CN105675615A - 一种高速大范围高分辨率成像系统 - Google Patents

Abstract

<b>本发明公开</b><b>一种高速大范围高分辨率成像系统，包括宽谱光源、准直透镜、偏振分光镜、光束阻挡器、四分之一波片、景深扩增器、扫描机构、光栅、物镜、光敏探测器、触发电路、光谱仪。本发明的成像系统，在光谱编码共焦显微镜的基础上，增加了暗场探测光路和阈值触发曝光技术，实现了高分辨率、大范围、高速、低成本的划痕探测。</b>

Description

一种高速大范围高分辨率成像系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种高速大范围高分辨率成像系统。

背景技术

光学表面的缺陷检测通常采用显微成像的方法，即利用显微镜光学透镜的放大功能将被测平面上的划痕等用面阵相机记录下来。该方法能分辨最小的划痕的尺寸取决于所用显微镜的分辨率；该方法所能探测的范围取决于面阵相机的像元数量。

高速大范围光学表面的高精度缺陷检测通常面临以下三个难点：1、显微镜的成像分辨率和视场是一对矛盾，提高成像分辨率必须以牺牲视场大小为代价；例如，一个分辨率为2微米的显微成像系统经像差校正后光学视场直径为20毫米；为了完全记录直径为20毫米的光学视场，需要一个10000×10000的面阵相机，但是通常的工业面阵相机像素数不会超过9000×7000；2、显微镜成像分辨率和景深也是一对矛盾，提高成像分辨率必然牺牲成像景深，进而增加成像系统的对焦难度；3、高精度大范围成像通常由于数据量的原因无法实现高速检测。

光谱编码共焦显微镜（SpectrallyEncodedConfocalMicroscopy，SECM）是一种并行式的共焦反射显微镜(US6341036)。普通共焦显微镜采用单色激光作为激发光源，因此在物镜焦平面上只有一个聚焦点，所以必须通过X和Y两个横向维度的机械扫描来实现二维成像；与普通共焦显微镜不同的是，SECM采用宽谱光源，并利用一个光栅将该宽谱光在无限空间内向不同方向散开，从而在物镜的焦平面内形成一个线焦点；SECM所形成的线焦点上的每一个点都对应于一个唯一的波长，所以只需要用一个光谱仪就可以并行探测线焦点上所有点得反射光强。因此，SECM要比普通的共焦显微镜快1000倍左右。

明场和暗场探测：照明激光入射到无缺陷的光学表面只会发生反射，而不散射；照明激光入射到光学表面的划痕等缺陷部位就会发生散射，通常散射会改变光的传播角度和偏振方向。在光学表面缺陷检测当中，从无缺陷的部分反射回来的光不但没有有用信息，而且会缩小光敏探测器的有效动态范围，造成探测灵敏度低的问题。现有所有的SECM技术采用明场探测从被成像物体返回的光信号，由于明场探测道德光信号主要是反射光，因而不适合光学表面缺陷检测的要求。暗场光路主要探测缺陷处发出的散射光，并且阻止无缺陷处发出的反射光进入光敏探测器，因而适用于缺陷检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速大范围高分辨率成像系统，实现了高分辨率、大范围、高速、低成本的划痕探测。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高速大范围高分辨率成像系统，所述成像系统包括宽谱光源、准直透镜、偏振分光镜、光束阻挡器、四分之一波片、景深扩增器、扫描机构、光栅、物镜、光敏探测器、触发电路、光谱仪，其中，所述准直透镜位于所述宽谱光源的出射光路上，经所述准直透镜后的光源准直形成一束准直光；所述偏振分光镜位于所述准直光的出光路径上，将所述准直光分束形成一束直通光与一束反射光；所述反射光被所述光束阻挡器吸收；所述直通光经所述四分之一波片、景深扩增器、扫描机构、光栅、物镜后投射到被测物体上；从被测物体表面散射的光经原光路返回，在经过所述四分之一波片时，偏振方向改变的散射光入射至所述偏振分光镜后，被反射的部分到达所述光敏探测器上，当所述散射光的散射光信号超过设定阈值时，所述光敏探测器输出电信号至所述触发电路从而触发所述光谱仪中的线阵相机曝光。

优选地，所述成像系统以所述准直透镜中心、偏振分光镜中心连线的光轴方向为X轴；以所述四分之一波片中心、景深扩增器中心连线的光轴方向为Y轴；以准直透镜的中心为原点，根据左手定则，建立坐标系；所述直通光经四分之一波片后，其出射光的偏振方向相对于其入射光发生90°偏转，所述直通光的出射光路落在Y轴方向上，且所述直通光的出射光经光栅后的光谱中心光线与物镜的光轴垂直正交。

优选地，所述偏振分光镜与光敏探测器间还设有反射镜。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1）本发明的成像系统结合了SECM和暗场光路探测，既增大了探测范围又提高了探测灵敏度；

2）本发明的成像系统采用了阈值触发曝光技术来减少线阵相机的数据量，实现图像的快速采集、处理和存储；并降低了对相机速度、计算机速度和存储空间的要求；

3）本发明中所采用的光谱仪，其采用了线阵光相机，其像元数可达16000以上，相比基于面阵相机的检测显微镜，本发明将探测范围提高了4倍以上，数据量降低了到1%以下。

附图说明

附图1为本发明所述的高速大范围高分辨率成像系统的结构示意图；

其中：100、宽带光源；101、准直透镜；102、偏振分光镜；103、光束阻挡器；104、四分之一波片；105、景深扩增器；106、扫描机构；107、光栅；108、物镜；109、被测物体；110、反射镜；111、光敏探测器；112、触发电路；113、光谱仪；

120、准直光；130、直通光；131、直通光的出射光；140、反射光；150、透射光束；160、光谱的中心光线；170、线焦点。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

参见图1所示，一种高速大范围高分辨率成像系统，该成像系统包括宽谱光源100、准直透镜101、偏振分光镜102、光束阻挡器103、四分之一波片104、景深扩增器105、扫描机构106、光栅107、物镜108。

其中，准直透镜101位于宽谱光源100的出射光路上，经准直透镜101后的光源准直形成一束准直光120。偏振分光镜102位于准直光120的出光路径上，准直光120经偏振分光镜102后分束形成一束直通光130与一束反射光140。该反射光140被位于其出光路径上的光束阻挡器103所吸收；而该直通光130经四分之一波片104、景深扩增器105、扫描机构106、光栅107、物镜108后投射到被测物体109上。

这里，准直光120经偏振分光镜102分光后形成的直通光130与反射光140正交。

该直通光130经四分之一波片104后，该直通光的出射光131的偏振方向相对于其入射光发生90°偏转。以准直透镜101中心、偏振分光镜102中心连线的光轴方向为X轴；以四分之一波片104中心、景深扩增器105中心为Y轴，以准直透镜101的中心为原点，根据左手定则，建立坐标系。该直通光的出射光131的出光路径落在Y轴上。

本例中，光栅107的入射点通常置于物镜108的后焦点处，直通光的出射光131经光栅107后的光谱中心光线160垂直通过物镜108的光轴，整个成像系统的光路在物镜108的焦平面内所产生的线焦点170的长度可由光栅公式计算得到。本例中，该成像系统中的光路设置所产生的线焦点170沿着X轴方向分布，启动Y轴方向上的扫描机构106，即可实现XY面内的二维成像。

这里，该成像系统还包括反射镜110、光敏探测器111、触发电路112及光谱仪113。

在Y方向的扫描过程中，线焦点170照射的待测物体的大部分区域是没有表面缺陷的。在这种情况下，直通光的出射光131投射到被测物体109上后所反射的光信号经四分之一波片104后的偏正方向与直通光130的入射光的偏振方向相同。经被测物体109反射的光信号经过四分之一波片104后偏正方向发生90°偏转形成透射光束150，该透射光束150的偏振方向沿Z轴方向延伸，而直通光130的入射光在X轴上，透射光束150与直通光130的入射光正交，因此，透射光束150无法到达偏振分光镜102，从而也不会被偏振分光镜102反射到达光敏探测器111上，所以光敏探测器111所接收到的光信号低于设定阈值，从而不会触发光谱仪113内的线阵相机曝光，不会发生任何数据的采集和传输。

而当线焦点170扫过被测物体109光学表面的缺陷时，在缺陷处会发生散射，散射光经原光路返回，在经过四分之一波片104时，部分散射光的偏振方向发生随机的变化，这部分偏振方向改变的散射光入射至偏振分光镜102，在经偏振分光镜102后分成两个正交的线性偏振分量，一个偏振分量透射通过该偏振分光镜102、另一偏振分量被偏振分光镜102反射，在该被反射的偏振分量的出光路径上还设有一反射镜110，该偏振分量入射至反射镜110上后被反射到达光敏探测器111上，当散射光的散射信号超过设定阈值时，该光敏探测器111输出电信号至触发电路112触发光谱仪113中的线阵相机曝光。

通常待测光学表面的缺陷数量很少，所以在测量一个光学表面的过程中至少有99%的面积不需要采集数据，因此检测速度可以提高100倍以上。

从探测范围来讲，光谱仪113所采用的线阵光相机像元数可达16000以上，比现有面阵相机（平均单行像元数小于8000）的视场（或者叫扫描范围）大4倍以上。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高速大范围高分辨率成像系统，其特征在于，所述成像系统包括宽谱光源、准直透镜、偏振分光镜、光束阻挡器、四分之一波片、景深扩增器、扫描机构、光栅、物镜、光敏探测器、触发电路、光谱仪，其中，所述准直透镜位于所述宽谱光源的出射光路上，经所述准直透镜后的光源准直形成一束准直光；所述偏振分光镜位于所述准直光的出光路径上，将所述准直光分束形成一束直通光与一束反射光；所述反射光被所述光束阻挡器吸收；所述直通光经所述四分之一波片、景深扩增器、扫描机构、光栅、物镜后投射到被测物体上；从被测物体表面散射的光经原光路返回，在经过所述四分之一波片时，偏振方向改变的散射光入射至所述偏振分光镜后，被反射的部分到达所述光敏探测器上，当所述散射光的散射光信号超过设定阈值时，所述光敏探测器输出电信号至所述触发电路从而触发所述光谱仪中的线阵相机曝光。

2.根据权利要求1所述的高速大范围高分辨率成像系统，其特征在于：所述成像系统以所述准直透镜中心、偏振分光镜中心连线的光轴方向为X轴；以所述四分之一波片中心、景深扩增器中心连线的光轴方向为Y轴；以准直透镜的中心为原点，根据左手定则，建立坐标系；所述直通光经四分之一波片后，其出射光的偏振方向相对于其入射光发生90°偏转，所述直通光的出射光路落在Y轴方向上，且所述直通光的出射光经光栅后的光谱中心光线与物镜的光轴垂直正交。

3.根据权利要求1所述的高速大范围高分辨率成像系统，其特征在于，所述偏振分光镜与光敏探测器间还设有反射镜。