CN115165915A - 一种光栅缺陷检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅缺陷检测装置及检测方法，其中，缺陷检测装置包括单色光源模块、图像采集模块、XZ二维位移平台及光栅夹具模块以及保护壳。图像采集模块包采用CMOS相机，同时包括高低分辨率光学镜头可根据需求替换；XZ二维移动平台在X轴Z轴方向受控的移动扫描光栅，实现XZ面扫面；图像采集模块与图像处理模块电讯连接,通过图像处理算法对获取的光栅表面图像进行尺寸和瑕疵的量检测；光栅夹具模块垂直固定大尺寸光栅。其中，光栅检测装置采用暗场成像原理以及单色光源，避免光栅镜面成像以及衍射产生彩色光斑，并且机械结构简单紧凑,能根据待测件的宽幅可调的模块化设置。本发明提高了大尺寸光栅表面瑕疵检测的准确度和效率。

Description

一种光栅缺陷检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光学元件检测技术领域，具体涉及一种光栅缺陷检测装置及检测方法。

背景技术

大尺寸光栅作为现代光学一个重要的器件，其表面的缺陷的检测得到更多重视。目前针对大口径光学元件的缺陷检测研究较多，但是针对光栅缺陷检测几乎没有。大尺寸光栅的缺陷一般来自于制作过程，首先由于基底打磨不平整会在光栅基底表面留下划痕小坑等缺陷。其次在后续的匀胶、曝光、显影、镀膜、刻蚀环节中也会因为人员操作的规范性、光刻胶显影液等操作介质的使用情况、环境的稳定性等因素也会引起随机分布的点缺陷。传统检测大尺寸光栅瑕疵的方法是经验丰富的师傅通过肉眼观察大尺寸光栅的表面，寻找出光栅上瑕疵同时将寻找出来的瑕疵位置、形状按比例标记在纸上。这种方法对于尺寸较大的光栅需要进行长时间以及移动大尺寸光栅比较困难，长时间观察光栅人眼会感到疲劳，进而导致标记的位置以及形状不准确，并且无法标记缺陷的实际大小。这种方法不仅浪费人力并且绘制的瑕疵图形也不一定精准。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种光栅缺陷检测装置及检测方法，实现光栅表面瑕疵检测。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种光栅缺陷检测装置，所述光栅缺陷检测装置包括单色光源模块10、图像采集模块20、XZ二维位移平台30、光栅夹具模块40和保护壳50，其中，所述单色光源模块10和图像采集模块20按一定的间距安装在XZ二维位移平台30的同一高度上；所述XZ二维位移平台带动单色光源模块10和图像采集模块20扫描XZ平面；所述光栅夹具模块40按一定间距平行放置在XZ二维位移平台30正对面；所述保护壳50将单色光源模块10、图像采集模块20、XZ二维位移平台30和光栅夹具模块40包裹在腔体内。

进一步地，所述XZ二维位移平台30包括载物台31、X运动轴32和Z运动轴33，所述Z运动轴竖直固定在X运动轴上，X运动轴放置在水平面，载物台31安装在Z运动轴上。XZ二维位移台实现大尺寸光栅和图像采集模块相对运动，从而扫描整个光栅表面。

进一步地，所述单色光源模块10和图像采集模块20按照一定间距平行安装在XZ二维位移平台30的载物台31上，单色光源模块10和图像采集模块20处于同一水平高度。单色光源模块和图像采集模块保持相对位置，能保证采集的每一张图像都是同一个位置以及同一光源照射点。

进一步地，所述图像采集模块20包括一个CMOS面阵相机21、光学转接背板22、高低分辨率光学镜头23以及二自由度俯仰台24，其中，高低分辨率光学镜头23、CMOS面阵相机21、光学转接背板22和二自由度俯仰台24按顺序前后组合。图像采集模块可通过转动高、低分辨率光学镜头已经调节二自由度俯仰台实现定焦，获取清晰的光栅表面图。

进一步地，所述单色光源模块10包括光源固定架11、LED单色光源12、准直扩束透镜13，其中，准直扩束透镜13、LED单色光源12和光源固定架11按顺序前后组合。单色光源模块提供一束具有一定面积的单色光斑，45度倾斜入射到光栅表面，使缺陷部分能发生漫反射进入图像采集模块。同时提供的单色光斑能避免照射到光栅上发生衍射产生彩色光斑，保证能采集到有效的缺陷图。

进一步地，所述光栅夹具模块40包括底座41和顶块42，光栅夹具模块40按照一定的间距平行放置在二维位移平台30的正对面。光栅夹具模块可使具有重量的大尺寸光栅能够平稳垂直地立在水平面上。并可以调节与XZ二维位移平台的距离，使光栅表面在图像采集模块的清晰的采集范围内。

进一步地，所述保护壳60为缺少一个面的长方体金属壳。保护壳能有效地避免外界杂散光进入装置和提供暗场成像所需要稳定的黑暗环境，从而保证采集的每一张图像的一致性。

本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于光栅缺陷检测装置的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

S1、先将待测的大尺寸光栅通过调节顶块42固定在光栅夹具模块40上；

S2、通过调整XZ二维位移平台30的载物台31的起始点位置，使CMOS面阵相机21的视野区域中心落在大尺寸光栅的任意角落，同时使单色光源模块10以一定的角度斜入射到CMOS视野区域中心；

S3、调节单色光源模块10检测光强和光斑大小，使CMOS面阵相机21接收到明亮的图像，同时调节图像采集模块20的高低分辨率光学镜头23和二自由度俯仰台24使CMOS面阵相机21采集到清晰的图像；

S4、进行S形扫描大尺寸光栅，CMOS面阵相机21移动一定的距离停止后采集一张图像，完成一行暂停，XZ二维位移平台30沿Z轴移动一定距离，进行下一行的扫描，如此重复直至完成整个光栅的图像被采集；

S5、将步骤S4采集的大尺寸光栅的图像进行预处理和特征拼接，通过对拼接图像进行缺陷检测算法操作得到大尺寸光栅表面的缺陷图。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明公开的光栅缺陷检测装置采用暗场成像原理和单色光源，避免光栅镜面成像以及光栅衍射发生彩色光斑，能清晰地采集到光栅表面缺陷。同时采用的XZ二维位移平台带动单色光源模块和图像采集模块在XZ平面上扫描大尺寸光栅表面，能有避免移动具有大重量的光栅。并且本发明结构简单紧凑，能根据待测光栅的尺寸可调的模块化设置。相比于传统人工检测的方法节省了人力，实现了自动化，能得到完成清晰的光栅表面缺陷图以及缺陷标定图，同时提高了检测效率以及精确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明公开的光栅缺陷检测装置的结构示意图；

图2是本发明公开的光栅缺陷检测示意图；

图3是本发明公开的图像拼接效果图示意图；

图4是本发明公开的光栅缺陷检测原理图；

图5是本发明公开的大尺寸光栅缺陷检测方法的流程图；

图6是本发明实施例4中采集图像单张效果示意图；

图7是本发明实施例4中单张图像缺陷检测效果图；

图8是本发明实施例4中光栅缺陷数量统计图；

图9是本发明实施例4中小于50μm特征缺陷示意图；

图10是本发明实施例4中50～100μm特征缺陷示意图；

图11是本发明实施例4中100～200μm特征缺陷示意图；

图12是本发明实施例4中200～500μm特征缺陷示意图；

图13是本发明实施例4中大于500μm特征缺陷示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了一种具体的光栅缺陷检测装置，参见图1，该光栅缺陷检测装置包括单色光源模块10、图像采集模块20、XZ二维位移平台30、光栅夹具模块40和保护壳50。单色光源模块10和图像采集模块20通过转接板固定在二维位移平台30的载物台上，通过控制XZ二维位移平台30的电机带动单色光源模块10和图像采集模块20同时扫描大尺寸光栅，从所采集的图像中寻找出和标记光栅表面的瑕疵。

上述组成部件的连接关系如下：光源照射模块10和图像采集模块20通过转接板固定按照一定间距安装在XZ二维位移平台30的载物台同一高度上，光栅夹具模块40放置在XZ二维位移平台30的正对面。

其中，图像采集模块20包括CMOS面阵相机21、光学转接背板22、高低分辨率光学镜头23和二自由度俯仰台24。光学转接背板22、二自由度俯仰台24、CMOS相机21和高低分辨率光学镜头23按顺序从前到后组合。

其中，CMOS面阵相机21可通过二自由度俯仰台24轻微调节CMOS面阵相机21的倾角，通过转动高低分辨率光学镜头23调整焦距，使CMOS面阵相机能清晰地采集到光栅的表面。

其中，单色光源模块10包括光源固定架11、单色光源12、准直扩束透镜13。其中准直扩束透镜13、单色光源12和光源固定架11按顺序前后组合。单色光源12可以通过光源固定架11调整调单色光源入射光栅的角度以及入射到光栅表面光斑的大小。

其中，保护壳50将单色光源模块10、图像采集模块20、XZ二维位移平台30、光栅夹具模块40包裹在其中，为图像采集提供所需要的黑暗环境，图1中保护壳50只显示了一半。

实施例2

基于上述实施例1公开的一种基于光栅缺陷检测装置，本实施例继续公开一种基于光栅缺陷检测装置的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

S1、先将待测的大尺寸光栅通过调节顶块固定在光栅夹具模块上；

S2、通过调整XZ二维位移平台的载物台的起始点位置，使CMOS面阵相机的视野区域中心落在大尺寸光栅的任意角落，同时使单色光源模块以一定的角度斜入射到CMOS视野区域中心；

S3、调节单色光源模块10检测光强和光斑大小，使CMOS面阵相机21接收到明亮的图像，同时调节图像采集模块的高、低分辨率光学镜头和二自由度俯仰台使CMOS面阵相机采集到清晰的图像；

S4、进行S形扫描大尺寸光栅，CMOS面阵相机移动一定的距离停止后采集一张图像，完成一行暂停，XZ二维位移平台沿Z轴移动一定距离，进行下一行的扫描，如此重复直至完成整个光栅的图像被采集；

S5、将步骤S4采集的大尺寸光栅的图像进行预处理和特征拼接，通过对拼接图像进行缺陷检测算法操作得到大尺寸光栅表面的缺陷图。

实施例3

基于上述实施例1和2公开的一种基于光栅缺陷检测装置及检测方法，本实施例先将一块170mm×170mm的大尺寸光栅垂直放在光栅夹具模块上，通过光栅夹具模块两侧的可调节螺丝把大尺寸光栅固定在光栅夹具模块上。通过控制XZ二维位移平台将XZ二维位移平台的载物台运动对准到至大尺寸光栅的左上角，调整CMOS相机的视野大小为20mm×20mm同时把CMOS相机对焦至光栅的左上角。如果图像未对焦，调节高、低分辨率光学镜头和二自由度俯仰台使CMOS相机对焦。

然后设置二维位移平台的运动参数和CMOS相机的采集参数，使二维位移平台的载物台横向向右运动15mm后CMOS相机采集下第一张图像。接下来按着第一次采集图像的方式，二维位移平台带着CMOS相机按照S型扫描整个大尺寸光栅同时采集一共81张图像。

最后对采集到的81张图像进行降噪、滤波处理，然后进行图像的特征拼接。

实施例4

基于上述实施例3公开的一种基于光栅缺陷标记方法以及光栅缺陷特征分类，本实施例将实施例3中的采集的一张图片进行了缺陷检测。图5为CMOS面阵相机采集的单张图像，视野大小为20mm×20mm，可以从图中看出没有因为光源问题而出现光斑，并且能清晰地看出光栅表面的缺陷。图6为图5的单张图像的缺陷检测效果图，光栅表面缺陷用矩形标记出来同时对所用缺陷进行了尺寸标记。

继续对两块大尺寸光栅表面缺陷数量进行了统计，标号分别为3号、6号，同时对不同尺寸不同特征的缺陷进行了分类。首先将缺陷的尺寸分成了5个等级:<50um、50～100um、100～200um、200～500um以及>500um。缺陷数量按不同的等级逐渐减少。尺寸小于50um的光栅缺陷主要为白色圆形缺陷和黑色圆形缺陷；尺寸在50um～100um的光栅缺陷主要为白色圆形缺陷和黑色圆形缺陷；尺寸在100um～200um的光栅缺陷的光栅缺陷主要为白色圆形缺陷、黑色圆形缺陷、白色不同规则以及缺陷黑色线形缺陷；尺寸在200um～500um之间的缺陷主要为黑色线形缺陷、白色线形缺陷、白色不规则缺陷以及黑色不规则缺陷。尺寸大于500um的缺陷为黑色不规则缺陷和白色线形缺陷。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光栅缺陷检测装置，其特征在于，所述光栅缺陷检测装置包括单色光源模块(10)、图像采集模块(20)、XZ二维位移平台(30)、光栅夹具模块(40)和保护壳(50)，其中，所述单色光源模块(10)和图像采集模块(20)按一定的间距安装在XZ二维位移平台(30)的同一高度上；所述XZ二维位移平台带动单色光源模块(10)和图像采集模块(20)扫描XZ平面；所述光栅夹具模块(40)按一定间距平行放置在XZ二维位移平台(30)正对面；所述保护壳(50)将单色光源模块(10)、图像采集模块(20)、XZ二维位移平台(30)和光栅夹具模块(40)包裹在腔体内。

2.根据权利要求1所述的一种光栅缺陷检测装置，其特征在于，所述XZ二维位移平台(30)包括载物台(31)、X运动轴(32)和Z运动轴(33)，所述Z运动轴竖直固定在X运动轴上，X运动轴放置在水平面，载物台(31)安装在Z运动轴上。

3.根据权利要求1所述的一种光栅缺陷检测装置，其特征在于，所述单色光源模块(10)和图像采集模块(20)按照一定间距平行安装在XZ二维位移平台(30)的载物台(31)上，单色光源模块(10)和图像采集模块(20)处于同一水平高度。

4.根据权利要求1所述的一种光栅缺陷检测装置，其特征在于，所述图像采集模块(20)包括一个CMOS面阵相机(21)、光学转接背板(22)、高低分辨率光学镜头(23)以及二自由度俯仰台(24)，其中，高低分辨率光学镜头(23)、CMOS面阵相机(21)、光学转接背板(22)和二自由度俯仰台(24)按顺序前后组合。

5.根据专利要求1所述的一种光栅缺陷检测装置，其特征在于，所述单色光源模块(10)包括光源固定架(11)、LED单色光源(12)、准直扩束透镜(13)，其中，准直扩束透镜(13)、LED单色光源(12)和光源固定架(11)按顺序前后组合。

6.根据权利要求书1所述的一种光栅缺陷检测装置，其特征在于，所述光栅夹具模块(40)包括底座(41)和顶块(42)，光栅夹具模块(40)按照一定的间距平行放置在二维位移平台(30)的正对面。

7.根据权利要求书1所述的一种光栅缺陷检测装置，其特征在于，所述保护壳(60)为缺少一个面的长方体金属壳。

8.一种基于权利要求1至7任一所述的光栅缺陷检测装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

S1、先将待测的大尺寸光栅通过调节顶块(42)固定在光栅夹具模块(40)上；

S2、通过调整XZ二维位移平台(30)的载物台(31)的起始点位置，使CMOS面阵相机(21)的视野区域中心落在大尺寸光栅的任意角落，同时使单色光源模块(10)以一定的角度斜入射到CMOS视野区域中心；

S3、调节单色光源模块(10)检测光强和光斑大小，使CMOS面阵相机(21)接收到明亮的图像，同时调节图像采集模块(20)的高低分辨率光学镜头(23)和二自由度俯仰台(24)使CMOS面阵相机(21)采集到清晰的图像；

S4、进行S形扫描大尺寸光栅，CMOS面阵相机(21)移动一定的距离停止后采集一张图像，完成一行暂停，XZ二维位移平台(30)沿Z轴移动一定距离，进行下一行的扫描，如此重复直至完成整个光栅的图像被采集；

S5、将步骤S4采集的大尺寸光栅的图像进行预处理和特征拼接，通过对拼接图像进行缺陷检测算法操作得到大尺寸光栅表面的缺陷图。

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