CN114441531A - 带图像识别的自动聚焦方法、装置、计算机及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带图像识别的自动聚焦方法、装置、计算机设备和存储介质，方法包括：选择开启图像系统和/或聚焦系统；依据获取的成像光束和/或聚焦光束进行自动聚焦；当选择同时开启图像系统和聚焦系统时，同时采集图像系统的多幅图像信息和聚焦系统的能量差值信息，并记录采集多幅图像和能量差值时的Z向位置，使图像中心和聚焦中心对准，以获得被测物体的同步焦点位置；装置包括主镜头、聚焦光源、图像照明光源、聚焦接收端、图像接收端。本方案的方法使用共镜头的设计，两套系统实现中心对准，可以相互弥补，可以更加快速精确的找到被测物面，能够满足目前市场上绝大部分半导体量测设备的需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体测量技术领域，特别涉及一种半导体测试设备中的一种带图像识别的自动聚焦装置。
背景技术
在半导体集成电路的制造中，从开始的晶圆生长，到后期的芯片封装，测量设备都是半导体行业链中不可或缺的一部分。
在半导体量测设备中，自动聚焦的应用是必不可少的。对于半导体量测设备应用中，如何快速、精确、精准地找到焦面是量测设备的一个重要组成部分。
目前，常见的自动聚焦方式一般利用光波、声波或其他波导发射到被测物体上，被测物体反射后由接收器收到反射回来的信号进行处理，完成调焦、对焦。自动聚焦的准确性和定位精度直接影响下一步的加工和量测的准确性，是半导体设备中非常重要的一个组成部分。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有常见的自动聚焦方式至少存在以下缺陷：现有的自动聚焦系统功能单一，在一些使用场景下，比如被测物体的图案复杂且存在有一定高度差时，聚焦精度、速度不满足使用要求。
有鉴于此，如何克服现有存在的问题，便成为本发明所要研究的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种带图像识别的自动聚焦方法、装置、计算机设备及存储介质。
为达到上述目的，本发明的第一方面提出了一种带图像识别的自动聚焦方法，用于半导体量测设备的自动焦点定位，其创新点在于，该方法包括：
(1)选择开启图像系统和/或聚焦系统
根据应用场景判断来选择开启图像系统和/或聚焦系统，对应图像系统启动照明光源、对应聚焦系统启动聚焦光源，所述照明光源和聚焦光源均通过同一个主镜头照射到被测物体表面，由被测物体表面激发反射回主镜头后再经过分光分别获取成像光束和聚焦光束；
(2)依据获取的成像光束和/或聚焦光束进行自动聚焦
当选择开启图像系统时，调整主镜头到被测物体表面的Z向位置并采集多幅由成像光束形成的图像信息，根据图像信息计算出的清晰度数值和Z向位置来获取清晰图像Z向位置；
当选择开启聚焦系统时，调整主镜头到被测物体表面的Z向位置并将聚焦光束分光成焦前光束和焦后光束，计算焦前光束和焦后光束的能量差值信息来获取焦点Z向位置；
当选择同时开启图像系统和聚焦系统时，同时采集图像系统的多幅图像信息和聚焦系统的能量差值信息，并记录采集多幅图像和能量差值时的Z向位置，获得被测物体的同步焦点位置。
本发明的第二方面提出了一种带图像识别的自动聚焦装置，用于半导体量测设备的自动焦点定位，其创新点在于，该聚焦装置包括：
主镜头，用于将光路垂直入射被测物体表面并接收、传播经激发反射回来的光路；
聚焦光源，用于提供聚焦需要的光束；
图像照明光源，用于提供成像需要的光束；
分光器件，设置为多个，用于分光束和合光束；
聚焦接收端，用于接收被测物体表面反射回来的聚焦光束及聚焦能量差值信息；
图像接收端，用于接收被测物体表面反射回来的成像光束及图像信息；
从所述图像照明光源、聚焦光源发射的光束经由分光器件耦合后形成第一光路，第一光路通往主镜头后照射到被测物体表面；第一光路由被测物体表面激发反射回主镜头中形成第二光路，第二光路经由分光器件分成聚焦光束和成像光束，其中聚焦光束传导给聚焦接收端后获取聚焦能量差值信息，成像光束传导给图像接收端后获取图像信息；
所述聚焦装置被配置成：选择性得控制图像照明光源、聚焦光源提供光源，以使聚焦接收端、图像接收端选择性地启动以获取聚焦能量差值信息和/或图像信息，通过一个主镜头分别单独获取聚焦能量差值信息、图像信息或同时获取聚焦能量差值信息、图像信息的方式来完成对被测物体的聚焦定位。
本发明的第三方面提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其创新点在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面所述的方法的步骤。
本发明的第四方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行第一方面所述的方法的步骤。
本发明的有关内容解释如下：
1.通过本发明的上述技术方案的实施，针对现有自动聚焦系统又加入了图像识别的系统，在聚焦系统工作的同时可以实施观察到聚焦面图像，可以测到哪里看到哪里，也可以看到哪里测到哪里，实现被测物的精准定位，使用共镜头的设计，两套系统实现中心对准，聚焦中心就是图像中心，进一步的提升了对准精度。同时两套系统可以单独使用，采用光源开关进行控制。两套聚焦方式也可以相互弥补，在遇到没有图案的光滑表面时，能量聚焦更加准确。如果遇到图案复杂并且存在一定高度差，在使用能量聚焦的同时加入图像聚焦的辅助定位，可以更加快速精确的找到被测物面，单独使用图像聚焦方式可使焦点定位精度达到um级别，再使用能量聚焦方式可使焦点定位精度达到nm级别，可以满足目前市场上绝大部分半导体量测设备的需求。
2.在上述技术方案中，在所述选择开启图像系统和/或聚焦系统步骤中，若需要找到被测物体的最清晰图像Z向位置则开启图像系统，若需要找到聚焦系统基于被测物体的焦点Z向位置则开启聚焦系统，若既要找到清晰图像又要找到聚焦系统基于被测物体的焦点则图像系统和聚焦系统同时开启。
3.在上述技术方案中，获取成像光束后，对图像系统采集到的多幅图像使用图像清晰度算法计算出对应的清晰度数值；使用采集图像时的Z向位置和计算出的清晰度数值进行抛物线拟合，所拟合抛物线顶点对应的Z向数值即为待测样品图像最清晰Z向位置。
4.在上述技术方案中，获取聚焦光束后，采用差值式聚焦方法，利用焦前、焦后的能量差值做出离焦曲线，通过曲线斜率定位焦点Z向位置。
5.在上述技术方案中，当图像清晰度算法中的图像清晰度评价函数计算所得的清晰度数值集合单调上升，或者清晰度数值集合虽然有下降趋势但不足以拟合抛物线时，重新聚焦，将Z向移动范围向清晰度最大Z向位置上平移；
当图像清晰度算法中的图像清晰度评价函数计算所得的清晰度数值集合单调下降，或者清晰度数值集合虽然开始虽有上升趋势但不足以拟合抛物线时，重新聚焦，将Z向移动范围向清晰度最大Z向位置下平移。
6.在上述技术方案中，对聚焦系统采集到的能量差值做归一化处理后获得归一化数值，并采用以下步骤处理：
(a)Z向位置和对应聚焦能量差值归一化数值组成包含线性段的曲线的一部分；
(b)从这些能量差值归一化数值中找到和聚焦系统焦点处归一化数值最接近的归一化数值和对应的Z向数值Z0；
(c)以此Z向数值Z0为中心，在采集到的能量差归一化数值集中找到上下固定的Z向范围Zdelta内的所有Z值集合和归一化数值集合；
(d)使用步骤(c)中的Z集合和归一化数值集合拟合直线；
(e)依据拟合所得直线方程，使用聚焦系统焦点处归一化数值计算出所对应的Z向位置，即为聚焦系统基于待测样品的焦点Zfocus。
8.在上述技术方案中，聚焦系统的焦点位置归一化数值不包含在归一化数值集合的数值的变化范围，或者即使出现在数值的变化范围内，但是数据不足以拟合直线时，重新聚焦，聚焦范围向距离聚焦系统归一化数值偏离的方向平移。
9.在上述技术方案中，获取成像光束后，调节图像中心位置，使得聚焦光斑在图像正中心，实现图像中心和聚焦点的中心重合，调节图像与CCD探测器的角度，使被测图像的水平与CCD探测器长轴方向平行，使被测物体的运动方向与CCD探测器获取图像的上、下、左、右方向一致。
11.在上述技术方案中，所述聚焦接收端包含两路聚焦光接收组件，每路聚焦光接收组件均包含小孔、接收准直镜和探测器，其中一路聚焦光接收组件中的小孔位于焦前位置、另一路聚焦光接收组件中的小孔位于焦后位置，采用差值聚焦方法，利用镜头焦前、焦后的能量差值曲线，计算出焦点位置。
12.在上述技术方案中，所述图像接收端包含管镜、图像接收器CCD、旋转调节结构和二维平动调节结构；所述二维平动调节结构用于调节图像中心位置，使得聚焦光斑在图像正中心；所述旋转调节结构用于调节图像与CCD探测器的角度，使被测图像的水平与CCD探测器长轴方向平行，也使被测物的运动方向与CCD获取图像的上、下、左、右方向一致。
13.在上述技术方案中，所述分光器件包括第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜和第四分光镜；所述聚焦光源和图像照明光源用一个第一分光镜共同耦合进入第二分光镜中再经由主镜头照射到被测物体表面，光束从被测物体表面激发发射回主主镜头形成第二光路后穿过第二分光镜后入射到第三分光镜上，第二光路的一部分光束直接穿过第三分光镜后入射到图像接收端进行成像，另一部分光束通过第三分光镜的反射进入第四分光镜，第四分光镜再次将光束分为两路，一路入射到位于焦前位置的小孔，另一路入射到位于焦后位置的小孔。
14.在上述技术方案中，所述聚焦光源、图像照明光源处均设置用于将点光源或面光源的光准直成平行光的准直系统。
15.在上述技术方案中，所述聚焦光源、图像照明光源处均设置用于对宽光谱光源进行波段选择的滤光片。
16.在上述技术方案中，所述分光器件采用的分光镜使用宽波段镀膜元件和点格分光镜。
17.在上述技术方案中，所述主镜头采用复消色差主镜头，在聚焦接收端设置有透镜。
18.在上述技术方案中，所述主镜头可切换得安装于该聚焦装置上。
19.在上述技术方案中，所述聚焦光源、图像照明光源采用氙灯、卤素灯、LDLS或LED光源，所述聚焦光源、图像照明光源采用光纤耦合或空间直接耦合。
20.在上述技术方案中，在使图像中心和聚焦中心对准后，并对被测物体图案与成像图案做一致性调整，所述一致性调整包含图像系统长轴方向与运动平台水平方向(X)的平行度，另一方面是图像系统与待测样品的垂直度，其中：
平行度的判断通过移动承载待测有图案样品的运动平台的水平轴(X)，检查待测样品上某一特征图案(比如十字，矩形的特定一角)无论出现在成像图案横向的左侧，中心还是右侧，其在成像图案中的纵向位置(也就是特征图案在成像图案中的像素坐标Y)基本不变；
垂直度的判断选取具有标准尺寸图案(已知图案外形尺寸，且图案尺寸非常准确，比如已知100um*100um的正方形)的待测样品，通过检查该图案在成像图案中的边框大小比例(比如正方形在成像图案中的两个边的像素个数是否相等)来判断图像是否发生畸变，从而确定垂直度是否达标。
21.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
22.在本发明中，术语“中心”、“上”、“下”、“轴向”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置装配关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
23.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
由于上述方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：
本发明的方法中，针对现有自动聚焦系统又加入了图像识别的系统，在聚焦系统工作的同时可以实施观察到聚焦面图像，可以测到哪里看到哪里，也可以看到哪里测到哪里，实现被测物的精准定位，使用共镜头的设计，两套系统实现中心对准，聚焦中心就是图像中心，进一步的提升了对准精度。同时两套系统可以单独使用，采用光源开关进行控制。两套聚焦方式也可以相互弥补，在遇到没有图案的光滑表面时，能量聚焦更加准确。如果遇到图案复杂并且存在一定高度差，在使用能量聚焦的同时加入图像聚焦的辅助定位，可以更加快速精确的找到被测物面；装置设计紧凑，可以以模块方式集成到不同的半导体量测设备上。单独使用图像聚焦方式可使焦点定位精度达到um级别，再使用能量聚焦方式可使焦点定位精度达到nm级别，可以满足目前市场上绝大部分半导体量测设备的需求。
附图说明
附图1为本发明实施例的整体结构示意图；
附图2为本发明实施例的光路示意图；
附图3为本发明实施例中图像接收端的结构示意图；
附图4为为本发明第一种配置聚焦曲线图；
附图5为为本发明第二种配置聚焦曲线图。
以上附图各部位表示如下：
1 主镜头
2 聚焦光源
3 图像照明光源
4 分光器件
41 第一分光镜
42 第二分光镜
43 第三分光镜
44 第四分光镜
5 聚焦接收端
51 聚焦光接收组件
6 图像接收端
61 旋转调节结构
62 二维平动调节结构
7 滤光片。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
本发明实施例一提出了一种带图像识别的自动聚焦方法，用于半导体量测设备的自动焦点定位，该方法包括：
(1)选择开启图像系统和/或聚焦系统
根据应用场景判断来选择开启图像系统和/或聚焦系统，对应图像系统启动照明光源、对应聚焦系统启动聚焦光源，所述照明光源和聚焦光源均通过同一个主镜头照射到被测物体表面，由被测物体表面激发反射回主镜头后再经过分光分别获取成像光束和聚焦光束；
(2)依据获取的成像光束和/或聚焦光束进行自动聚焦
当选择开启图像系统时，调整主镜头到被测物体表面的Z向位置并采集多幅由成像光束形成的图像信息，根据图像信息计算出的清晰度数值和Z向位置来获取清晰图像Z向位置；
当选择开启聚焦系统时，调整主镜头到被测物体表面的Z向位置并将聚焦光束分光成焦前光束和焦后光束，计算焦前光束和焦后光束的能量差值信息来获取焦点Z向位置；
当选择同时开启图像系统和聚焦系统时，同时采集图像系统的多幅图像信息和聚焦系统的能量差值信息，并记录采集多幅图像和能量差值时的Z向位置，将清晰图像Z向位置和能量差值信息拟合后，以获得被测物体的同步焦点位置。
具体的，在本发明的实施例一中，获取成像光束后，对图像系统采集到的多幅图像使用图像清晰度算法计算出对应的清晰度数值，图像清晰度算法有Tenengrad梯度函数、Brenner梯度函数、Laplacian梯度函数等标准清晰度评价函数可选，所采图像越清晰图像清晰度数值越高。
在本发明的实施例一中，获取聚焦光束后，采用差值式聚焦方法，利用焦前、焦后的能量差值做出离焦曲线，通过曲线斜率定位焦点Z向位置，具体的方法如下：聚焦光路用一个物镜，接收光路分成两路，两路光分别放置1个小孔和1个探测器，一路光的小孔和探测器放置在理论焦点的前端，另一路光的小孔和探测器放置在理论焦点的后端，按照固定的位置放置好。当被测物处在该物镜焦点位置时，两路光探测器能量一致，当被测物处在镜头离焦情况下时，两路光探测器能量出现差异，其中一路在镜头前离焦时能量高，另一路则在镜头后离焦时能量高，利用两路光能量差值可计算出被测物在焦点的状态。利用两路光做差值的处理方式可以有效的避免被测物表面的影响，即使表面非光滑，有倾角或其他图案，接收光是按比例分配后做差值，可将其外界因素减掉，得到的差值依然反应被测物离焦量。离焦曲线的斜率可有整套系统的NA和倍率来控制，可调节测量范围及精度，后面给出的配图就是我们系统模拟和实测的聚焦曲线，通过找到该曲线的斜率最大位置即为焦点位置。
在本发明的实施例一中，在使用该聚焦方法前，需将图像中心和聚焦中心对准，图像中心和聚焦中心对准的方式如下：获取成像光束后，调节图像中心位置，使得聚焦光斑在图像正中心，实现图像中心和聚焦点的中心重合，调节图像与CCD探测器的角度，使被测图像的水平与CCD探测器长轴方向平行，使被测物体的运动方向与CCD探测器获取图像的上、下、左、右方向一致。
在使图像中心和聚焦中心对准后，并对被测物体图案与成像图案做一致性调整，所述一致性调整包含图像系统长轴方向与运动平台水平方向(X)的平行度，另一方面是图像系统与待测样品的垂直度，其中：
平行度的判断通过移动承载待测有图案样品的运动平台的水平轴(X)，检查待测样品上某一特征图案(比如十字，矩形的特定一角)无论出现在成像图案横向的左侧，中心还是右侧，其在成像图案中的纵向位置(也就是特征图案在成像图案中的像素坐标Y)基本不变；
垂直度的判断选取具有标准尺寸图案(已知图案外形尺寸，且图案尺寸非常准确，比如已知100um*100um的正方形)的待测样品，通过检查该图案在成像图案中的边框大小比例(比如正方形在成像图案中的两个边的像素个数是否相等)来判断图像是否发生畸变。从而确定垂直度是否达标。
实施二
如附图1所示，本发明实施例二公开了一种带图像识别的自动聚焦装置，用于半导体量测设备的自动焦点定位，其创新点在于，该聚焦装置包括：
主镜头1，用于将光路垂直入射被测物体表面并接收、传播经激发反射回来的光路；
聚焦光源2，用于提供聚焦需要的光束；
图像照明光源3，用于提供成像需要的光束；
分光器件4，设置为多个，用于分光束和合光束；
聚焦接收端5，用于接收被测物体表面反射回来的聚焦光束及聚焦能量差值信息；
图像接收端6，用于接收被测物体表面反射回来的成像光束及图像信息；
从所述图像照明光源3、聚焦光源2发射的光束经由分光器件4耦合后形成第一光路，第一光路通往主镜头1后照射到被测物体表面；第一光路由被测物体表面激发反射回主镜头1中形成第二光路，第二光路经由分光器件4分成聚焦光束和成像光束，其中聚焦光束传导给聚焦接收端5后获取聚焦能量差值信息，成像光束传导给图像接收端6后获取图像信息；
所述聚焦装置被配置成：选择性得控制图像照明光源3、聚焦光源2提供光源，以使聚焦接收端5、图像接收端6选择性地启动以获取聚焦能量差值信息和/或图像信息，通过一个主镜头1分别单独获取聚焦能量差值信息、图像信息或同时获取聚焦能量差值信息、图像信息的方式来完成对被测物体的聚焦定位。
图2为本发明光路示意图。结合发明光路的示意图，可以更清晰的了解本发明。聚焦光源2和照明光源用一个光源分光镜共同耦合进入分光镜中，通往主镜头1，经被测物反射回的光束穿过分光镜入射到分光镜上，一部分光束直接穿过分光镜入射到管镜后到图像接收端6进行成像，另一部分光束通过分光镜的反射进入聚焦分光镜上，聚焦分光镜再次将光束分为两路，一路入射到聚焦接收端5上，另一路入射到接收端上。
整个系统共用一套光路，利用不同的分光镜可实现不同波段的分光，也可以实现同波段不同比例的分光。
在本发明的实施例二中，所述主镜头1采用复消色差主镜头1，在聚焦接收端5设置有透镜。所述主镜头1可切换得安装于该聚焦装置上；所述聚焦光源2、图像照明光源3采用氙灯、卤素灯、LDLS或LED光源，所述聚焦光源2、图像照明光源3采用光纤耦合或空间直接耦合。
本发明实施例的装置中，聚焦光源2由光纤将光束输入，其内部包含小孔光阑、光纤调节结构、光源准直镜和滤光片7安装位。通过光纤调节装置将光纤发光点调节至光源准直镜焦点位置，得到平行光出射，耦合进入分光系统中。图像照明光源3由LED光源直接接入，其内部包含光源准直镜将LED光源准直进入分光系统中。
在本发明的实施例二中，所述聚焦接收端5包含两路聚焦光接收组件51，每路聚焦光接收组件51均包含小孔、接收准直镜和探测器，其中一路聚焦光接收组件51中的小孔位于焦前位置、另一路聚焦光接收组件51中的小孔位于焦后位置，采用差值聚焦方法，利用镜头焦前、焦后的能量差值曲线，计算出焦点位置；所述图像接收端6包含管镜、图像接收器CCD、旋转调节结构61和二维平动调节结构62；所述二维平动调节结构62用于调节图像中心位置，使得聚焦光斑在图像正中心；所述旋转调节结构61用于调节图像与CCD探测器的角度，使被测图像的水平与CCD探测器长轴方向平行，也使被测物的运动方向与CCD获取图像的上、下、左、右方向一致；。
本发明实施例的装置中，所述分光器件4包括第一分光镜41、第二分光镜42、第三分光镜43和第四分光镜44；所述聚焦光源2和图像照明光源3用一个第一分光镜41共同耦合进入第二分光镜42中再经由主镜头1照射到被测物体表面，光束从被测物体表面激发发射回主主镜头1形成第二光路后穿过第二分光镜42后入射到第三分光镜43上，第二光路的一部分光束直接穿过第三分光镜43后入射到图像接收端6进行成像，另一部分光束通过第三分光镜43的反射进入第四分光镜44，第四分光镜44再次将光束分为两路，一路入射到位于焦前位置的小孔，另一路入射到位于焦后位置的小孔。
本发明实施例的装置中，所述聚焦光源2、图像照明光源3处均设置用于将点光源或面光源的光准直成平行光的准直系统；所述聚焦光源2、图像照明光源3处均设置用于对宽光谱光源进行波段选择的滤光片7；所述分光器件4采用的分光镜使用宽波段镀膜元件和点格分光镜。
实施例三
本发明实施例三公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一所述的方法的步骤。
实施例四
本发明实施例四还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行实施例一所述的方法的步骤。
对于本发明实施例的具体实施步骤可参考如下：
根据应用场景判断来选择开启图像系统和/或聚焦系统，若需要找到被测物体的最清晰图像Z向位置则开启图像系统，若需要找到聚焦系统基于被测物体的焦点Z向位置则开启聚焦系统，若既要找到清晰图像又要找到聚焦系统基于被测物体的焦点则图像系统和聚焦系统同时开启，选择性地启动聚焦光源、照明光源中的至少一种，通过同一个主镜头照射到被测物体表面，由被测物体表面激发反射回主镜头后再经过分光分别获取聚焦光束和成像光束；
在共同启动聚焦光源、照明光源的情况下，将聚焦光源、照明光源耦合后再通往主镜头；
共用图像系统和聚焦系统时，所采用的步骤如下：
1.运动平台Z向运动，运动范围需要同时包含图像系统和聚焦系统的焦点因待测样品差异引起的焦点Z向变化范围。运动期间同时从图像系统采集多幅图像，从聚焦系统采集能量差值归一化数值，并记录采集这些图像和归一化数值时的Z向位置。
2.对图像系统采集到的多幅图像使用图像清晰度算法(有Tenengrad梯度函数、Brenner梯度函数、Laplacian梯度函数等标准清晰度评价函数可选)计算出对应的清晰度数值。所采图像越清晰图像清晰度数值越高。
3.使用采集图像时的Z向位置和计算出的清晰度数值进行抛物线拟合，所拟合抛物线顶点对应的Z向数值即为待测样品图像最清晰Z向位置。
4.对聚焦系统采集到的归一化数值可使用如下方式处理：
(a)Z向位置和对应聚焦能量差值归一化数值可组成图4所示包含线性段的曲线的一部分；
(b)从这些能量差值归一化数值中找到和聚焦系统焦点处归一化数值最接近的归一化数值和对应的Z向数值(Z0)；
(c)以此Z向数值(Z0)为中心，在采集到的能量差归一化数值集中找到上下固定的Z向范围(Zdelta)(即[Z0-Zdelta,Z0+Zdelta])内的所有Z值集合和归一化数值集合；
(d)使用c)中的Z集合和归一化数值集合拟合直线，如同图5所示；
(e)依据拟合所得直线方程，使用聚焦系统焦点处归一化数值计算出所对应的Z向位置，即为聚焦系统基于待测样品的焦点Zfocus。
为了进一步了解该自动聚焦方法的实施，下面对两组聚焦配置进行说明。
图4为本发明第一种配置聚焦曲线图。该系统中，主镜头选用10X复消色差物镜，聚焦接收端选用2X透镜，聚焦系统NA选择0.04。X轴方向表示离焦量，单位是um。Y轴方向是能量差值的归一化值。
从图中我们可以看出，聚焦系统在-100um到+100um的范围内成线性递增，特别在接近焦点的地方斜率较大，线性度高，便于更加精准的获得被测面的焦点位置。
图5为本发明第二种配置聚焦曲线图。该系统中，主镜头选用15X复消色差物镜，聚焦接收端选用2X透镜，聚焦系统NA选择0.05，并且设置了一个被测物面的倾斜角。X轴方向表示离焦量，单位是um。Y轴方向是能量差值的归一化值。
本图给出了聚焦系统在-50um到+50um的范围内聚焦曲线。图中虚线表示拟合线性曲线，基本和实际测量曲线重合。另外加入了被测物的倾斜角，体现在曲线上为零点位置X方向的平移，但不影响曲线形状，X方向的平移可以通过增加偏移量进行标定，不影响测量精度。
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 (10)
1.一种带图像识别的自动聚焦方法，用于半导体量测设备的自动焦点定位，其特征在于，该聚焦方法包含：
(1)选择开启图像系统和/或聚焦系统
根据应用场景判断来选择开启图像系统和/或聚焦系统，对应图像系统启动照明光源、对应聚焦系统启动聚焦光源，所述照明光源和聚焦光源均通过同一个主镜头照射到被测物体表面，由被测物体表面激发反射回主镜头后再经过分光分别获取成像光束和聚焦光束；
(2)依据获取的成像光束和/或聚焦光束进行自动聚焦
当选择开启图像系统时，调整主镜头到被测物体表面的Z向位置并采集多幅由成像光束形成的图像信息，根据图像信息计算出的清晰度数值和Z向位置来获取清晰图像Z向位置；
当选择开启聚焦系统时，调整主镜头到被测物体表面的Z向位置并将聚焦光束分光成焦前光束和焦后光束，计算焦前光束和焦后光束的能量差值信息来获取焦点Z向位置；
当选择同时开启图像系统和聚焦系统时，同时采集图像系统的多幅图像信息和聚焦系统的能量差值信息，并记录采集多幅图像和能量差值时的Z向位置，以获得被测物体的同步焦点位置。
2.根据权利要求1所述的一种带图像识别的自动聚焦方法，其特征在于：在所述选择开启图像系统和/或聚焦系统步骤中，若需要找到被测物体的最清晰图像Z向位置则开启图像系统，若需要找到聚焦系统基于被测物体的焦点Z向位置则开启聚焦系统，若既要找到清晰图像又要找到聚焦系统基于被测物体的焦点则图像系统和聚焦系统同时开启。
3.根据权利要求1所述的一种带图像识别的自动聚焦方法，其特征在于：
获取成像光束后，对图像系统采集到的多幅图像使用图像清晰度算法计算出对应的清晰度数值；使用采集图像时的Z向位置和计算出的清晰度数值进行抛物线拟合，所拟合抛物线顶点对应的Z向数值即为待测样品图像最清晰Z向位置；
获取聚焦光束后，采用差值式聚焦方法，利用焦前、焦后的能量差值做出离焦曲线，通过曲线斜率定位焦点Z向位置。
4.根据权利要求3所述的一种带图像识别的自动聚焦方法，其特征在于：
当图像清晰度算法中的图像清晰度评价函数计算所得的清晰度数值集合单调上升，或者清晰度数值集合虽然有下降趋势但不足以拟合抛物线时，重新聚焦，将Z向移动范围向清晰度最大Z向位置上平移；
当图像清晰度算法中的图像清晰度评价函数计算所得的清晰度数值集合单调下降，或者清晰度数值集合虽然开始虽有上升趋势但不足以拟合抛物线时，重新聚焦，将Z向移动范围向清晰度最大Z向位置下平移。
5.根据权利要求3所述的一种带图像识别的自动聚焦方法，其特征在于，对聚焦系统采集到的能量差值做归一化处理后获得归一化数值，并采用以下步骤处理：
(a)Z向位置和对应聚焦能量差值归一化数值组成包含线性段的曲线的一部分；
(b)从这些能量差值归一化数值中找到和聚焦系统焦点处归一化数值最接近的归一化数值和对应的Z向数值Z0；
(c)以此Z向数值Z0为中心，在采集到的能量差归一化数值集中找到上下固定的Z向范围Zdelta内的所有Z值集合和归一化数值集合；
(d)使用步骤(c)中的Z集合和归一化数值集合拟合直线；
(e)依据拟合所得直线方程，使用聚焦系统焦点处归一化数值计算出所对应的Z向位置，即为聚焦系统基于待测样品的焦点Zfocus。
6.根据权利要求5所述的一种带图像识别的自动聚焦方法，其特征在于：聚焦系统的焦点位置归一化数值不包含在归一化数值集合的数值的变化范围，或者即使出现在数值的变化范围内，但是数据不足以拟合直线时，重新聚焦，聚焦范围向距离聚焦系统归一化数值偏离的方向平移。
7.根据权利要求1所述的一种带图像识别的自动聚焦方法，其特征在于，
获取成像光束后，调节图像中心位置，使得聚焦光斑在图像正中心，实现图像中心和聚焦点的中心重合，调节图像与CCD探测器的角度，使被测图像的水平与CCD探测器长轴方向平行，使被测物体的运动方向与CCD探测器获取图像的上、下、左、右方向一致。
8.一种带图像识别的自动聚焦装置，用于半导体量测设备的自动焦点定位，其特征在于，该聚焦装置包括：
主镜头，用于将光路垂直入射被测物体表面并接收、传播经激发反射回来的光路；
聚焦光源，用于提供聚焦需要的光束；
图像照明光源，用于提供成像需要的光束；
分光器件，设置为多个，用于分光束和合光束；
聚焦接收端，用于接收被测物体表面反射回来的聚焦光束及聚焦能量差值信息；
图像接收端，用于接收被测物体表面反射回来的成像光束及图像信息；
从所述图像照明光源、聚焦光源发射的光束经由分光器件耦合后形成第一光路，第一光路通往主镜头后照射到被测物体表面；第一光路由被测物体表面激发反射回主镜头中形成第二光路，第二光路经由分光器件分成聚焦光束和成像光束，其中聚焦光束传导给聚焦接收端后获取聚焦能量差值信息，成像光束传导给图像接收端后获取图像信息；
所述聚焦装置被配置成：选择性得控制图像照明光源、聚焦光源提供光源，以使聚焦接收端、图像接收端选择性地启动以获取聚焦能量差值信息和/或图像信息，通过一个主镜头分别单独获取聚焦能量差值信息、图像信息或同时获取聚焦能量差值信息、图像信息的方式来完成对被测物体的聚焦定位。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。
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