引 言
彩色显象管屏的制造是采用光刻的方法进行的[1],这种光刻技术必需有一个曝光台。曝光台由光源、光学校正透镜、滤光片及屏组件等组成,它们之间相对位置是极其重要的,所以需定期校准。目前大多数生产线上,通常由熟练工人凭经验调整,这种方法具有很大的盲目性,若调整不当,将致使一批显象管报废。因此,为了提高彩色显象管的成品率,在显象管曝光前应采用精密检测仪来校准曝光台。
曝光台校准仪由光学系统、光电传感器及信号处理三部分组成。将前两部分安装在一个黑箱中(又称曝光台校准箱,简称曝光箱),箱体底面尺寸与荧光屏一致;第三部分组成一台多通道多位信号处理显示仪[4]。本文中着重研究曝光箱,合理的光学系统和灵敏的光电传感器是曝光台校准仪的核心。
1 校准仪原理
在曝光箱底面开八个小孔(直径在0.1～0.4mm之间),对应显象管屏上八个特征点,图1为曝光箱结构示意图(图中仅示出三个小孔的光学成象,其余五个小孔均为对称关系)。利用小孔成象法,使线光源成象在线阵CCD面上,当曝光台光源(线光源)与校准透镜、荧光屏组件等发生相对微小位移时,在各CCD面上的光源的象也会相对于CCD偏移,CCD所接收到的光信号亦随之发生变化。假设线光源成象在某一个CCD面上的光强分布近似为高斯函数,则:
当曝光台光源、校正透镜、荧光屏组件处于准确位置时,调节光学系统,使上述x0点落在CCD光敏区中心处,其光强为I0,若曝光台面各组件有相对微小偏移Δx时,成象在CCD中心域的光强变化ΔI为最大(如图2所示)。因此,此时CCD能灵敏地检测成象点的微小偏移。
2 光学系统设计
提高检测仪精度的关键在于具有大的光学系统放大率M、小的小孔直径及较大的光强变化率dI/dx,然而它们之间是互相制约的,为此需要综合考虑。根据几何光学原理,光学放大率M=p/q,其中p为物距,即线光源到小孔的距离;q为象距,即小孔到CCD面的距离。故增大放大率必需有较大的象距q,但象距q的增加需要有较大的箱体体积,这使得箱体庞大而笨重,采用平面镜多次反射的方法增大象距可解决此矛盾。
对于成象小孔的孔径有严格的要求,孔径太大将导致dI/dx下降,所以从提高系统精度考虑,应减小小孔直径。但孔径太小,线光源通过小孔成象到CCD面上的光强I就很弱。CCD光电传感器的转换性能如图3所示(Ith为阈值,Is为饱和值)。因此,系统设计必须保证Ith
现在研究在已确定的合适的孔径条件下,如何尽可能地提高成象在CCD中心域的光强?作者采用透镜聚焦法,在象方空间安置一个正透镜,将经过小孔、二次平面镜反射后发散的光束通过透镜作适当的会聚,从而增大了成象在CCD感光域上的光强I,同时也提高了光强的变化率dI/dx。下面将作进一步的分析比较。
假设线光源宽度为2r0,曝光箱孔径为设计光学系统的物象比为M,则如图4(a)所示,线光源通过光学系统所成象的线宽2ri近似为:
(5)式表明,象的宽度比初始线光源宽度扩散了M倍。(当然象的长度亦是线光源长度的M倍,但是它对显象管屏的制造影响不大,因此本文不作研究)。因为CCD光电传感器每个象素为微米量级,因而真正反映到CCD光敏区的光强只是很小的一部分,大部分的能量信息被丢失,从而使检测灵敏度大大降低。为了提高检测灵敏度,在光路中附加一个透镜,将发散的光束进行会聚,如图4(b)所示。透镜的位置原则上根据检测灵敏度和仪器的稳定性来确定,具体计算可从光学传输公式出发。
设2r0为线源宽度,r′0为发射光线斜率,2r为象的宽度,r′为入射于象面的光线斜率,p为物距(即线光源到透镜距离),q为象距(即透镜到CCD象面距离),f为焦距,先讨论经过透镜会聚后r最小的条件。
由光学传输公式可得[3]:
但在实际调试中, r不能太小,因为太小之后,系统太灵敏,稳定性就变差,故通常的透镜位置应使q满足:q=0.90f。
再来分析有无透镜系统灵敏度的变化情况。假设加会聚透镜后的光强分布仍为近似高斯分布,则无会聚和有会聚的光强分布函数分别为I1(x),I2(x):
3 箱体设计与制造
箱体的设计原则须考虑以下几个方面:(1)箱体底面大小与彩色显象管屏的外形尺寸一致;(2)小孔位置对应于屏上的特征点,在调试过程中小孔工件应便于调换;(3)箱体空间保证有足够的成象空间;(4)箱体不能太大和笨重,应便于操作和使用。
曝光台线光源安放在显象管的等效偏转中心平面上,设线光源到屏面距离为L0,离曝光台面为Ls,小孔安放在曝光箱底板的下表面上,这样,小孔之间距离
为屏上特征点之间距离。为了稳固起见,箱体底板是比较厚的,一般在20 mm左右,所以小孔工件必需与底板分开加工,小孔由激光加工而成。小孔工件如图6所示,取0.1～0.5mm。箱体空间由光路的放大倍数M确定,由于曝光台限制,底面不能过大,因此,通常与荧光屏大小相同。为了保证一定的放大倍数,采用多次平面反射镜而成,反射次数越多,要求箱体高度越高,通常选用二次反射,如图1所示。过多的反射镜使安装和调试更困难。曝光台线光源采用超高压水银灯,其中心波长为365μm,因此反射镜应在该波段上有全反射。反射系数又与入射角相关,不同位置的反射镜,入射角不完全一样,在制作和安装反射镜时应注意。
箱体既要有足够的稳定性,不能变形,重量又要轻,因此在结构设计和选择材料、热处理加工时应特别小心谨慎。最后,安装光电转换元件CCD时,应使CCD面垂直于入射光线。
4 系统位移灵敏度分析
曝光箱与信号处理显示装置构成曝光台校准仪。当光源与曝光台架发生相对移动时,成象在线阵CCD上光源的象就会发生位移,图1中的各小孔所成的象对位移变化敏感度是不同的,但存在一定的关系,如O4与O5,O1与O3,O6与O8均是反对称变化,而O2与O7,O1与O6,O3与O8均是对称变化(此处假定线光源长度小于CCD阵列长度)。下面举一实例说明位移灵敏度的数值概念。当线光源横向移动3μm(在最有效方向上)时,CCD光电转换器输出的模拟信号经数据采集和压频变换后,在4位数码显示器上显示的数值的变化。
该曝光箱的线光源宽度2r0=2mm,某一小孔(=0.2mm)的出射光线的斜率r′0=1.1/163≈6.75×10-3,会聚透镜焦距f=65mm,光路总长p+q=815mm,透镜离象面距离q=60mm,小孔成象系统的放大率M=4,则由(7)式可推得经过透镜会聚后成象在CCD面上象的宽度为:
因为M=4,故当线光源移动3μm时,CCD上的象移动12μm,由此可得由于位移引起4位数码显示器上数值改变量为12×0.98≈12(格)。因此,在显示数据稳定条件下,系统可以区分3μm的位移。由上分析可知:检测仪的灵敏度与成象在CCD面上的光强分布密切相关,在光强度变化的最大处,灵敏度最高,而在中心位置处其导数为零,灵敏度最低。
5 测试结果
将本文中所设计的光学系统(曝光箱)与电路系统(显示仪)联结并置于标准曝光台面,记下初始位置时各通道的显示数据,然后采用垫加塞规片使曝光箱产生微小偏移,原始数据及偏移后的显示数据如表1所示(本表采用20μm的塞规片)。
从表中可看出,显示数据的变化约为:3格/μm。因此,当曝光箱偏移3μm,则显示数据将近变化9格,而在系统稳定条件下,使用者完全能观察出这种变化。根据反复多次的测试,结果表明:整个系统工作可靠。
6 结 论
经过实验表明:理论设计与实测结果基本一致,证明设计思想正确;抗干扰能力强,工作稳定;测试精度高(可达3μm的分辨率能力);操作方便,普通的熟练工人就能操作;校准直观,只要调节曝光台上有关部件,使校准仪上显示的数据在规定的范围之内即可;价格便宜,仅为国外同类产品的1/4,因此,它是彩色显象管制造过程中的“好帮手”。
参考文献
1 吴华安编著.彩色显象管的制造与应用,北京:国防工业出版社,1992
2 蔡文贵等编著.CCD技术等应用,北京:电子工业出版社,1992
3 罗曼A W著.光学信息处理,北京:清华大学出版社,1986
作者简介：
李志能:男,1939年10月生,1962年毕业于浙江大学电真空器件专业。教授,从事光电技术研究,物理电子学与光电子学专业硕士学位指导教师,著有《现代光学系统原理》(北京:北京理工大学出版社,1994)。
叶旭 :女,1968年6月生,1990年毕业于杭州大学无线电专业,1993年毕业于浙江大学电磁场微波专业(工硕士)。现为物理电子学专业博士研究生,从事光电技术研究。
