CN101413789B - 表面轮廓检测装置及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种表面轮廓检测装置,其包括一个用于提供一平行光的光源组件,一个设置于光源组件的出射光的光路上的空间光调制器,一个设置于空间光调制器的出射光的光路上的分光镜,一个设置于分光镜的出射光的光路上的波前传感器以及一个与所述波前传感器及空间光调制器电气连接的控制处理器,其用于控制所述空间光调制器启闭每一个像素的出射光以及处理所述波前传感器输出的波前斜率值以取得所测试的待测物的表面轮廓。上述的表面轮廓检测装置在空间光调制器、分光镜以及波前传感器的配合作用下,能够不与待测物接触而取得待测物的表面轮廓,避免了对待测物表面造成损伤。本发明还涉及上述表面轮廓检测装置的检测方法。

Description

表面轮廓检测装置及其检测方法

技术领域

[0001 ] 本发明涉及表面检测技术,尤其是关于一种用于表面轮廓检测的检测装置及其检 测方法。

背景技术

[0002] 检测待测物表面轮廓可让使用者了解待测物表面轮廓是否正常或符合使用者的 预期。一般的检测待测物的检测装置是接触式的,这种检测装置主要包括一个接触式测量 头,一个激光组件,一个用于处理接触式测量头所回传的数据的处理器。在测量过程中,所 述激光组件发出两束光,一束为参考光束,一束为测量光束,该测量光束随测量头的垂直位 移变化而变化。测量头以一定的速度沿被测表面移动,被测表面的凹凸不平引起测量头沿 被测表面的垂直方向上下移动,从而引起两束光的光程差改变。通过对干涉条纹移动个数 的计数,可得到光程差的变化,即可间接得到测量头的垂直位移,进而由处理器处理该垂直 位移的数据以测量待测物表面的形貌。

[0003] 上述的检测装置由于有测量头的存在,该测量头在一定测量压力下测量头可能变 形和磨损,同时影响测量结果的真实性,而且由于为了不使测量头受损伤,测量头的硬度一 般都很高,因此不适于材料表面有特别要求的测量,例如光学镜片,其表面粗糙度的要求很 高,因此不适用接触式的检测装置检测其表面轮廓。

发明内容

[0004] 有鉴于此,有必要提供一种非接触式的表面轮廓检测装置及其检测方法。

[0005] 一种表面轮廓检测装置,其包括:

[0006] 一个光源组件,用于提供一平行光;

[0007] 一个空间光调制器,设置于光源组件的出射光的光路上,用于控制入射到该空间 光调制器的每一个像素的出射光的启闭;

[0008] 一个分光镜,设置于空间光调制器的出射光的光路上,使空间光调制器的出射光 通过该分光镜,到达待测物,并出射待测物反射的光;

[0009] 一个波前传感器,设置于分光镜的出射光的光路上,用于检测与空间光调制器的 每一个像素所对应的且经待测物反射和由分光镜出射的出射光的波前斜率并输出该波前 斜率值;

[0010] 一个控制处理器,与所述波前传感器及空间光调制器电气连接,用于控制所述空 间光调制器启闭每一个像素的出射光以及处理所述波前传感器输出的波前斜率值以取得 所测试的待测物的表面轮廓。

[0011] 一种表面轮廓检测方法,其包括下列步骤:

[0012] a)初始化设置波前传感器的参考值;

[0013] b)开启光源组件,使其出射平行光并照射到空间光调制器上;

[0014] c)利用控制处理器控制所述空间光调制器开启一个像素的光并照射在待测物的表面上;

[0015] d)利用波前传感器获取设置于空间光调制器的出射光的光路上的分光镜的出射 光的波前斜率;

[0016] e)根据波前传感器设定的参考值,计算该像素所对应的待测物表面的斜率;

[0017] f)重复步骤c到步骤e,以使控制处理器控制空间光调制器扫描待测物的整个表

[0018] g)对该待测物表面的斜率进行斜率_物理尺度的转换以取得该待测物的表面轮廓。

[0019] 上述的表面轮廓检测装置及检测方法在空间光调制器、分光镜以及波前传感器的 配合作用下,能够不与待测物接触而取得待测物的表面轮廓,避免了对待测物表面造成损 伤。

附图说明

[0020] 图1是本发明实施例的表面轮廓检测装置的结构示意图;

[0021] 图2是图1的表面轮廓检测装置的检测方法的流程图;

[0022] 图3是为图1的表面轮廓检测装置的波前传感器初始化设置参考值的方法流程 图。

具体实施方式

[0023] 为了对本发明作更进一步的说明,举一较佳实施例并配合附图详细描述如下。

[0024] 请参阅图1,是本发明提供的一种表面轮廓检测装置100的结构示意图。该表面轮 廓检测装置100包括一个光源组件10,一个设置于所述光源组件10出射光光路上的空间光 调制器11,一个设置于所述空间光调制器11出射光光路上的分光镜12,一个设置于所述分 光镜12所反射的光的光路上的波前传感器(Wave-front Sensor) 13以及一个与空间光调 制器11及波前传感器13电气连接的控制处理器14。

[0025] 在本实施例中,以一个光学玻璃镜片为待测物20,在此,仅为举例而已,当然,可以 理解的是,该检测装置可以检测任何物体。

[0026] 所述光源组件10包括依光路设置的一个照明光源101、一个准直透镜102以及偏 振光转换器103。所述照明光源101可以为卤素灯、金属卤化物灯、氙灯或雷射光源等。在 本实施例中,该照明光源101为雷射光源。所述准直透镜102用来将照明光源101所发出的 光转换成平行光。所述偏振光转换器103用于将入射平行白光转换成同一偏振状态的光, 该偏振光转换器103的出射光的偏振状态可以为P偏振也可以为S偏振。在本实施例中, 该偏振光转换器103将入射平行白光转换成P偏振光,并将该平行的P偏振光作为出射光 输出。

[0027] 所述控制处理器14可以为一计算机,该控制处理器14可识别处理有关数据,并输 出结果。本实施例中,所述控制处理器14为一台中央处理器,其内安装有可识别并处理相 关数据的程序。该控制处理器14分别与空间光调制器11以及波前传感器13电气连接,利 用相关程序以系统地配合并控制所述空间光调制器11以及波前传感器13工作,即通过该 控制处理器14配合并控制所述空间光调制器11启闭每一个像素的出射光。通过该控制处理器14还可以控制所述波前传感器13工作,即通过该控制处理器14来配合并控制所述波 前传感器13与空间光调制器11同步来处理来自分光镜12的每一个像素所对应的出射光 的信号数据。在本实施例中,在所述控制处理器14内安装有一个斜率_物理尺度转换程序, 用于对来自波前传感器13的数据进行处理以取得待测物的表面轮廓。

[0028] 所述空间光调制器11可以为一个液晶装置(Liquid Crystal Device,LCD),其通 过控制处理器14中所安装的控制程序来控制该空间光调制器11的每个电极的开启与截 止,进而控制每个像素所对应的液晶的偏转以控制入射到对应每个像素的光的启闭。该空 间光调制器11在控制处理器14的控制下,可以对每个像素对应的待测物20表面进行扫 描。

[0029] 所述分光镜12包括一个偏振分束器(Polarization Beam Splitter, PBS) 121以 及一个设置于该偏振分光镜121透射光的光路上的四分之一波片122。该偏振分束器121 可以为偏振分光棱镜,也可以为金属栅格型偏振片(Wire Grid Polarizer, WGP) 0在本实 施例中,该偏振分束器121为偏振分光棱镜。该偏振分束器121根据对S偏振光和P偏振 光的作用不同,可以分为反射S偏振光而透过P偏振光,与透过S偏振光而反射P偏振光两 种形式。在本实施例中,所述偏振分束器12反射S偏振光,而可以让P偏振光透过。所述 四分之一波片122可以通过拉伸等方法获得的具有光学各向异性的有机薄膜。当光束通过 该四分之一波片122时,要反复经过四分之一波片两次即可以将该光束的偏振方向旋转90 度。在本实施例中,当来自空间光调制器11的P偏振光透过偏振分束器121后,第一次通 过该四分之一波片122,然后经待测物20反射后,第二次通过该四分之一波片122,从而使 得入射光的偏振方向旋转90度,即将入射的P偏振光转换为S偏振光,该S偏振光被偏振 分束器121反射后发射出去。

[0030] 所述波前传感器(Wave-front Sensor) 13可以为夏克-哈特曼(Shack-Hartmann) 波前传感器,其主要由微透镜阵列131和影像感测器132组成,所述微透镜阵列131利用 每个透镜在影像感测器132上形成一个像斑。所述影像感测器132可以为电荷藕合器件 图像传感器(Charge Coupled Device,(XD),也可以为互补金属氧化物半导体图像传感器 (Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)。在实施例,该影像感测器 132 为 CCD。在该波前传感器13运行时,如果入射光之斜率未改变,在本实施例中,当待测物的表 面是一个平面时,即波前是一个完好的平面时,每个透镜所成的像斑质心就在参考位置,此 时控制处理器14将记载此参考位置的数据作为该波前传感器13的参考值。当入射光的斜 率发生改变,即待测物的表面不是一个平面,则波前发生畸变时,像斑的质心将偏离参考位 置。因此,根据各个像斑的质心位置的偏移就可以通过简单的几何公式求出畸变波前上各 个透镜范围内波前的斜率,同时利用控制处理器14所安装的斜率-物理尺度转换程序对所 得的数据进行处理即可取得待测物的表面轮廓。

[0031] 下面将对本实施例所提供的表面轮廓检测装置100的表面轮廓检测方法进行详 细说明,如图2所示,为检测待测物表面轮廓的方法流程图。

[0032] 首先,步骤S201,初始化设置波前传感器13的参考值。

[0033] 步骤S202,开启光源组件10,使其出射平行光并照射到空间光调制器11上。

[0034] 步骤S203,利用控制处理器14控制所述空间光调制器11开启一个像素的光并照 射在待测物20的表面。[0035] 步骤S204,利用波前传感器13获取设置于空间光调制器11的出射光的光路上的 分光镜12的出射光的波前斜率。

[0036] 步骤S205,根据波前传感器13的设定的参考值,计算该像素所对应的待测物20表 面的斜率。

[0037] 步骤S206,重复步骤S203到步骤S206,以使控制处理器14控制空间光调制器11 扫描待测物20的整个表面。

[0038] 步骤S207,对该待测物表面20的斜率进行斜率-物理尺度的转换以取得该待测物 20的表面轮廓;

[0039] 在步骤S201中,因随入射光方向的不同,波前传感器13的参考值也不同,如图3 所示,在本实施例中,初始化设置所述波前传感器13的参考值的方法包括下列步骤:

[0040] 首先,步骤S301,选取一表面为平面的物体;

[0041] 步骤S302,开启光源组件10,使其平行出射光照射到平面物体表面上;

[0042] 步骤S303,利用波前传感器13获取分光镜12的出射光的波前斜率,并记载在所述 控制处理器14中;

[0043] 至此,则完成对波前传感器13的参考值,设定在步骤S303中所获取的波前斜率即 为波前传感器13波前斜率的参考值。

[0044] 在该表面轮廓检测装置100的检测方法中,当完成一个像素所对应的待测物20表 面轮廓的获取后,由控制处理器14开启所述空间光调制器11的下一个像素的入射光以照 射在该像素所对应的待测物20的表面上,从而取得该像素所对应的待测物20表面的轮廓。 重复步骤S203到步骤S206,使控制处理器14控制空间光调制器11扫描待测物20的整个 表面,则可以标出待测物20表面的整体轮廓,以进行其他制程,如判断该待测物20的表面 轮廓是否合格。

[0045] 在这里需要说明的是,上述的控制入射到每个像素的光的启闭、获取每个像素所 对应的待测物20表面的轮廓等都是由所述控制处理器14中所内置的处理程序自动完成, 并且该控制处理器14将最后所得的结果传输给操作者,以便让操作者判断是否进行下一 次检测操作。

[0046] 上述的表面轮廓检测装置在空间光调制器、分光镜以及波前传感器的配合作用 下,能够不与待测物接触而取得待测物的表面轮廓,避免了对待测物表面造成损伤。

[0047] 另外,本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化,只要其不偏离本发明的 技术效果,都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

  1. 一种表面轮廓检测装置,其特征在于,其包括:一个光源组件,用于提供一平行光;一个空间光调制器,设置于光源组件的出射光的光路上,用于控制入射到该空间光调制器的每一个像素的出射光的启闭;一个分光镜,设置于空间光调制器的出射光的光路上,使空间光调制器的出射光通过该分光镜,到达待测物,并出射待测物反射的光;一个波前传感器,设置于分光镜的出射光的光路上,用于检测与空间光调制器的每一个像素所对应的且经待测物反射和由分光镜出射的出射光的波前斜率并输出该波前斜率值;一个控制处理器,与所述波前传感器及空间光调制器电气连接,用于控制所述空间光调制器启闭每一个像素的出射光以及处理所述波前传感器输出的波前斜率值以取得所测试的待测物的表面轮廓。
  2. 2.如权利要求1所述的表面轮廓检测装置,其特征在于:所述光源组件包括一个光源, 一个设置在光源出射光方向上的准直透镜以及一个设置于准直透镜出射光光路上的偏振 光转换器,该准直透镜用于将光源所发出的发散光转化为平行光,所述偏振光转换器用于 将准直透镜的出射光转换为单一偏振状态的光并出射。
  3. 3.如权利要求1所述的表面轮廓检测装置,其特征在于:所述分光镜包括一个偏振分 束器与一个设置于偏振分束器与待测物之间的四分之一波片。
  4. 4.如权利要求3所述的表面轮廓检测装置,其特征在于:所述偏振分束器为偏振分光 棱镜。
  5. 5.如权利要求3所述的表面轮廓检测装置,其特征在于:所述偏振分束器为金属栅格 型偏振片。
  6. 6.如权利要求1所述的表面轮廓检测装置,其特征在于:所述空间光调制器为一个液晶装置。
  7. 7.如权利要求1所述的表面轮廓检测装置,其特征在于:所述波前传感器为一个夏 克-哈特曼波前传感器。
  8. 8.如权利要求1所述的表面轮廓检测装置,其特征在于:所述波前传感器包括一个微 透镜阵列以及一个设置于所述微透镜阵列出射光光路上的影像感测器。
  9. 9.一种表面轮廓检测方法,其包括下列步骤:a)初始化设置波前传感器的参考值;b)开启光源组件,使其出射平行光并照射到空间光调制器上;c)利用控制处理器控制所述空间光调制器开启一个像素的光并照射在待测物的表面上;d)利用波前传感器获取设置于空间光调制器的出射光的光路上的分光镜的出射光的 波前斜率;e)根据波前传感器设定的参考值,计算该像素所对应的待测物表面的斜率;f)重复步骤c到步骤e,以使控制处理器控制空间光调制器扫描待测物的整个表面;g)对该待测物表面的斜率进行斜率_物理尺度的转换以取得该待测物的表面轮廓。
  10. 10.如权利要求9所述的表面轮廓检测方法,其特征在于:该初始化设置波前传感器的参考值的方法包括下列步骤: 提供一表面为平面的物体;开启光源组件,使其平行出射光照射到平面物体表面上; 利用波前传感器获取分光镜的出射光的波前斜率,并记载在所述控制处理器中。
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