CN101644657B - 大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径精密光学元件表面缺陷检测的照明方法及装置。由于疵病方向的任意性，装置中须设置足够数量的照明光源，使元件表面任意方向疵病都能得到良好的照明。本发明通过采用旋转光源，解决了足够数量大口径照明光源和较小装置质量难以共存的难题。本发明技术特点在于：采集某视场内疵病图像时，将固定有少量照明光源筒的光源支架进行多次旋转，分别采集光源支架处于不同位置的疵病图像，这些图像叠加后的图像将包含此视场内全部疵病，相当于使用了更多数量的照明光源筒，装置质量小；设计了与旋转照明方式相对应的图像叠加算法；设计了可实现旋转光源的紧凑的机械结构。本发明为精密光学元件表面缺陷检测提供了一种实用的照明方法。

Description

大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明方法及装置

技术领域

本发明涉及一种大口径精密光学元件表面缺陷检测的照明方法及装置。

背景技术

精密光学元件表面缺陷检测中，通常采用照明光源筒照射待检元件表面，使表面缺陷产生散射光，然后利用变焦显微镜和CCD收集散射光即可获得待检元件表面暗背景下的亮疵病图像。对于划痕疵病而言，只有照明光束方向在待检元件表面投影方向与划痕方向垂直时，才会有最多的散射光进入变焦显微镜和CCD，得到最佳的散射图像。由于划痕疵病方向的任意性，因此使用的照明光源筒的数量应该足够多，方能使得待检元件表面任意方向的疵病都能得到良好的照明，获得包含待检元件表面全部疵病的数字图像。实际中，通常在同一个光源支架上呈环形均匀设置数量足够多的照明光源筒，同时照明样品表面，尽可能使任意方向的疵病都能得到良好的照明，以诱发尽可能多的散射光进入变焦显微散射成像装置。然而，如果在一个系统中同时设置数量足够多的照明光源筒，则照明装置质量将变得很大，外围尺寸也随之变大，这不仅降低了照明装置的实用性，而且影响系统美观。

在对大口径精密光学元件进行表面缺陷检测时，一般使用包含有足够数量照明光源筒、变焦显微镜、CCD的变焦显微散射成像装置对待检元件表面进行二维子孔径扫描，分别采集待检元件表面各个位置处的子孔径疵病图像，然后将所有子孔径图像进行拼接，从而得到完整的待检元件表面疵病图像。在这种情况下，子孔径图像的数量越少越好，这就要求单幅图像的视场必须足够大，因此照明光束的口径必须同时足够大。但是如果在同一个系统中设置数量足够多的大口径照明光源，就会导致照明装置体积庞大，重量也随之增加，其应用受到限制。因此迫切需要设计一种照明装置与方法，使之既能够取得足够数量照明光源筒同时照明的效果，使待检元件表面任意方向的疵病都能得到良好的照明，同时装置质量和体积较小，便于实际应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种大口径精密光学元件表面缺陷检测的照明方法及装置。

大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明方法是将n束照明光源筒固定在一起，采集某一视场内疵病图像时，将固定在一起的n束照明光源筒进行m-1次旋转，然后利用变焦显微镜和CCD采集照明光源筒处于不同旋转位置时的疵病图像，再将此视场内所有疵病图像共m幅进行叠加，叠加后的图像将包含此视场内全部疵病。相当于使用了m×n束照明光源筒对元件表面进行照明，达到了使元件表面任意方向缺陷产生散射光的目的，可对疵病达到微米量级的分辨率。

所述的再将此视场内所有疵病图像共m幅进行叠加：对于同一视场内，n束照明光源筒处于不同旋转位置时所采集的所有疵病图像共m幅，采用平均叠加的方法，叠加后的图像中每个像素的灰度值为所有疵病图像对应点灰度值的平均值。数学表达式为：

$I(i,j)=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k(i,j)$

式中，I(i，j)为叠加后图像中坐标为(i，j)的点的灰度值，I_k(i，j)为第k幅图像对应点的灰度值，m为同一视场内所采集的图像的总数，叠加后的图像包含此视场内所有疵病。

一种大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明装置包括第一束照明光源筒、第二束照明光源筒、......、第n束照明光源筒、光源支架、变焦显微镜、CCD、待检元件、电机、电机固定架、联轴器、主动齿轮轴、从动轮、角接触球轴承、承重架、机架、反射镜固定架、反射镜；承重架固定在机架上，承重架下端设有环形槽，角接触球轴承外圈固定在环形槽上，光源支架固定在角接触球轴承内圈，从动轮固定在承重架上，电机固定架固定于光源支架上，电机固定在电机固定架上，电机通过联轴器带动主动齿轮轴；第一束照明光源筒、第二束照明光源筒、......、第n束照明光源筒竖直放置，固定在光源支架上，反射镜固定在反射镜固定架上，反射镜固定架固定在光源支架上；光束通过反射镜照射待检元件表面，疵病诱发的散射光将通过变焦显微镜进入CCD，形成疵病图像。

一种大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明装置包括第一束照明光源筒、第二束照明光源筒、......、第n束照明光源筒、光源支架、变焦显微镜、CCD、待检元件、电机、电机固定架、联轴器、主动齿轮轴、从动轮、角接触球轴承、承重架、机架；承重架固定在机架上，承重架下端设有环形槽，角接触球轴承外圈固定在环形槽上，光源支架固定在角接触球轴承内圈，从动轮固定在承重架上，电机固定架固定于光源支架上，电机固定在电机固定架上，电机通过联轴器带动主动齿轮轴；第一束照明光源筒、第二束照明光源筒、......、第n束照明光源筒倾斜放置，固定于光源支架上；光束直接照射待检元件表面，疵病诱发的散射光将通过变焦显微镜进入CCD，形成疵病图像。

本发明的优点是在一个系统中仅设置少量照明光源筒，通过采用旋转的方式并将照明光源筒处于不同旋转位置时所采集的所有疵病图像进行叠加，即可取得足够数量照明光源同时照明的效果。因此，利用此方法设计的照明装置将具有很小的质量和外形尺寸，实用性强，可对疵病达到微米量级的分辨率。所设计的装置中，通过将照明光源筒竖直放置，并采用了从动轮静止而主动轮旋转，从而带动光源支架旋转的传动机构，实现旋转照明装置，机构具有很小的质量和外形尺寸，结构紧凑，很好地实现了此设计方法。而将照明光源筒倾斜方式放置，照明光束直接照射待检元件表面的装置，同样采用了从动轮静止而主动轮旋转，从而带动光源支架旋转的传动机构，较易实现，同时具有很小的质量。

附图说明

图1(a)是旋转光源装置的正视图示意图；

图1(b)是旋转光源装置的俯视图示意图；

图2(a)是照明光源筒竖直放置的旋转光源装置机构的俯视半剖图；

图2(b)是照明光源筒竖直放置的旋转光源装置机构的正视剖视图；

图3是照明光源筒倾斜放置的旋转光源装置机构的正视剖视图；

图4(a)是通过旋转方式采集到同一视场内的7幅疵病图像；

图4(b)是将图4(a)中7幅图像平均叠加后的图像；

图4(c)是图4(b)灰度增强后的图像；

图中：光源支架1、变焦显微镜2、CCD3、待检元件4、疵病5、电机6、电机固定架7、联轴器8、主动齿轮轴9、从动轮10、角接触球轴承11、承重架12、机架13、反射镜固定架14、反射镜15，第一束照明光源筒L₁、第二束照明光源筒L₂、......、第n束照明光源筒L_n、第一个空间角度位置P₁、第二个空间角度位置P₂、......、第m个空间角度位置P_m。

具体实施方式

大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明方法是将n束照明光源筒固定在一起，采集某一视场内疵病图像时，将n束照明光源筒进行m-1次旋转，然后利用变焦显微镜和CCD采集照明光源筒处于不同旋转位置时的疵病图像，再将此视场内所有疵病图像共m幅进行叠加，叠加后的图像将包含此视场内全部疵病。相当于使用了m×n束照明光源筒对元件表面进行照明，达到了使元件表面任意方向缺陷产生散射光的目的，可对疵病达到微米量级的分辨率。

如图1所示，假定须使用N束照明光源筒方能使元件表面任意方向缺陷都能得到良好照明，N束照明光源筒即为前文所述的足够数量照明筒。图1所示装置中共设置了n束照明光源筒，相邻两束照明光源筒在XY平面投影之间夹角为2π/n，其中n远远小于N。

如图1所示，n束照明光源筒为L₁，L₂，......，L_n，共同固定在同一个光源支架1上，因此可以同步旋转。图中虚线的方向为不同的空间角度位置P_k(k＝1，2，......，m)，其中P_k与P_k+1(k＝1，2，......，m-1)之间夹角为

对于L₁，初始时其处于位置P₁，使用变焦显微镜2和CCD3采集此时的疵病图像。然后将光源支架1进行旋转，使L₁处于P₂的位置(因为L₁，L₂，......，L_m固定在同一个光源支架1上，所以L₂，......，L_m将发生同步转动，转过的角度与L₁相同)，采集此时的疵病图像。再将光源支架1进行旋转，使L₁处于P₃的位置，采集此时疵病图像，......。依此类推，直至采集完L₁处于P_m位置时的疵病图像。至此，此视场内疵病图像，共m幅，采集完毕。将此m幅疵病图像进行叠加，叠加后的疵病图像将包含此视场内所有疵病。

通过采用旋转光源的设计方法，对同一视场内的疵病，相当于使用了在2π角度范围内均匀分布、总数为N＝mn的光源进行照明，达到了使待检元件4表面任意方向缺陷5都能得到良好照明的目的，叠加后的疵病图像将包含此视场内所有疵病，使得仅设置少量的照明光源筒即可获得足够数量照明光源筒同时照明的效果。

所述的再将此视场内所有疵病图像共m幅进行叠加：对于同一视场内，n束照明光源筒处于不同旋转位置时所采集的所有疵病图像共m幅，采用平均叠加的方法，叠加后的图像中每个像素的灰度值为所有疵病图像对应点灰度值的平均值。数学表达式为：

$I(i,j)=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k(i,j)$

式中，I(i，j)为叠加后图像中坐标为(i，j)的点的灰度值，I_k(i，j)为第k幅图像对应点的灰度值，m为同一视场内所采集的图像的总数，叠加后的图像包含此视场内所有疵病。

如图2所示，大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明装置包括第一束照明光源筒L₁、第二束照明光源筒L₂、......、第n束照明光源筒L_n、光源支架1、变焦显微镜2、CCD3、待检元件4、电机6、电机固定架7、联轴器8、主动齿轮轴9、从动轮10、角接触球轴承11、承重架12、机架13、反射镜固定架14、反射镜15；承重架12固定在机架13上，承重架12下端设有环形槽，角接触球轴承11外圈固定在环形槽上，光源支架1固定在角接触球轴承11内圈，从动轮10固定在承重架12上，电机固定架7固定于光源支架1上，电机6固定在电机固定架7上，电机6通过联轴器8带动主动齿轮轴9；第一束照明光源筒L₁、第二束照明光源筒L₂、......、第n束照明光源筒L_n竖直放置，固定在光源支架1上，反射镜15固定在反射镜固定架14上，反射镜固定架14固定在光源支架1上；光束通过反射镜15照射待检元件4表面，疵病诱发的散射光将通过变焦显微镜2进入CCD3，形成疵病图像。

整个机构的重量都施加在承重架12上，承重架12固定于机架13上。承重架12固定于角接触球轴承11的外圈，光源支架1固定在角接触球轴承11内圈，因此光源支架1可绕中心轴旋转。

为了实现光源支架1的旋转并减小装置外围尺寸和重量，设计中将从动轮10固定在承重架12上，相对于承重架12和机架13静止。当固定在电机固定架7上的电机6旋转时，通过联轴器8带动主动齿轮轴9旋转。此时，主动齿轮轴9将绕从动轮10旋转，从而带动固定有多束照明光源筒L₁、L₂、......、L_n的光源支架1绕中心轴旋转，实现旋转光源。由于设置了反射镜将照明光束反射到待检元件4表面，并采用了从动轮静止而主动轮旋转，从而带动光源支架旋转的传动机构，因此此装置结构紧凑，外围尺寸小，结构质量小。

如图3所示，大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明装置，其特征在于包括第一束照明光源筒L₁、第二束照明光源筒L₂、......、第n束照明光源筒L_n、光源支架1、变焦显微镜2、CCD3、待检元件4、电机6、电机固定架7、联轴器8、主动齿轮轴9、从动轮10、角接触球轴承11、承重架12、机架13；承重架12固定在机架13上，承重架12下端设有环形槽，角接触球轴承11外圈固定在环形槽上，光源支架1固定在角接触球轴承11内圈，从动轮10固定在承重架12上，电机固定架7固定于光源支架1上，电机6固定在电机固定架7上，电机6通过联轴器8带动主动齿轮轴9；第一束照明光源筒L₁、第二束照明光源筒L₂、......、第n束照明光源筒L_n倾斜放置，固定于光源支架1上；光束直接照射待检元件4表面，疵病诱发的散射光将通过变焦显微镜2进入CCD3，形成疵病图像。

此机构与图2所示机构相比，由于没有使用反射镜，光束直接照射待检元件4表面，且同样采用了从动轮静止而主动轮旋转，从而带动光源支架旋转的传动机构，因此此机构外围尺寸与图2相比要大，但其结构相对简单，容易实现。

实施例

实施例1：在旋转光源照明方式下，光源支架上均匀设置了3束照明光源筒，即相邻两束照明光源筒在元件表面所在平面投影之间夹角为采集同一视场内图像时，将光源支架旋转6次，每次旋转的角度为

因此共采集到7幅图像，即：n＝3，m＝7，N＝mn＝21。此视场内所采集到的7幅疵病图像和叠加后的图像如图4(a)和图4(b)所示。叠加后的图像包含了以上7幅图像中的所有疵病信息。灰度增强后的叠加图像如图4(c)所示，图中清晰可见照明光源筒处于不同旋转位置时的疵病情况。

Claims (3)

1.一种大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明方法，其特征在于将n束照明光源筒固定在一起，采集某一视场内疵病图像时，将固定在一起的n束照明光源筒进行m-1次旋转，然后利用变焦显微镜和CCD采集照明光源筒处于不同旋转位置时的疵病图像，再将此视场内所有疵病图像共m幅进行叠加，叠加后的图像将包含此视场内全部疵病，相当于使用了m×n束照明光源筒对元件表面进行照明，达到了使元件表面任意方向缺陷产生散射光的目的，对疵病达到微米量级的分辨率；所述的再将此视场内所有疵病图像共m幅进行叠加：对于同一视场内，n束照明光源筒处于不同旋转位置时所采集的所有疵病图像共m幅，采用平均叠加的方法，叠加后的图像中每个像素的灰度值为所有疵病图像对应点灰度值的平均值，数学表达式为：

$I(i,j)=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k(i,j)$

式中，I(i，j)为叠加后图像中坐标为(i，j)的点的灰度值，I_k(i，j)为第k幅图像对应点的灰度值，m为同一视场内所采集的图像的总数，叠加后的图像包含此视场内所有疵病。

2.一种根据权利要求1所述方法设计的大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明装置，其特征在于包括第一束照明光源筒(L₁)、第二束照明光源筒(L₂)、……、第n束照明光源筒(L_n)、光源支架(1)、变焦显微镜(2)、CCD(3)、待检元件(4)、电机(6)、电机固定架(7)、联轴器(8)、主动齿轮轴(9)、从动轮(10)、角接触球轴承(11)、承重架(12)、机架(13)、反射镜固定架(14)和反射镜(15)；承重架(12)固定在机架(13)上，承重架(12)下端设有环形槽，角接触球轴承(11)外圈固定在环形槽上，光源支架(1)固定在角接触球轴承(11)内圈，从动轮(10)固定在承重架(12)上，电机固定架(7)固定于光源支架(1)上，电机(6)固定在电机固定架(7)上，电机(6)通过联轴器(8)带动主动齿轮轴(9)；第一束照明光源筒(L₁)、第二束照明光源筒(L₂)、……和第n束照明光源筒(L_n)竖直放置，固定在光源支架(1)上，反射镜(15)固定在反射镜固定架(14)上，反射镜固定架(14)固定在光源支架(1)上；光束通过反射镜(15)照射待检元件(4)表面，疵病诱发的散射光将通过变焦显微镜(2)进入CCD(3)，形成疵病图像。

3.一种根据权利要求1所述方法设计的大口径精密光学元件表面缺陷检测的旋转照明装置，其特征在于包括第一束照明光源筒(L₁)、第二束照明光源筒(L₂)、……、第n束照明光源筒(L_n)、光源支架(1)、变焦显微镜(2)、CCD(3)、待检元件(4)、电机(6)、电机固定架(7)、联轴器(8)、主动齿轮轴(9)、从动轮(10)、角接触球轴承(11)、承重架(12)和机架(13)；承重架(12)固定在机架(13)上，承重架(12)下端设有环形槽，角接触球轴承(11)外圈固定在环形槽上，光源支架(1)固定在角接触球轴承(11)内圈，从动轮(10)固定在承重架(12)上，电机固定架(7)固定于光源支架(1)上，电机(6)固定在电机固定架(7)上，电机(6)通过联轴器(8)带动主动齿轮轴(9)；第一束照明光源筒(L₁)、第二束照明光源筒(L₂)、……和第n束照明光源筒(L_n)倾斜放置，固定于光源支架(1)上；光束直接照射待检元件(4)表面，疵病诱发的散射光将通过变焦显微镜(2)进入CCD(3)，形成疵病图像。

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