CN114354627B - 一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明装置及方法，环形均匀准直照明装置包括机械调整机构和奇数个照明单元，每个照明单元包括LED光源、光学准直系统、光学放大系统、角度可调反射镜；LED光源发出的光束经光学准直系统、光学放大系统后形成准直均匀光束，经角度可调反射镜反射后倾斜入射到目标面，多路倾斜的准直均匀光束在目标面同一位置叠加，形成具有特定入射方向的圆形均匀照明光斑。本发明中，光学准直系统和光学放大系统的设计使得照明单元出射光线的准直性较好，能够有效抑制暗场成像系统的杂散光，提高表面缺陷检测系统的信噪比；同时目标面上的照度均匀性较好，能够提高采集到图像的背景灰度均匀性，便于后续的图像处理。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，特别涉及一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明装置及方法。
背景技术
精密光学元件广泛应用于高能激光系统、空间光学、集成电路制造等领域，表面缺陷的存在会影响系统的成像或光束传输质量，导致元件局部温度升高和膜层破坏，降低系统稳定性。基于机器视觉的光学元件表面缺陷检测能够极大的提高检测效率、准确性和稳定性。
机器视觉检测系统通常基于暗场成像原理进行表面缺陷的检测，由于表面缺陷形貌和分布的随机性，要求照明系统具备环形排布的多路照明单元，从多个方向提供倾斜照明光线；为提高暗场成像系统的信噪比，避免杂散光对成像质量的影响，要求每路照明单元光束的准直性较好；为保证成像区域内光照条件的一致性，简化后续图像处理算法，对成像区域内的照明均匀性要求较高。
现有的用于表面缺陷检测的照明方法常常不能兼顾照明光线的方向性、准直性和均匀性，如公开号为CN 111610197A的中国专利文献中采用两个面光源对缺陷进行照明，照明光线的方向单一，会导致表面缺陷的漏检；公开号为CN108827971A、CN110736752A的中国专利文献中用于表面缺陷检测的环形光源仅有多个LED灯珠排列为环形，没有专门的照明系统对LED进行二次配光，导致其准直性和均匀性较差；公开号为CN106932399A的中国专利文献采用光传导匀化结构的全反射来提高照度均匀性，但准直性较差；公开号为CN112710611A的中国专利文献中通过自由曲面反射镜对环形光纤束中的每路光进行准直，但均匀性不高。且以上方法均未提供入射角度、照明区域大小和工作距离的调节功能，无法实现照明装置的通用性设计。
因此，需要针对表面缺陷检测对环形照明的要求，设计一种灵活通用的均匀准直照明装置及方法。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明装置及方法，从而实现对待测元件均匀准直的环形照明。
一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明装置，包括机械调整机构以及环形排列在机械调整机构上的奇数个照明单元，所述的照明单元包括依次布置的LED光源、光学准直系统、光学放大系统和角度可调反射镜；
每个照明单元中，LED光源发出的光束经光学准直系统、光学放大系统后形成准直均匀光束，经角度可调反射镜反射后倾斜入射到目标面，多路倾斜的准直均匀光束在目标面同一位置叠加，形成具有特定入射方向的圆形均匀照明光斑。
进一步地，所述的机械调整机构将奇数个照明单元等间距固定在一个圆周上；同时，通过改变角度可调反射镜与每个照明单元光轴之间的夹角，以改变目标面上光线入射角度的大小。
进一步地，所述的光学准直系统通过光阑的调节改变通光口径的大小，以改变目标面上照明光斑的大小。
进一步地，所述的光学放大系统通过焦距的调节改变像距，以改变环形均匀准直照明装置的工作距离。
本发明还提供了一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明方法，使用上述环形均匀准直照明装置，包括以下步骤：
(1)将目标面平行于LED光源所在的圆周放置，且目标面中心与LED光源所在圆周中心的连线垂直于目标面；
(2)确定目标面到角度可调反射镜中心的水平距离z和目标面上入射光线与目标面法线的夹角θ，环形均匀准直照明装置的结构参数通过求解下式计算：
其中，r为环形均匀准直照明装置的圆周半径，α为角度可调反射镜与每个照明单元光轴之间的夹角；
(3)通过机械调整机构将奇数个照明单元等间距固定在半径为r的圆周上，同时将反射镜与每个照明单元光轴之间的夹角调整为α；
(4)通过调节光学准直系统的光阑和光学放大系统的焦距，使得多路倾斜的准直均匀光束在目标面同一位置形成大小相等、边缘锐利的椭圆形光斑，且椭圆形光斑的中心重叠区域覆盖所需的照明区域；
(5)在目标面位置放置待测光学元件，在有表面缺陷的位置光线会发生散射进入物镜，在没有表面缺陷的位置光线会发生镜面反射不进入物镜，从而获得缺陷的高对比度暗场图像。
优选地，步骤(2)中，目标面到角度可调反射镜中心的水平距离z的范围为50mm～100mm；目标面上入射光线与目标面法线的夹角θ的范围为30°～60°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明可以兼顾环形照明的均匀性和准直性。光学准直系统和光学放大系统的设计使得照明单元出射光线的准直性较好，能够有效抑制暗场成像系统的杂散光，提高表面缺陷检测系统的信噪比；同时目标面上的照度均匀性较好，能够提高采集到图像的背景灰度均匀性，便于后续的图像处理。
2、光学准直系统的光阑、光学放大系统的焦距以及反射镜角度的可调节性大大提高了照明装置的灵活性和通用性，可以根据实际需求调整目标面上的光斑大小、照明距离以及入射光线与目标面法线的夹角。
附图说明
图1为本发明一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明装置的示意图；
图2为本发明中机械调整装置的结构图；
图3为本发明实施例中光学准直系统的光路图；
图4为本发明实施例中光学放大系统的光路图；
图5为本发明实施例中目标面的照度分布仿真结果；
图6为本发明实施例中目标面的强度分布仿真结果。
图中：1-LED光源；2-光学准直系统；3-光学放大系统；4-角度可调反射镜；5-目标面；6-准直均匀光束；7-圆周；8-光阑；9-机械调整机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1和图2所示，一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明装置，包括机械调整机构9以及安装在机械调整机构9上的奇数个照明单元，照明单元包括LED光源1、光学准直系统2、光学放大系统3、角度可调反射镜4。
每个照明单元中，LED光源1发出的光束经光学准直系统2、光学放大系统3后形成准直均匀光束，经角度可调反射镜4反射后倾斜入射到目标面5，多路倾斜的准直均匀光束6在目标面5同一位置叠加，形成具有特定入射方向的圆形均匀照明光斑。
如图2所示，机械调整机构9可将奇数个照明单元等间距固定在一个圆周7上，同时可以改变角度可调反射镜4与每个照明单元光轴之间的夹角，以改变目标面5上光线入射角度的大小。
光学准直系统2可以通过光阑8的调节改变通光口径的大小，以改变目标面5上照明光斑的大小；光学放大系统3可以通过焦距的调节改变像距，以改变环形均匀准直照明装置的工作距离。
表1为本发明实施例的一种光学准直系统的透镜组参数，其光路图如图3所示。
表1
| 名称 | 球面半径 | 厚度 | 半孔径 | 材料 |
| 物面 | 无限 | 0.0000 | 1.1725 | |
| 1 | 无限 | 0.2150 | 1.2367 | |
| 2 | 无限 | 0.3500 | 1.4896 | BSC7_H |
| 3 | 无限 | 0.1500 | 1.7880 | |
| 4 | 5.3762 | 5.9998 | 4.1591 | HLAF3B |
| 5 | 18.7195 | 1.2924 | 4.7779 | |
| 6 | 12.2082 | 5.9282 | 6.0055 | HLAF3B |
| 7 | 111.1572 | 0.1500 | 6.0383 | |
| 8 | 23.8058 | 1.9265 | 6.0844 | HLAF3B |
| 光阑 | 无限 | 0.1500 | 5.9500 | |
| 像面 | 无限 |
表2为本发明实施例的一种光学放大系统的透镜组参数，其光路图如图4所示。
表2
本发明实施例中，机械调整机构9上安装有11个照明单元。使用本实施例的环形均匀准直照明装置进行环形均匀准直照明的方法，包括以下步骤：
步骤1、将目标面5平行于11个照明单元中LED光源1所在的圆周7放置，且目标面5的中心与圆周7中心的连线垂直于圆周7所在的平面。
步骤2、设置目标面5到角度可调反射镜4中心的水平距离z＝150mm，目标面上入射光线与目标面法线的夹角θ＝35°，目标面照明区域为32mm×32mm的方形区域，环形均匀准直照明装置的结构参数通过求解下式计算：
其中，r为环形均匀准直照明装置的圆周半径，α为角度可调反射镜与每个照明单元光轴之间的夹角。
步骤3、通过机械调整机构将11个照明单元等间距固定在半径为105mm的圆周7上，同时将反射镜与每个照明单元光轴之间的夹角调整为17.5°。
通过光学仿真软件对环形均匀准直照明装置的照明效果进行建模和仿真，目标面的照度分布仿真结果如图5所示，照度调制度(最大值/平均值)为1.14，均匀性较好；目标面的强度分布仿真结果如图6所示，每一路照明单元光线的发散角在±5°左右，准直性较好。
步骤4、通过调节光学准直系统的光阑8和光学放大系统的焦距，使得多路倾斜的准直均匀光束6在目标面同一位置形成大小相等、边缘锐利的椭圆形光斑，且椭圆形光斑的中心重叠区域覆盖32mm×32mm的方形照明区域；
根据九点采样法，通过照度计采集照明区域内的照度值，每个采样点的照度值分别为3952lx、3934lx、4215lx、3868lx、3861lx、4024lx、3932lx、3915lx、3951lx，照度调制度为1.06，均匀性较高。
步骤5、在目标面位置放置待测光学元件，在表面缺陷的位置光线会发生散射进入物镜，在没有表面缺陷的位置光线会发生镜面反射不进入物镜，从而获得缺陷的高对比度暗场图像。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明方法，其特征在于，使用环形均匀准直照明装置，所述的环形均匀准直照明装置包括机械调整机构以及环形排列在机械调整机构上的奇数个照明单元，所述的照明单元包括依次布置的LED光源、光学准直系统、光学放大系统和角度可调反射镜；
每个照明单元中，LED光源发出的光束经光学准直系统、光学放大系统后形成准直均匀光束，经角度可调反射镜反射后倾斜入射到目标面，多路倾斜的准直均匀光束在目标面同一位置叠加，形成具有特定入射方向的圆形均匀照明光斑；
所述的环形均匀准直照明方法包括以下步骤：
(1)将目标面平行于LED光源所在的圆周放置，且目标面中心与LED光源所在圆周中心的连线垂直于目标面；
(2)确定目标面到角度可调反射镜中心的水平距离z和目标面上入射光线与目标面法线的夹角θ，环形均匀准直照明装置的结构参数通过求解下式计算：
其中，r为环形均匀准直照明装置的圆周半径，α为角度可调反射镜与每个照明单元光轴之间的夹角；
其中，目标面到角度可调反射镜中心的水平距离z的范围为50mm～100mm；目标面上入射光线与目标面法线的夹角θ的范围为30°～60°；
(3)通过机械调整机构将奇数个照明单元等间距固定在半径为r的圆周上，同时将反射镜与每个照明单元光轴之间的夹角调整为α；
(4)通过调节光学准直系统的光阑和光学放大系统的焦距，使得多路倾斜的准直均匀光束在目标面同一位置形成大小相等、边缘锐利的椭圆形光斑，且椭圆形光斑的中心重叠区域覆盖所需的照明区域；
(5)在目标面位置放置待测光学元件，在有表面缺陷的位置光线会发生散射进入物镜，在没有表面缺陷的位置光线会发生镜面反射不进入物镜，从而获得缺陷的高对比度暗场图像。
2.根据权利要求1所述的用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明方法，其特征在于，所述的机械调整机构将奇数个照明单元等间距固定在一个圆周上。
3.根据权利要求1所述的用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明方法，其特征在于，通过改变角度可调反射镜与每个照明单元光轴之间的夹角，以改变目标面上光线入射角度的大小。
4.根据权利要求1所述的用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明方法，其特征在于，所述的光学准直系统通过光阑的调节改变通光口径的大小，以改变目标面上照明光斑的大小。
5.根据权利要求1所述的用于表面缺陷检测的环形均匀准直照明方法，其特征在于，所述的光学放大系统通过焦距的调节改变像距，以改变环形均匀准直照明装置的工作距离。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108107050A (zh) * | 2016-11-25 | 2018-06-01 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 调整光束倾斜角的方法和调整光束倾斜角的照明装置 |
| JP2018146239A (ja) * | 2017-03-01 | 2018-09-20 | Hoya株式会社 | 欠陥検査装置、および欠陥検査装置の製造方法 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4024546C1 (zh) * | 1990-08-02 | 1991-11-14 | Gebhard 7750 Konstanz De Birkle | |
| US6330059B1 (en) * | 1999-10-27 | 2001-12-11 | Hitachi, Ltd. | Optical system for detecting surface defects, a disk tester and a disk testing method |
| US20020180959A1 (en) * | 2001-05-30 | 2002-12-05 | Hiroshi Nakajima | Optical system for detecting surface defects and disk tester and disk testing method utilizing the same optical system |
| JP3729156B2 (ja) * | 2002-06-07 | 2005-12-21 | 株式会社日立製作所 | パターン欠陥検出方法およびその装置 |
| JP2004317310A (ja) * | 2003-04-16 | 2004-11-11 | Olympus Corp | 暗視野照明装置、及び欠陥検出装置 |
| JP2010217473A (ja) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Nikon Corp | 照明装置及びこれを備える顕微鏡 |
| JP5520737B2 (ja) * | 2010-07-30 | 2014-06-11 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 欠陥検査装置および欠陥検査方法 |
| JP5568444B2 (ja) * | 2010-11-01 | 2014-08-06 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 欠陥検査方法、微弱光検出方法および微弱光検出器 |
| CN108020927A (zh) * | 2016-11-01 | 2018-05-11 | 深圳市绎立锐光科技开发有限公司 | 一种光源系统及其调节方法 |
| JP6903449B2 (ja) * | 2017-02-22 | 2021-07-14 | Hoya株式会社 | 欠陥検査装置、および欠陥検査方法 |
| US11346657B2 (en) * | 2020-05-22 | 2022-05-31 | Kla Corporation | Measurement modes for overlay |
-
2022
- 2022-01-04 CN CN202210001253.5A patent/CN114354627B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108107050A (zh) * | 2016-11-25 | 2018-06-01 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 调整光束倾斜角的方法和调整光束倾斜角的照明装置 |
| JP2018146239A (ja) * | 2017-03-01 | 2018-09-20 | Hoya株式会社 | 欠陥検査装置、および欠陥検査装置の製造方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Defects evaluation system for spherical optical surfaces based on microscopic scattering dark-field imaging method;Zhang, YH 等;《APPLIED OPTICS》;20160810;第55卷(第23期);第6162-6171页 * |
| 均匀发光小角度配光光学系统设计;邓诗涛 等;《照明工程学报》;20191215;第30卷(第6期);第83-87页 * |
| 精密表面缺陷检测散射成像理论建模及系统分析研究;王世通;《中国优秀博士学位论文全文数据库信息科技辑》;20160115(第1期);第I138-109页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114354627A (zh) | 2022-04-15 |
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