彩色显象管曝光台校准仪光学系统的设计

　　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<I<I.

　　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。