一种新的光学角度测量与补偿

　　0　引言

　　石英(SiO2)是生产晶体振荡器的主要材料.加工时将石英晶体按一定的方位角切成薄片并在其对应面上涂覆银层作为电极,再加上封装外壳就构成了石英振荡器.由于其振荡频率与晶体方位角及形状有关,加工前需要将石英晶体通过X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)测出其方位角,而切割误差导致的上下两表面不平行会导致方位角的测量结果与实际情况并不相符,从而使晶振频率发生相应的偏离.因此有必要通过一定的方式将两表面的夹角测量出来,从而补偿这种加工误差引起的方位角的变化.

　　利用旋转法[1]测量两个不同晶面的衍射线可以同时测量出倾角和AT切角,但效率不高.本文提出了一种由He-Ne激光器、转盘、灵敏探测器(Position Sensitive Detector,PSD)和终端处理系统构成的角度补偿系统,可以和X射线测量同时进行,实时性好,测量精度高.

　　1　补偿系统的组成

　　如图1所示,补偿系统由He-Ne激光器、转盘、位置PSD和终端处理系统四部分组成.He-Ne激光器准直性好、光斑直径小,因此引入的误差也小,是比较理想的光源,用来产生系统所需的光束;转盘的作用是将晶片进行全角度扫描以获得所需要的数据;PSD用来读取反射光斑的位置数据,为后面的分析做准备;数据处理系统根据PSD探测到的数据并结合系统参数计算出晶体表面夹角并对方位角进行补偿.

　　系统的工作原理为:He-Ne激光器发出的光束以一定角度照射到晶片上(光斑的中心在转轴上),经晶片的上表面反射后被PSD探测到,然后PSD将记录的坐标值送到数据处理系统分析和计算,从而进行角度补偿.

　　2　测量原理

　　假设入射光束在YOZ平面内且与水平面的夹角为β,标准片上下表面平行且厚度为h,待测晶片上下表面的夹角为α,与标准片的厚度差为Δh,γ定义为晶片法向量投影到XOY面上与X轴正向的夹角.

　　PSD探测到的坐标位置与两个因素有关,一个是测试片与标准片的高度差,另一个是测试片上下表面的夹角.因为由高度差引起的坐标位置的变化反映到PSD上只是坐标的平移,PSD探测到的形状变化只与晶片上下表面的夹角有关,故在分析的时候可将两者分离开来.

　　式中Xh、Yh、Zh是由高度差引起的坐标位置的变化,Xα、Yα、Zα是由上下表面的夹角引起的坐标位置的变化.

　　2.1　角度引起的坐标位置变化

　　图2为晶面与坐标系的关系示意图.

　　晶片上表面的法线为

　　N=(sinα·cosγ,sinα·sinγ,cosα) (4)

　　入射光线方程为：