CN115112016A - 一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法 - Google Patents

一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法，其克服了现有技术中存在的数据量大、测量时间长和测量精度低的问题。包括以下步骤：(1)激光束经过光束整形系统形成会聚光，CMOS上得到缺陷的散射分布图；(2)采集一幅元件表面缺陷的散射分布图；(3)加入随机初始相位，构成新的复振幅分布作为迭代相位恢复算法的输入进行相位恢复；(4)利用菲涅尔衍射角谱法模拟缺陷散射分布图生成过程；得到元件缺陷表面的复振幅分布，并利用单位振幅对缺陷表面振幅信息进行限制，再经过角谱衍射得到新的散射表面复振幅分布，对散射表面振幅信息进行限制；(5)重复步骤(4)，得到元件表面缺陷的正确相位信息，从而得到缺陷的三维尺寸信息。

Description

一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法
技术领域：
本发明属于光学检测技术领域，涉及一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法，其为一种迭代相位恢复算法的表面缺陷检测方法。
背景技术：
随着现代光学产业的不断发展，光学元件已广泛应用各大领域，其组成的光学系统已在高功率激光器、大规模的集成电路、医疗器械等光学前沿及光电子工业领域发挥了极其重要的作用。如美国的“国家点火装置”及“荷兰ASML光刻机镜头”等，而此类高精密仪器对其内部光学元件的加工及检测方法提出了很高要求。表面缺陷的存在会增大系统噪声、降低对比度、引起激光诱导损伤等。因此，研究更精确、高效的光学元件表面缺陷检测方法迫在眉睫。
目前用于检测光学元件表面缺陷的方法主要包括干涉法、衍射法以及散射法。
在专利“一种光学元件表面微小缺陷二维轮廓的检测方法”中提出基于角分辨散射法对采集得到的散射分布图求出中心位置，以中心位置为基准点，沿不同方向取值可以得到一维的光强分布曲线，对于散射图在不同的方向上取值，可以获得缺陷在不同取样方向上的宽度值，由此拟合出缺陷的二维轮廓，最终实现了表面缺陷二维信息的检测。
在专利“一种基于多波长迭代算法的透射性元件缺陷检测装置及方法”中提到了一种基于多波长迭代算法的透射性元件缺陷检测装置及方法，通过探测器采集缺陷透射后的多幅散射光强图，用多波长梯度加速相位恢复迭代算法对采集的多幅光强图进行入射光输入面波前相位面信息进行恢复，从而推算出缺陷的宽度、高度信息。
这两种方法都是针对光学元件的表面缺陷检测，一种是采用散射法得出光学元件表面缺陷散射分布，进而对散射分布进行处理，数值拟合得出缺陷的二维信息。此方法仅仅实现了对缺陷长、宽二维信息的检测，由于图像传感器一般只能采集得到缺陷的强度信息，而表征缺陷深度的相位信息却无法采集，所以该方法未能检测得出缺陷的深度信息。另一种方法是采用一种可调波段范围达到150nm以上且性能良好的固体激光器形成七种不同波长入射光，采集缺陷透射后的多幅散射光强图，通过迭代相位恢复算法得到元件表面缺陷的深度信息，从而得到缺陷的三维尺寸信息，但该方法在检测过程中需要采集多幅衍射光强图来进行迭代恢复出相位信息，从而得到元件表面缺陷的三维尺寸信息，检测过程较为复杂，检测时间长。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法，其克服了现有技术中存在的通过采集元件表面缺陷的散射分布来检测缺陷的三维尺寸信息时数据量大、测量时间长和测量精度低的问题。本发明提供一种光学元件表面缺陷三维尺寸精确、高效的检测方法，实现光学元件表面缺陷的快速、精准检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：激光器发出的激光束经过光束整形系统形成会聚光，会聚光经过样品反射后到达CMOS靶面，调整样品的位置和姿态，使会聚光束的会聚点位于CMOS的靶面中心且使会聚光轴垂直于CMOS靶面，此时反射点到CMOS靶面中心的距离为z；光束照在样品表面缺陷区域，CMOS上得到缺陷的散射分布图；
步骤二：采集一幅元件表面缺陷的散射分布图f，振幅信息为
Figure BDA0003715934000000031
Figure BDA0003715934000000032
步骤三：加入随机初始相位p2(x2，y2，z2)，构成新的复振幅分布U2(x2，y2，z2)＝a2(x2，y2，z2)·exp(i·p2(x2，y2，z2))作为迭代相位恢复算法的输入进行相位恢复；
步骤四：利用菲涅尔衍射角谱法模拟缺陷散射分布图生成过程；输入散射表面复振幅分布U2(x2，y2，z2)，经过角谱逆衍射得到元件缺陷表面的复振幅分布U1(x1，y1，z1)，并利用单位振幅对缺陷表面振幅信息进行限制，再经过角谱衍射得到新的散射表面复振幅分布U2′(x2，y2，z2)，用测得的散射分布振幅信息a2(x2，y2，z2)对散射表面振幅信息进行限制；
步骤五：重复步骤四，通过在散射表面和缺陷表面之间不断转换，控制迭代次数达到所设置的迭代次数k或者控制误差不断减小至得到元件表面缺陷的正确相位信息，从而得到缺陷的三维尺寸信息。
步骤三、四、五中，迭代相位恢复包括以下步骤：
步骤(1)：首先输入在固定波长下散射表面的光场强度信息I2，即输入得到的缺陷散射分布图，取平方根便可得到振幅信息a2；然后给定初始随机相位p2 (0)(x2，y2，z2)，得到初始散射表面的复振幅
Figure BDA0003715934000000033
exp(i·p2 (0)(x2，y2，z2))＝a2·exp(i·p2 (0)(x2，y2，z2))代入下面的迭代流程中；
步骤(2)：振幅信息用初始a2替换，相位不变将该波长下散射表面光场U2 (k)(x2，y2，z2)＝a2·exp(i·p2 (k)(x2，y2，z2))利用角谱传输逆运算传输回输入缺陷平面，得到该波长下输入光场U1′(k)(x1，y1，z1)＝a1 (k)·exp(i·p1 (k)(x1，y1，z1))；
步骤(3)：在输入缺陷平面更新振幅信息，将振幅信息用单位振幅来约束，保留相位量不变，得到新的输入光场U1 (k)(x1，y1，z1)＝1·exp(i·p1(k)(x1，y1，z1))；
步骤(4)：再利用角谱传输运算传输到输出散射表面得到U2′(k)(x2，y2，z)＝a2′·exp(i·p2′(k)(x2，y2，z))；
步骤(5)：将当次的振幅迭代值a2′与输入的振幅a2进行求均方根误差RMS值，并且记录误差；
步骤(6)：重复步骤(2)～步骤(5)，直到振幅的误差达到设计精度或者达到设置的最大迭代次数k时结束迭代，将最后得到的输出光场U2′(k)传输回输入面迭代结束；最终恢复得到输入面的复振幅分布U1(k+1)(x1，y1，z1)＝a1 (k+1)·exp(i·p1 (k+1)(x1，y1，z1))，相位分布p1 (k+1)(x1，y1，z1)即为所求缺陷表面的相位值，最终处理得到输入面缺陷的三维尺寸信息。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明将缺陷检测方法中的角分辨散射法与相位恢复算法中的迭代法相结合，相比于其他相位恢复迭代算法，仅仅只需要采集一幅缺陷处的散射分布图即可实现缺陷三维信息的检测，检测效率高，并且此方法适用于各种形状、各种类型的缺陷信息检测。
2、本发明提出将相位恢复算法应用到光学元件缺陷检测中，通过恢复缺陷的相位信息从而得到缺陷三维尺寸信息。相比于其他缺陷检测方法，过程简便，可以达到高分辨率测量，实现光学元件表面缺陷的快速、精准检测。
3、本发明采用菲涅尔衍射角谱法来建立光学元件表面缺陷与散射分布之间的关系模型，建立了准确、高效的迭代关系，只需测量单一光路无需多光路的叠加，提高了检测的效率以及准确率。
附图说明：
图1为光学元件表面缺陷检测原理图；
图2为CMOS采集的散射分布图；
图3为元件表面到散射表面的传播模型图；
图4为利用迭代相位恢复算法检测光学元件表面缺陷的方法流程图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
对CMOS采集的散射分布图利用迭代相位恢复算法来计算光学元件表面缺陷的三维尺寸信息。检测方法包括以下步骤；
步骤一：图1为角分辨散射法的光学元件表面缺陷检测原理图。激光器发出的激光束经过光束整形系统形成会聚光，会聚光经过样品反射后到达CMOS靶面，调整样品的位置和姿态，使会聚光束的会聚点位于CMOS的靶面中心且使会聚光轴垂直于CMOS靶面，此时反射点到CMOS靶面中心的距离为z。
步骤二：光束照在样品表面缺陷区域，CMOS采集得到缺陷散射分布图，图2为采集得到的散射分布图；
步骤三：图3为光学元件表面缺陷与散射表面的传播关系模型，(x1,y1,z1)为元件缺陷表面的直角坐标系，(x2，y2，z2)为散射表面的的直角坐标系；根据菲涅尔衍射建立关系，如式(1)所示。
Figure BDA0003715934000000061
其中，“*”表示卷积运算，
Figure BDA0003715934000000062
引入角谱传播关系：A1＝F[U1(x1，y1，z1)]，A2＝F[U2(x2，y2，z2)]，F表示傅里叶变换，则元件缺陷表面与散射表面的传播关系可以表示为：
A2(fx，fy，z)＝A1(fx，fy，z)H(fx，fy，z) (2)
其中，
Figure BDA0003715934000000063
因此元件缺陷表面的复振幅分布可由式(3)求得。
Figure BDA0003715934000000064
参见图4，接下来，根据两者传播关系公式(3)进行迭代相位恢复，具体步骤如下：
步骤(1)：首先输入在固定波长下散射表面的光场强度信息I2，即输入得到的缺陷散射分布图，取平方根便可得到振幅信息a2；然后给定初始随机相位p2 (0)(x2，y2，z2)，得到初始散射表面的复振幅
Figure BDA0003715934000000065
Figure BDA0003715934000000066
代入下面的迭代流程中；
步骤(2)：振幅信息用初始a2替换，相位不变将该波长下散射表面光场U2 (k)(x2，y2，z2)＝a2·exp(i·p2 (k)(x2，y2，z2))利用角谱传输逆运算传输回输入缺陷平面，得到该波长下输入光场U1′(k)(x1，y1，z1)＝a1 (k)·exp(i·p1(k)(x1，y1，z1))；
步骤(3)：在输入缺陷平面更新振幅信息，将振幅信息用单位振幅来约束，保留相位量不变，得到新的输入光场U1 (k)(x1，y1，z1)＝1·exp(i·p1 (k)(x1，y1，z1))；
步骤(4)：再利用角谱传输运算传输到输出散射表面得到U2′(k)(x2，y2，z)＝a2′·exp(i·p2′(k)(x2，y2，z))。
步骤(5)：将当次的振幅迭代值a2′与输入的振幅a2进行求均方根误差RMS值，并且记录误差。
步骤(6)：重复步骤(2)～步骤(5)，直到振幅的误差达到设计精度或者达到设置的最大迭代次数k时结束迭代，将最后得到的输出光场U2 (k)传输回输入面迭代结束。最终恢复得到输入面的复振幅分布U1 (k+1)(x1，y1，z1)＝a1 (k+1)·exp(i·p1 (k+1)(x1，y1，z1))，相位分布p1 (k+1)(x1，y1，z1)即为所求缺陷表面的相位值，最终处理得到输入面缺陷的三维尺寸信息。
为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：激光器发出的激光束经过光束整形系统形成会聚光，会聚光经过样品反射后到达CMOS靶面，调整样品的位置和姿态，使会聚光束的会聚点位于CMOS的靶面中心且使会聚光轴垂直于CMOS靶面，此时反射点到CMOS靶面中心的距离为z；光束照在样品表面缺陷区域，CMOS上得到缺陷的散射分布图；
步骤二：采集一幅元件表面缺陷的散射分布图f，振幅信息为
Figure FDA0003715933990000011
Figure FDA0003715933990000012
步骤三：加入随机初始相位p2(x2,y2,z2)，构成新的复振幅分布U2(x2,y2,z2)＝a2(x2,y2,z2)·exp(i·p2(x2,y2,z2))作为迭代相位恢复算法的输入进行相位恢复；
步骤四：利用菲涅尔衍射角谱法模拟缺陷散射分布图生成过程；输入散射表面复振幅分布U2(x2,y2,z2)，经过角谱逆衍射得到元件缺陷表面的复振幅分布U1(x1,y1,z1)，并利用单位振幅对缺陷表面振幅信息进行限制，再经过角谱衍射得到新的散射表面复振幅分布U2′(x2,y2,z2)，用测得的散射分布振幅信息a2(x2,y2,z2)对散射表面振幅信息进行限制；
步骤五：重复步骤四，通过在散射表面和缺陷表面之间不断转换，控制迭代次数达到所设置的迭代次数k或者控制误差不断减小至得到元件表面缺陷的正确相位信息，从而得到缺陷的三维尺寸信息。
2.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷三维尺寸检测方法，其特征在于：步骤三、四、五中，迭代相位恢复包括以下步骤：
步骤(1)：首先输入在固定波长下散射表面的光场强度信息I2，即输入得到的缺陷散射分布图，取平方根便可得到振幅信息a2；然后给定初始随机相位p2 (0)(x2,y2,z2)，得到初始散射表面的复振幅
Figure FDA0003715933990000021
Figure FDA0003715933990000022
代入下面的迭代流程中；
步骤(2)：振幅信息用初始a2替换，相位不变将该波长下散射表面光场U2 (k)(x2,y2,z2)＝a2·exp(i·p2 (k)(x2,y2,z2))利用角谱传输逆运算传输回输入缺陷平面，得到该波长下输入光场U1′(k)(x1,y1,z1)＝a1 (k)·exp(i·p1 (k)(x1,y1,z1))；
步骤(3)：在输入缺陷平面更新振幅信息，将振幅信息用单位振幅来约束，保留相位量不变，得到新的输入光场U1 (k)(x1,y1,z1)＝1·exp(i·p1 (k)(x1,y1,z1))；
步骤(4)：再利用角谱传输运算传输到输出散射表面得到U2′(k)(x2,y2,z)＝a2′·exp(i·p2′(k)(x2,y2,z))；
步骤(5)：将当次的振幅迭代值a2′与输入的振幅a2进行求均方根误差RMS值，并且记录误差；
步骤(6)：重复步骤(2)～步骤(5)，直到振幅的误差达到设计精度或者达到设置的最大迭代次数k时结束迭代，将最后得到的输出光场U2′(k)传输回输入面迭代结束；最终恢复得到输入面的复振幅分布U1 (k+1)(x1,y1,z1)＝a1 (k+1)·exp(i·p1 (k+1)(x1,y1,z1))，相位分布p1 (k +1)(x1,y1,z1)即为所求缺陷表面的相位值，最终处理得到输入面缺陷的三维尺寸信息。
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CN115964787A (zh) * 2022-12-26 2023-04-14 北京建筑大学 基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法

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