CN102636496B - 光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化系统及方法。本发明解决了疵病检测中物面疵病的实际宽度与CCD成像像素宽度的关联问题。本发明的技术特点在于：为模拟存在疵病的光学表面，制作一个刻有一系列标准宽度刻线的石英定标板，并用扫描电镜标定刻线的实际宽度；使用一个光学表面疵病暗场检测系统，利用其中的精密导轨移动石英定标板并配合CCD采集每条定标线的暗场灰度图；对这些灰度图进行特征识别和特征提取，并与其实际宽度进行比对建立暗场物像关联函数。获得暗场物像关联函数后即可通过处理在同样成像条件下采集的被测件图像来对其表面划痕的宽度进行标定。实现了对光学表面宽度在微米及亚微米量级的疵病的标定的标准化。

Description

光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化方法

技术领域

    本发明涉及一种光学表面疵病暗场检测中的划痕宽度标定系统及方法。 

背景技术

随着现代光学技术的发展，高精度精密仪器系统对其中光学元件表面质量的要求愈来愈高，有时即使是微米、亚微米甚至接近纳米量级的精密光学元件表面疵病都将对整个精密仪器系统的性能造成严重影响。其中对精密光学元件表面疵病更是有严格的要求。精密光学元件的表面疵病通常只有微米甚至亚微米量级，而元件的尺寸则从几毫米到几百毫米不等，甚至更大。因此和疵病的尺度想比较，疵病的分布是极分散的，这对光学元件表面疵病准确且快速的标定带来了挑战。 

目前我国对于光学表面疵病的检测主要采用目视判读的方法。这种方法因为引入了人工的主观因素，因而准确度较低，难以成为标准化的定量的检测方式。其它基于检测仪器的精密光学元件表面疵病的检测方法大多是根据疵病对光的不同的散射特性来判别的，如：高通滤波成像法，采用特殊光栏，使具有高频成份的疵病散射光成像，可观察暗背景上亮象；基于全积分散射技术（Total Integral Scatter, TIS）扫描散射显微镜利用小口径激光束及半球收集散射光检测表面。另外还有利用疵病的衍射特性来进行测量的系统和方法，如激光衍射谱图识别进行扫描成像；扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）等一些检测精密表面微观轮廓的仪器。这些方法或多或少存在缺陷，如由于视场过小而难以对较大口径的元件进行检测、检测时间很慢或者疵病无法精确定标等。 

使用光学表面疵病暗场检测系统能够获得光学元件表面特征的暗场图像，能够获得较高的分辨率和较大的光学元件检测范围。然而要利用其实现疵病的精确标定，还需要对暗场图像进行如阈值分割、数学形态学操作、特征识别与提取等一系列操作，并经过拟合获取像面像素与物面尺寸的关联函数。本发明旨在建立对光学表面疵病宽度的快速且标准化的标定流程，实现对光学元件表面疵病的自动化的客观的标准化标定。 

发明内容

本发明的目的是提供一种光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定的标准化系统及其方法。 

光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化系统包括高分辨率CCD、连续变倍显微镜、LED环形光源、工作平台、一维扫描移导系统、移导系统驱动电路、被测件、图像采集系统和计算机；从上到下顺次设有高分辨率CCD、连续变倍显微镜、环形照明LED光源、被测件、工作平台、一维扫描移导系统，一维扫描移导系统、移导系统驱动电路、计算机、图像采集系统、高分辨率CCD顺次相连；使用LED环形光源照明位于工作平台上的被测件，计算机控制移导系统驱动电路驱动一维扫描移导系统使工作平台做一维扫描运动，使连接于连续变倍显微镜上端的高分辨率CCD可以对被测件上的不同区域进行子孔径图像采集；高分辨率CCD对子孔径图像的采集是由受计算机控制的图像采集系统操控的。 

疵病宽度标定标准化方法包括如下步骤： 

1)为模拟存在疵病的光学表面，制作一个刻有一系列标准图形的石英定标板：石英定标板上刻有的标准图形包括多组均匀排列的宽度从亚微米到几十微米渐变的直刻线定标线、均匀排列的直径从亚微米到几十微米渐变的圆点、宽度为微米级的辐射型均匀排列的直刻线；石英定标板的制作流程为：选用镀有铬膜的进口标准石英掩模基板，经过电子束曝光、反应离子束刻蚀、铬模去除，将标准定标图形刻制在石英板表面，获得石英定标板；

2)通过使用扫描电镜对石英定标板上的定标线进行测量获得石英定标板定标线的物面实际宽度作为标准宽度值，可以进行标准溯源； 

3)使用光学表面疵病暗场检测系统对石英定标板上的一组定标线进行暗场定标灰度图像采集：将制作好的石英定标板作为被测件放置在工作平台上，使某组定标线的最左侧一条定标线位于连续变倍显微镜中心，并使该组定标线的排列方向与一维移导系统的运动方向平行，使用计算机、移导系统驱动电路和图像采集系统相互配合，使一维扫描移导系统带动工作平台上的被测件每向左移动一个定标线间隔的距离使相邻一条定标线位于显微镜视场中心位置时，高分辨率CCD就对被测件进行一次暗场定标灰度图像采集，如此重复至该组定标线最右侧的一条定标线的暗场定标灰度图像采集完成；

4)对定标暗场灰度图像进行中心定标线的特征识别与特征提取操作：用统计的方法选取阈值对灰度图像进行阈值分割操作，依据八连通域原则判定出每个独立的特征并通过对其进行标记，根据每个特征的面积和坐标位置识别出位于图像中心的一条定标线，将图像除中心定标线以外的部分赋0变为背景；再使用数学形态学操作中的腐蚀和膨胀操作去除中心定标线边界的毛刺，并将定标线中出现的空心部分填充完整；以包围定标线的最小矩形的对角线长为定标线的长度，以其面积与长度的比值作为该中心定标线的像素宽度值；

5)建立被测样品物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数：暗场物像关联函数是自变量为以像素为单位的CCD像面像素宽度值，因变量为以微米为单位的物面实际宽度值的一次函数；使用最小二乘法，对石英定标板定标线的物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数进行拟合。

本发明中使用的光学表面疵病显微镜暗场检测系统一方面比扫描电镜等微观轮廓仪拥有更大的视场，能获得更高的检测速度和更大的检测范围；另一方面比起不能排除人的主观因素的目视法，这种暗场检测方法能够获得客观的评价结果。由于使用标准化的评价流程和可以进行标准溯源的含有标准宽度定标线的石英定标板进行标准比对，获得物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数，因此这是一种标准化的评价方法，它实现了对光学表面疵病宽度的更高精度的标准化的标定。 

附图说明

图1是光学表面疵病暗场检测系统示意图； 

图2是定标板的设计图纸；

图3(a)是定标板的制作流程图；

图3(b)是与定标板的制作流程图相对应的制作效果示意图；

图4是定标板经扫描电镜检测的图像；

图5是通过定标暗场灰度图像提取定标线CCD像素宽度得的处理流程图；

图6(a)是显微镜在16倍下采集得到一幅定标暗场灰度图像；

图6(b)是图6(a)经阈值分割后获得的二值图；

图6(c)是图6(b)经一系列处理后最终用于提取宽度特征的图像；

图7是显微镜在16倍下最终获得的宽度暗场物像关联函数及其曲线；

图8是定标板经扫描电镜检测测得的实际宽度与设计宽度的对比图。

具体实施方式

如图1所示，光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化系统包括高分辨率CCDS1、连续变倍显微镜S2、LED环形光源S3、工作平台S4、一维扫描移导系统S5、移导系统驱动电路S6、被测件S7、图像采集系统S8和计算机S9；从上到下顺次设有高分辨率CCDS1、连续变倍显微镜S2、环形照明LED光源S3、被测件S7、工作平台S4、一维扫描移导系统S5，一维扫描移导系统S5、移导系统驱动电路S6、计算机S9、图像采集系统S8、高分辨率CCDS1顺次相连；使用LED环形光源S3照明位于工作平台S4上的被测件S7，计算机S9控制移导系统驱动电路S6驱动一维扫描移导系统S5使工作平台S4做一维扫描运动，使连接于连续变倍显微镜S2上端的高分辨率CCDS1可以对被测件S7上的不同区域进行子孔径图像采集；高分辨率CCDS1对子孔径图像的采集是由受计算机S9控制的图像采集系统S8操控的。 

疵病宽度标定标准化方法包括如下步骤： 

1)为模拟存在疵病的光学表面，制作一个刻有一系列标准图形的石英定标板：石英定标板上刻有的标准图形包括多组均匀排列的宽度从亚微米到几十微米渐变的直刻线定标线、均匀排列的直径从亚微米到几十微米渐变的圆点、宽度为微米级的辐射型均匀排列的直刻线。石英定标板的制作流程为：选用镀有铬膜的进口标准石英掩模基板，经过电子束曝光、反应离子束刻蚀、铬模去除，将标准定标图形刻制在石英板表面，获得石英定标板。如图2所示为石英定标板的设计图纸，其中，定标线用于宽度标定、圆点用于模拟麻点、辐射线用于观察不同分布方向划痕疵病成像情况，石英定标板上还设计了为了便于分区定位的十字线和用于视场测量的标尺。石英定标板的制作流程如图3(a)所示：首先采用电子束曝光的方法，将设计好的定标图案转移到掩模板的铬膜上。这种方法的制造精度可达0.2微米以上，刻制的定标线的最小线宽可达到微米和亚微米量级。掩模板制作完成后，使用反应离子束刻蚀法（Reactive Ion Beam Etching，RIBE），以铬膜为保护层，将定标图样转移至石英基板上。最后将掩模板上的铬膜去除，即可得到具有定标线、圆点、辐射线等具有预设标准宽度的图形的石英定标板。对应如图3(a)所示的制作流程的制作效果示意图如图3(b)所示。

2)通过使用扫描电镜对石英定标板上的定标线进行测量获得石英定标板定标线的物面实际宽度作为标准宽度值，可以进行标准溯源。具体测量方法为：对制作完成的石英定标板进行抽样，选择一块石英定标板上的一组定标线使用扫描电镜进行定标线宽度测量，测得所刻制的定标线的实际宽度作为定标线的标准线宽以备后面对被测样品物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数进行拟合时作为被测样品物面的实际宽度使用。如图4所示为一条定标线的扫描电镜测量图。由于定标线的标准线宽是通过扫描电镜测量获得的，因此该标准是可以进行标准溯源的，保证了以此定标板上的定标线宽度作为标准的可靠性。 

3)使用光学表面疵病暗场检测系统对石英定标板上的一组定标线进行暗场定标灰度图像采集：将制作好的石英定标板作为被测件S7放置在工作平台S4上，使某组定标线的最左侧一条定标线位于连续变倍显微镜S2中心，并使该组定标线的排列方向与一维扫描移导系统S5的运动方向平行，使用计算机S9、移导系统驱动电路S6和图像采集系统S8相互配合，使一维扫描移导系统S5带动工作平台S4上的被测件S7每向左移动一个定标线间隔的距离使相邻一条定标线位于显微镜视场中心位置时，高分辨率CCDS1就对被测件S7进行一次暗场定标灰度图像采集，如此重复至该组定标线最右侧的一条定标线的暗场定标灰度图像采集完成。这种图像采集方法保证了每条定标线的成像环境一致，使得其CCD像面上的像素宽度只受其物面宽度得影响，同时避免了子孔径拼接的麻烦以及拼接误差导致的错位带来的定标线误判或定标线像面像素宽度的特征提取误差。 

4) 如图5所示为对定标暗场灰度图像进行中心定标线的特征识别与特征提取操作的流程图。用统计的方法选取阈值对灰度图像进行阈值分割操作，依据八连通域原则判定出每个独立的特征并通过对其进行标记，根据每个特征的面积和坐标位置识别出位于图像中心的一条定标线，将图像除中心定标线以外的部分赋0变为背景；再使用数学形态学操作中的腐蚀和膨胀操作去除中心定标线边界的毛刺，并将定标线中出现的空心部分填充完整；以包围定标线的最小矩形的对角线长为定标线的长度，以其面积与长度的比值作为该中心定标线的像素宽度值。具体的操作方法为：首先用Otsu方法分析全部定标灰度图像求出合适的阈值T，使用这个统一的阈值T对每条定标线的如图6(a)所示的暗场灰度图像进行阈值分割操作，将图像中大于阈值T的部分视为特征，小于阈值T的部分视为背景，使特征与背景分割开来，并将特征和背景的值分别置为1和0，实现定标图像的二值化，获得如图6(b)所示的二值图。 

通过在八连通域的各个方向搜索的方式判定出每个独立的特征并对其进行标记，判断出每个特征的全部像素位置；求出全部特征的面积的平均值A，将面积值大于A的特征视为定标线，小于A的特征视为噪声或污渍、灰尘。在代表定标线的特征中，根据重心位置选取位于视场中心的一个特征，即当前视场中位于中心的一条定标线，将图像除中心定标线以外的部分赋值为0变为背景。 

以包围该目标的矩形的对角线像素长度作为该定标线的长度，求面积和长度的比值获得定标线宽度。由于此时定标线图像可能存在空心和毛刺，因此这个宽度只是一个粗测的宽度值。根据这个粗测的宽度值计算出一个相应大小的圆形算子，使用这个算子对定标线图像进行一次数学形态学操作中的腐蚀和膨胀操作去除中心定标线边界的毛刺，并将定标线中出现的空心部分填充完整。这样就获得了如图6(c)所示的只有一条定标线的图像的定标二值图。以包围定标线的最小矩形的对角线长为定标线的长度，以其面积与长度的比值作为该中心定标线的像素宽度值。所有的定标线暗场灰度图都经如上步骤处理完成后，即获得了全部定标线的CCD像的像素宽度。 

5)建立被测样品物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数：暗场物像关联函数是自变量为以像素为单位的CCD像面像素宽度值，因变量为以微米为单位的物面实际宽度值的一次函数；使用最小二乘法，对石英定标板定标线的物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数进行拟合，即可获得如图7所示的被测样品物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数和关联函数曲线。 

实施例

光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化系统示意图如图1所示。使用环形照明LED光源照明位于工作平台上的定标板，使用分辨率为2048×2048的高分辨率CCD，通过1X-16X连续变倍的显微镜对定标板进行观测和图像采集，构成显微镜暗场成像。通过计算机控制精度为1μm的一维导轨移动石英定标板所在的工作平台，实现对定标板子孔径的扫描。 

按照上述的步骤，首先制作一个刻有一系列标准图形的石英定标板。对制作完成的石英定标板进行抽样，选择一块定标板上的一组定标线使用扫描电镜进行定标线宽度的测量。如图4所示为设计宽度为5μm的定标线的扫描电镜测量图；一组定标线经扫描电镜检测测得的实际宽度与设计宽度的对比图如图8所示。 

接着使用光学表面疵病暗场检测系统在显微镜16X放大倍率下对石英定标板上的一组定标线依次进行定标图像采集，获得41张分别对应41条定标线的如图6(a)所示的定标暗场灰度图像。 

对41条定标线的定标暗场灰度图像进行中心定标线的特征识别与特征提取操作，在获得41张如图6(c)所示的只有中心定标线图像的定标二值图后，据此进行宽度特征提取，求出全部定标线的CCD像面的像素宽度后，比对扫描电镜测量获得的定标线实际宽度使用最小二乘法进行拟合，最终获得了如图7所示的被测样品物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数和关联函数曲线。该关联函数为 

，其中代表CCD像面的像素宽度，

代表对应的物面实际宽度。 

Claims (1)

1.一种利用光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化系统的疵病宽度标定标准化方法，其中：

所述光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化系统包括高分辨率CCD(S1)、连续变倍显微镜(S2)、LED环形光源(S3)、工作平台(S4)、一维扫描移导系统(S5)、移导系统驱动电路(S6)、被测件(S7)、图像采集系统(S8)和计算机(S9)；从上到下顺次设有高分辨率CCD(S1)、连续变倍显微镜(S2)、LED环形光源(S3)、被测件(S7)、工作平台(S4)、一维扫描移导系统(S5)，一维扫描移导系统(S5)、移导系统驱动电路(S6)、计算机(S9)、图像采集系统(S8)、高分辨率CCD(S1)顺次相连；使用LED环形光源(S3)照明位于工作平台(S4)上的被测件(S7)，计算机(S9)控制移导系统驱动电路(S6)驱动一维扫描移导系统(S5)使工作平台(S4)做一维扫描运动，使连接于连续变倍显微镜(S2)上端的高分辨率CCD(S1)可以对被测件(S7)上的不同区域进行子孔径图像采集；高分辨率CCD(S1)对子孔径图像的采集是由受计算机(S9)控制的图像采集系统(S8)操控的；

所述疵病宽度标定标准化方法包括如下步骤：

1)为模拟存在疵病的光学表面，制作一个刻有一系列标准图形的石英定标板：石英定标板上刻有的标准图形包括多组均匀排列的宽度从亚微米到几十微米渐变的直刻线定标线、多组均匀排列的直径从亚微米到几十微米渐变的圆点、以及多组宽度为微米级的辐射型均匀排列的直刻线；石英定标板的制作流程为：选用镀有铬膜的进口标准石英掩模基板，经过电子束曝光、反应离子束刻蚀、铬模去除，将标准定标图形刻制在石英掩模基板表面，获得石英定标板；

2)通过使用扫描电镜对石英定标板上的定标线进行测量获得石英定标板定标线的物面实际宽度作为标准宽度值，可以进行标准溯源；

3)使用光学表面疵病暗场检测中疵病宽度标定标准化系统对石英定标板上的一组定标线进行暗场定标灰度图像采集：将制作好的石英定标板作为被测件(S7)放置在工作平台(S4)上，使某组定标线的最左侧一条定标线位于连续变倍显微镜(S2)中心，并使该组定标线的排列方向与一维扫描移导系统(S5)的运动方向平行，使用计算机(S9)、移导系统驱动电路(S6)和图像采集系统(S8)相互配合，使一维扫描移导系统(S5)带动工作平台(S4)上的被测件(S7)每向左移动一个定标线间隔的距离使相邻一条定标线位于显微镜视场中心位置时，高分辨率CCD(S1)就对被测件(S7)进行一次暗场定标灰度图像采集，如此重复至该组定标线最右侧的一条定标线的暗场定标灰度图像采集完成；

4)对暗场定标灰度图像进行中心定标线的特征识别与特征提取操作：用统计的方法选取阈值对灰度图像进行阈值分割操作，依据八连通域原则判定出每个独立的特征并通过对其进行标记，根据每个特征的面积和坐标位置识别出位于图像中心的一条定标线，将图像除中心定标线以外的部分赋0变为背景；再使用数学形态学操作中的腐蚀和膨胀操作去除中心定标线边界的毛刺，并将定标线中出现的空心部分填充完整；以包围定标线的最小矩形的对角线长为定标线的长度，以其面积与长度的比值作为该中心定标线的像素宽度值；

5)建立被测样品物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数：暗场物像关联函数是自变量为以像素为单位的CCD像面像素宽度值，因变量为以微米为单位的物面实际宽度值的一次函数；使用最小二乘法，对石英定标板定标线的物面实际宽度与CCD像面像素宽度间的暗场物像关联函数进行拟合。

Images