差扫描法二、外差扫描法这是一种装置比上述方法简单的位相扫描法。用于，高质量的面形测量微小变形测量，特别适合于振动条件下作高精度测量，精度可达0.1um左右。1、位差扫描原理用一束细的激光束来扫描有振动的被测物体，检测反射光和参考光之间的位相，利用参考光与反射光之间微小的频率差，即用拍频的方法检测位相。图8-17是其原理图。被测物体的表面用一束细的激光扫描，反射光的位相对应于表面的形状。图8-17 拍频检测位相方法 8.3.2相位调制扫描技术相位调制扫描技术设t时刻时，激光束在被检物体的x位置上，这个位置上的表面形状用z表示。反射光受到z=z(x)zx(t)的位相调制，光激光束以一常速v扫描时，则x(t)=vt，即z=z(vt)，对图6-30所示的位差系统来说，光电探测器的输出I为：)(42cos0vtztfKI+=式中：K为常数；为激光的波长；f020.2MHz；v为激光扫描速度。此信号I经放大和位解调求得z(vt)，这就测出表面形状。如果示波器的x轴用扫描速度v，y轴用z(vt)作为输入，那么，在示波器上就显示出表面形状。（8-24）8.3.2相位调制扫描技术相位调制扫描技术2、扫描外差装置图8-18中He-Ne激光器1的功率为5Mw，其光束缩小光组L1，L2后射向10.1Mhz的高频石英振荡器3发出的超声波来驱动声光调制器2，产生衍射光，激光的频率为4.7381014Hz（6328），1级及1级衍射的激光其频移是10.1Mhz，及10.1Mhz，1级的衍射光进入迈克耳逊干涉系统，其中6是振动反射镜，由振动子驱动实现扫描。扫描光束经透镜L3射向被检物体5，由被检表面反射的光线返回到光电检测器7，振子的频率为2kHz。另一方面，1激光有反射镜 7，并和信号光进行混频，把信号载到20.2MHz的正弦波上。采用10.1MHz的超声波的原因是为了减少电磁感应的有害影响。输出信号再与22MHz的振荡器进行差频，把输出信号转载到1.8MHz的频率上，再经电路放大和解调，并用微处理机进行处理与显示。这种位差扫描法已用于平面镜倾斜以及块规表面的自动检测，精度在0.1um以下。图8-18 外差扫描系统 8.3.2相位调制扫描技术相位调制扫描技术8.3.3光扫描定位技术光扫描定位技术图8-19 激光扫描定位原理图激光定位仪的工作原理是定位一个平面需要三个点，如果在工件平面上找三个不共线的点，把它们调整到指定的平面内，就可以实现定位。根据这个思想，以激光扫描线所在的平面为基准平面，并在工件上固定三个二象限光电管接收激光，这种光电管的结构如图8-19所示，是由两只相同的半圆形光电管对称地组成。将光电管的两个象限输出电流引入单片机，经处理后显示偏差值：1002121+=IIIIE式中I1，I2 两个象限的电流脉冲幅度。8.3光学扫描技术光学扫描技术（8-25）8.3.3光扫描定位技术光扫描定位技术当脉冲幅度相同时，输出显示为零，则认为定位准确。具体实现方法如下：图8-19中，HeNe激光器出射632.8nm的单色激光，经光束校正系统出射准直均匀光束，投射到压电角扫描器PZTA上压电角扫描器的扫描频率约100Hz，扫描出的光线轨迹为一直线，经校准作为基准扫描线。工件的被校准面安装三个二象限光电管(不共线)，并与该平面垂直，若扫描线均通过各二象限光电管中心轴线，则每个光电管的两个象限输出相同的脉冲电流，经过处理后显示出零，表示定位准确；否则，光电管输出的电压差经过归一化处理后，即表示该点的偏离程度。这样，反复调整工件位置，就能使其定位在激光扫描平面内。利用激光与f-透镜的扫描结合实现扫描定位获得成功，这对大规模集成电路（LSI）工艺具有重要意义。一般的LSI技术，光刻时的定位精度不能低于线宽的（1/51/10），对线宽为12m的LSI片子来说，要求的定位精度是（0.10.2）m。要保证这样高的定位精度一般方法是困难的。日本Kinon PLA-500半接触式光刻机上采用图8-20的对准光学系统。其对准的原理是用一束直径约10m的激光来照明光掩模的与硅片上的对准标记，图中a）是对准原理，图中b）是对准光子系统。图中a）1是光掩模的对准标记，2是硅片上的对准标记，3是完全对准时的标记情况。当激光扫描光掩模与硅片完全对准时的标记3时，光电检测器上产生六个脉冲，当六个脉冲完全等宽时，表示光掩模与硅片正好对准，硅片对光掩模已经缺定位。图8-20 KINON PLA-500半接触式光刻机上扫描定位系统 8.3.3光扫描定位技术光扫描定位技术试验表明，这种方法，对于线宽47m有最好的对准精度。这时的位置定位精度是30.03m。PLA-500中激光扫描定位的光学系统是二用的。即可用激光扫描进行精确定位，又可用人眼进行粗定位，这对使用是很必要的。激光扫描时是用多面体（八面体）旋转，激光束经四面体和f-透镜和左右两路的物镜后垂直入射到光掩模上，得到等速移动的扫描运动。光学系统中加限幅器是为了遮去进入光电检测器的衍射光和散射光。最新的技术是自定位激光扫描仪的研制成功。由加拿大的Creaform（形创科技）开发，其产品就是Handyscan 3D世界上首款自定位便携式激光扫描仪。图8-21 产品实物图及扫描示例该产品扫描分辨率已经达到了0.1 毫米，而精度也达到了50 微米的水平，对于绝大部分三维数据扫描而言足够了。Handyscan 3D的突出特点是自定位功能，无需三坐标扫描仪（CMM）等外部跟踪装置。其扫描定位原理参照了卫星定位GPS的原理，只要在被扫描的物理模型上粘贴多个定位感应片（采用反射式自粘贴材料，学名为“定位靶”），扫描系统就可以通过捕捉这些定位感应片的反射，来实现精确地相对定位。8.3.3光扫描定位技术光扫描定位技术图8-22 反射光扫描检测利用激光扫描还可以有效地检查表面的特征。例如，表面的疵病检查，表面的异物探测以及形状不良等等。过去检查表面疵病的方法是在显微镜下作目视作业，方法比较落后。由于工业生产的高速化以及表面上图形的细微化，直接用眼睛和光学仪器的组合已不能适应工业和科学技术上的要求。利用光扫描可以达到：（1）高速化；（2）区别缺陷的分辨率高；（3）可以实现自动化。常用的检测方法有反射式和干涉式两种。反射式反射式：图8-22是反射光扫描检测的原理。激光通过旋转的反射镜入射到被测表面上，利用表面有缺陷时反射光有明显变化来检测表面缺陷。这种方法适合于自动检测直径0.11mm左右的缺陷；例如薄板，具有反射特性的纸张等表面。8.3.4表面特征检测扫描技术表面特征检测扫描技术 8.3光学扫描技术光学扫描技术图8-23是两种检查表面伤痕的装置原理图。图上a）称为飞点成像式，它在被检表面的行进方向上（x方向）用旋转的多面体相当于y向上对被检面进行扫描，照明方向与成像方向90度的关系，并在被测面的像面上设置针孔以检测表面各点上来的反射光的变化，从而评定表面有否损伤划痕。图b）是飞点扫描法，它直接利用激光束来扫描表面，扫描方向与被检表面行进方向成直角关系。图8-23 检测表面缺陷的扫描装置 8.3.4表面特征检测扫描技术表面特征检测扫描技术干涉式干涉式：测量系统利用Mirau相移干涉，其原理如图8-24所示。光束经显微物镜后通过参考镜，再由分光镜的半透半反膜分成两束，一束透过分光镜投射到被测面上，反射后经分光镜和参考镜回到显微镜；另一束被分光镜反射到参考镜上表面中心的反射区域，透过参考镜回到显微镜，两束光在显微物镜处相遇而发生干涉。在利用白光干涉测量表面三维形貌的过程中对于被测表面上某一点来说，为了定位其零光程差位置，采用垂直扫描的方式改变被测表面的位置，以此来获得该点光强变化的离散数据，然后依据白光干涉的典型特征来判别并提取最佳干涉位置。图8-24 干涉法测量原理图 8.3.4表面特征检测扫描技术表面特征检测扫描技术图8-25 试样及其检测结果测量时通过计算机输出信号控制步进电机和PZT，驱动z向工作台做定长的位移带动被测工件的进给，这样被测工件表面的不同高度平面就会逐渐进入干涉区，如果在充足的扫描范围内进给，被测工件表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉位置。每一次位移都可获得一幅干涉图像，用CCD摄像机接收干涉条纹并将接收到的光强信号转换成电信号送至图像卡进行信号放大，再经AD转换后存储于计算机中，利用与被测面对应的各象素点相关的干涉数据，通过采用某种最佳干涉位置识别算法对干涉图样数据进行分析处理，提取出特征点位置，进而可得到各象素点的相对高度，这样便实现了对三维形貌的测量。试样及其检测结果如图8-25所示 8.3.4表面特征检测扫描技术表面特征检测扫描技术8.4 光学扫描技术的应用光学扫描技术的应用激光打印机条形码扫描空间激光打印机条形码扫描空间OCT三维扫描三维扫描光学扫描技术的应用光学扫描技术的应用检查芯片的激光扫描激光退火扫描检查芯片的激光扫描激光退火扫描8.4.1 激光打印机激光打印机激光打印机的原理如图8-26所示，是由激光器发射出的激光束，经反射镜射入声光偏转调制器，与此同时，由计算机送来的二进制图文点阵信息加 至声光调制器上，对由反射镜射入的激光束进行调制。调制后的光束射入多面转镜，再经广角聚焦镜把光束聚焦后射至光导鼓(硒鼓)表面上，使角速度扫描变成线速度扫描，完成整个扫描过程。图8-26 激光打印机原理图 8.4 光学扫描技术的应用光学扫描技术的应用硒鼓表面先由充电极充电，使其获得一定电位，之后经载有图文映像信息的激光束的曝光，便在硒鼓的表面形成静电潜像，经过磁刷显影器显影，潜像即转变成可见的墨粉像，在经过转印区时，在转印电极的电场作用下，墨粉便转印到普通纸上，最后经预热板及高温热滚定影，即在纸上熔凝出文字及图像。在打印图文信息前，清洁辊把未转印走的墨粉清除，消电灯把鼓上残余电荷清除，再经清洁纸系统作彻底的清洁，即可进入新的一轮工作周期。条形码是由宽度不同、反射率不同的条和空,按照一定的编码规则（码制）编制成的,用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符即条形码是一组粗细不同,按照一定的规则安排间距的平行线条图形常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）组成的。8.4.2条形码扫描条形码扫描图8-27无定向激光扫描原理图8-28 通用商品码(UPC)8.4 光学扫描技术的应用光学扫描技术的应用为了阅读出条形码所代表的信息,需要一套条形码识别系统,它由条形码扫描器、放大整形电路、译码接口电路和计算机系统等部分组成。其中的激光扫描系统，是一种无定向激光扫描，原理如图8-27所示。例如商品价格由扫描通用商品码（UPC）给出，图8-26是UPC(Universal Product Code)的符号形式。UPC符号基本特性是：（1）符号由30条黑的与29条亮的平行线条组成，代表10个数字特征。（2）从中心线条起始向两边分为左右二场线条，每场有六个特征和显示线条。每个特征用二根黑线条和二根亮线条表征，而给出七个检测单位。左场的第一个特征是数字系统，代表各类商品中的重量、剂量、价格等等，右场最后一个特征是检测单位检查，保证有完整的读数。（3）符号的间隔可按标准尺寸作均匀的放大或缩小。图8-28中a）是A型符号码，这是通用码，图中b）是E型码，用于小包装商品。对于无定向激光扫描的详细了解，可参阅相关文献。8.4 光学扫描技术的应用光学扫描技术的应用8.4.3空间空间OCT三维扫描三维扫描光学相干层析扫描(optical coherence tomography,OCT)技术是以迈克尔逊干涉仪为核心,利用弱相干光源的低相干性成像的一种新型成像技术。只有当样品的散射光与参考光近似等光程时,才会得到干涉信号。OCT系统通过在纵横两个方向上扫描探测光束,就可以得到样品横断面上不同部位的结构图。所以 OCT技术中存在两种扫描方式：纵向扫描和横向扫描。纵向扫描通常是在参考臂中设计光学延迟线来改变光程而实现的,横向扫描则是由样品臂的横向运动来完成。如图8-29所示的是一种纵向扫描方法，采用频域多角反射棱镜延迟线，原理是参考光从光纤准直器(FC)射出，射在反射镜 M1上，再经过衍射光栅和透镜，被多角镜反射回去，射在返程镜(DPM)上,被原路反射回光纤。图8-29 扫描原理图 8.4 光学扫描技术的应用光学扫描技术的应用OCT是一种对组织断层微细结构具有高分辨率的光学影像技术，OCT的工作原理与超声成像极为相似，区别仅在于前者利用近红外光对人体组织进行探测。1991年 Huang等首先报道了这种光学干涉断层扫描仪，图为一典型OCT系统结构图。从不同深度组织反射而来的光线的时间延迟由低相干的光干涉测定仪测定。用一低相干的二极管激光（红外激光）作为相干光源与一高速光纤光相干断层扫描术相连。其有两根光导纤维，一根用于激光的输出，另外一根用于接收眼底的反射光。时间延迟信息包含于反射光束和从干涉光延迟路径返回的光束之间的干涉信号中，其通过光电二极管将光信息转换为电信息，再经电子信号处理，计算机存储并分析数字信息，得出被检组织的二维断层影像。50/50分束器样品轴向扫描参考镜探测器横向扫描低相干光源信号解调计算机图 8-30典型OCT系统结构图光相干断层扫描术的断层扫描精度达10m，而共焦点激光扫描检眼镜的扫描精度为300m，一般的眼超声检查的扫描精度为150m，高频超声生物显微镜的精度也只有为2040m。医用光学断层扫描成像（OCT）诊断仪具有分辨率高（是现医用CT机的10倍），且光源对人体无害。8.4.3空间空间OCT三维扫描三维扫描最近利用激光来检查大规模集成电路芯片已成为十分有效的手段，例如，用于生产64Mb（0.35m线宽）及256 Mb（0.25m线宽）的动态存贮（DRAM）时，必须严格检查这种存贮芯片或逻辑芯片表面的局部细小污染以及表面极细的缺陷（划痕、裂纹、麻点等），自动检查的效率达到每小时30个芯片（直径200毫米），其典型的激光扫描系统示于图8-31。8.4.4检查芯片的激光扫描检查芯片的激光扫描图 8-31 检测芯片激光扫描系统 8.4 光学扫描技术的应用光学扫描技术的应用激光是用488nm的Ar激光器经扫描物镜会聚成光点并通过声光偏转器（AOD）来实现扫描；为保证扫描的高灵敏度，AOD器件的光学口径D必须满足：式中：l为扫描长度，u是AOD中的声速；是芯片上椭圆光点的短轴直径；f是AOD的带宽；k常数，k1.25。芯片镜面的反射光束由自动位置传感器（APS）接收并伺服锁定扫描时的芯片高度位置，精度为0.4m多个收集通道利用偏振的选择来增强信噪比，利用扫描线上的散射光来完成亚微米级污染或表面缺陷的发现，整个系统由计算机完成控制与显示，已证明可以发现0.10.3m的污染物和缺陷。fwkluD=4（8-26）8.4.4检查芯片的激光扫描检查芯片的激光扫描8.4.5激光退火扫描激光退火扫描激光退火是最近发展起来的一种新技术，用于半导本经离子注入、外延、扩散工艺后的退火。激光一般用5W的氩离子激光器来照射半导体表面，扫描用微处理机控制作x与y向的偏转，扫描速率可达25mm/s。扫描的方式通常有两种：一种是移动样品，用x-y工作台的移动来达到；一种是移动激光束。图8-32是扫描光路图，两块反射镜一块作x方向扫描，一块作y方向扫描，为保持光束始终聚焦在样品表面，透镜还必须移动，移动的关系式是2cos2cos2cosDRWDRRFDLR=式中：为x方向扫描角度；为y方向扫描的角度；F为移动透镜的焦距。图 8-32 激光退火扫描装置 8.4 光学扫描技术的应用光学扫描技术的应用图8-33是激光退火扫描装置的控制系统图。微处理机可用Motorola6800。激光扫描退火可以克服普通加热退火的缺点，即电路错位、离子杂质分布改变以及高退火温度下偶然性污染等。激光退火则可在所需区域上进行，不影响其他。装置中采用微处理机是为获得样品表面所需的退火图样，图8-34是六种常用的退火图样。通过修改软件可以得到任意的扫描图形。这种方法除用于半导体退火外，还可用于光刻工艺，可调薄膜电阻，薄金属膜的电子元器件退火上。图 8-33 激光退火扫描控制系统图 8-34 扫描退火基本图形 8.4.5激光退火扫描激光退火扫描