CN116754563A - 基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备及方法，该设备主要包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、起偏器、分光镜、沃拉斯顿棱镜、第三反射镜、光束扫描装置、F‑theta远心场镜、第四反射镜、柱状椭面镜、线形光纤束、滤光片、光电倍增管、被测元件、检偏器、透镜、光电探测器、光电二极管。本发明能够高速、高精度检测被测样品的表面缺陷，并根据差分干涉对比度信号识别缺陷的凹凸类型，且具有光学断层能力，能够排除透明光学元件背面散射光影响。

Description

基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备及 方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备及方法。

背景技术

随着技术的不断创新以及对生产生活中各类智能设备高度集成化与微型化发展的迫切需求，精密光学和半导体元件扮演着越来越重要的角色，广泛应用于智能制造、大规模集成电路、消费电子、精准医疗、航空航天、军事装备等新兴战略产业领域。表面微纳缺陷是评价精密光学和半导体元件质量的重要指标。缺陷不仅影响元器件的光学、机械、热物、电化学等方面的关键性能，对于高能量和高负载系统，缺陷甚至会对元器件造成损伤以致整个系统瘫痪。因此，对精密光学和半导体元件表面微纳缺陷的检测要求变得越来越高，高速度、高灵敏度、高精度、自动化变得愈加迫切。

近些年来国内外相关学者对表面缺陷检测进行深入研究，目前已经提出了多种检测方法。

基于形貌特性的检测方法是利用特定的高分辨率显微仪器测量光学元件表面的微观形貌，进而定位缺陷的位置。原子力显微镜和扫描电子显微镜虽然具有超高的检测精度，但都会对元件表面造成二次损伤且检测效率很低，无法满足自动化的检测需求。

传统线共焦显微镜使用使用线光束对样品进行一维扫描照明，样品返回的成像光束被线阵CCD相机接收并将光信号转化为电信号，图像采集卡将CCD传来的电信号转化为图像。它遵循严格的物像共轭原理，数值孔径NA与线视场FOV相互约束，为提高缺陷散射光收集效率，必然要增大数值孔径NA，但却限制了线视场FOV，导致线视场仅为“毫米”量级，从而限制了检测效率。且传统线共焦显微镜只在线视场宽度方向有共焦滤波能力，在线视场长度方向丧失滤波特性，造成散射光串扰和噪声增大，从而降低了检测灵敏度。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足之处，本发明提供一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备及方法，以期能实现对光学元件表面的高速、高精度检测，实现缺陷凹凸类型的识别及分类，同时能实现光学断层能力，以排除透明光学元件背面散射光影响。

发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备的特点在于，设置激光器，用于发射激光束，且在所述激光器的后方设有扩束镜，在所述扩束镜与所述激光器之间依次设有第一反射镜和第二反射镜；在所述扩束镜的后方设有光束扫描装置，用于将所述激光束转变为线光束，在所述述扩束镜和光束扫描装置之间依次设置有起偏器、分光镜、沃拉斯顿棱镜和第三反射镜；在所述分光镜后方依次设有检偏器，透镜和光电探测器；

所述光束扫描装置的后方依次设有光电二极管和F-theta远心场镜；所述F-theta远心场镜将线光束转变为汇聚的扫描激光束并经第四反射镜的反射后，垂直入射到被测元件表面上；

入射到被测元件表面上的光沿原光路返回后，经过所述分光镜，并依次通过所述检偏器，透镜和所述光电探测器；

在所述被测元件的表面上方设有柱状椭面镜，所述柱状椭面镜内表面涂有高反射材料，其底部和上方均设有缺口；所述柱状椭面镜的前焦线与激光束在被测样品表面汇聚的位置重合；

在所述柱状椭面镜的上方设有线形光纤束，且所述线形光纤束的入口与柱状椭面镜的后焦线重合，所述线形光纤束的出口处设有光电倍增管，所述光电倍增管的底部管口设有滤光片；其中，后方均指激光束照射的方向。

本发明所述的基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备的特点也在于：所述被测元件的下方设有样品移动装置，用于控制被测元件的移动。

所述光束扫描装置为多边形扫描镜或声光调制器AOM或振镜。

所述柱状椭面镜上方和下方的缺口为矩形，且矩形开口的长度大于激光线扫描长度。

所述光束扫描装置的瞬时扫描中心处于F-theta远心场镜的孔径光阑位置上。

本发明一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测和识别方法的特点在于，是应用于所述的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备中，并按如下步骤进行：

步骤1、所述激光器发出一束指定波长的激光，并依次经过第一反射镜，第二反射镜调整光路的传播方向，使其进入到扩束镜的正中心；

所述扩束镜将光束的直径扩大后，入射到起偏器使得光束发生线偏振，然后经过分光镜和沃拉斯顿棱镜，由所述沃拉斯顿棱镜将光束分解成偏振方向正交的p光和s光，再经过第三反射镜调整光束后入射到光束扫描装置上；

步骤2、所述光束扫描装置在驱动电路作用下将入射光高速扫描成线光束，并由所述F-theta远心场镜将所述线光束聚焦后，经第四反射镜的反射并垂直入射到被测元件的表面上以进行线扫描，所述被测元件在被激光束线进行每一行的扫描时，样品移动装置带动被测元件在与线扫描垂直的方向同步移动，同时光电二极管产生行触发信号用于调整样品移动装置的速度，以实现样品表面的全覆盖扫描；其中，所述被测元件表面上的p光和s光的光斑沿线扫描方向错开一定微米的距离；

步骤3、若被测元件表面存在缺陷，则被测元件上扫描的激光束入射到缺陷表面处产生散射光，并根据线共焦的原理，所述柱状椭面镜仅将被测元件表面缺陷的散射光反射到自身的后焦线上，再经过后焦点线上的线形光纤束的传输以及滤光片的处理后，被所述光电倍增管接收并转化为散射电信号，从而利用计算机对所述散射电信号进行处理，以实现被测元件表面散射光和背面散射光的分离；

若被测元件表面无缺陷，则被测元件上扫描的激光束不产生散射光，计算机接收不到散射电信号；

步骤4、被测元件表面的反射光沿原路返回，若被测元件表面无凹凸缺陷，p光和s光之间的光程差为零；若被测元件表面有凸起或凹坑缺陷，则p光和s光之间产生光程差；

所述p光和s光经过沃拉斯顿棱镜后合并，再经分光镜入射到检偏器发生干涉，然后经透镜聚焦后，最终被光电探测器接收，从而根据干涉信号在线扫描方向的变化特征，利用计算机对干涉信号进行基于干涉差分对比度的缺陷凹凸类型识别。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明创新性地提出了一种柱状椭面镜结构的线共焦技术。传统线共焦显微镜的数值孔径与线视场相互约束，为提高缺陷散射光收集效率，必然要增大数值孔径，但却限制了视场，导致线视场仅为“毫米”量级。本发明利用柱状椭面镜一条焦线上的光通过自身反射到另一条焦线上实现线共焦，从而突破了传统线共焦显微镜的数值孔径与线视场相互制约的技术瓶颈，线视场得到大幅提升；

2、本发明提出了新型激光线共焦暗场散射高速扫描技术。传统线共焦显微镜只在线视场宽度方向有共焦滤波能力，在线视场长度方向丧失滤波特性，造成散射光串扰和噪声增大，从而降低了检测灵敏度。本发明使线共焦柱状椭面镜在激光扫描的每一时刻仍保持完整的共焦性能，克服了传统线共焦中相邻扫描位置光存在串扰、共焦性能下降、背景噪声增大的难题。

3、本发明将差分干涉对比度原理应用到线扫描装置中。根据干涉信号在线扫描方向的变化特征，实现了基于干涉差分对比度的缺陷凹凸类型识别。

4、本发明可以实现对光学元件表面的高速、高精度检测，且具有光学断层能力，仅将柱状椭面镜前焦线的散射光反射到自身的后焦线上，从而能够排除透明光学元件背面散射光影响。

附图说明

图1为本发明基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备及方法的光学示意图；

图2为本发明基于干涉差分对比度的缺陷凹凸类型识别的原理图；

图3为本发明从光电探测器获取的凹凸缺陷的干涉光强计算得到相位轮廓的过程图；

图4为本发明柱状椭面镜的剖面图；

图5为线形光纤束入口的详细视图；

图6为线形光纤束出口的详细视图；

图中标号：1激光器、2第一反射镜、3第二反射镜、4扩束镜、5起偏器、6分光镜、7沃拉斯顿棱镜、8第三反射镜、9光束扫描装置、10F-theta远心场镜、11第四反射镜、12柱状椭面镜、13线形光纤束、14滤光片、15光电倍增管、16被测元件、17检偏器、18透镜、19光电探测器、20光电二极管。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例中，一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备，如图1所示，包括：

激光器1，用以发射指定波长的激光束；

第一反射镜2、第二反射镜3，用以调整激光束的位置，使其进入到扩束镜4；

扩束镜4，用以扩大激光束的直径；

起偏器5，用以调整激光束的偏振态；

分光镜6，用以将入射光分成两束；

沃拉斯顿棱镜7，用以将入射光束分解成偏振方向正交的p光和s光，同时将反射回的p光和s光合并；

第三反射镜8，用以调整激光束的方向，使其进入光束扫描装置9；

光束扫描装置9，用以将入射光转变成线光束；

光电二极管20，用以产生行触发信号。当进行一行的扫描时，光电二极管20会将光信号转换成电信号；

F-theta远心场镜10，用以聚焦线光束，消除像差、畸变等，提升线光束的质量；

第四反射镜11，用以将扫描激光束反射到被测元件16表面上；

柱状椭面镜12，设在被测元件16表面上方，为空腔结构，用以收集散射光，底部和上方设有矩形缺口，且矩形开口的长度大于扫描长度；柱状椭面镜的横截面为部分椭圆轮廓，整体为柱状，柱状椭面镜具有前后两条焦线；

线形光纤束13，设在柱状椭面镜12上方，入口与柱状椭面镜后焦线重合，用以将散射光导向光电倍增管15；

滤光片14，用以滤除指定波长外的杂光，提高检测精度；

光电倍增管15，设在线形光纤束13上方，用以收集散射光的强度；

被测元件16，为光学元件；

检偏器17，用以使p光和s光的振动方向一致而发生干涉；

透镜18，用以将光束聚焦到光电探测器19；

光电探测器19，用以接收干涉信号；

如图2所示，为本发明基于干涉差分对比度的缺陷凹凸类型识别的原理图。入射光经起偏器5变成45°线偏振光，然后通过分光镜6入射到沃拉斯顿棱镜7，沃拉斯顿棱镜7将入射光束分解成偏振方向正交的p光和s光(p光如图中虚线所示，s光如图中实线所示)，两束光成一小夹角，然后被第三反射镜8和光束扫描装置9反射，经F-theta远心场镜10和第四反射镜11垂直入射到被测元件16表面，相距极小的两束光照射到样品后，视场中样品表面上每一点的微小凹凸和都会引起这两个光束之间的光程差，返回的p光和s光经沃拉斯顿棱镜7重新汇合，再通过检偏镜17后使两束光的振动方向一致而发生干涉，根据干涉信号在线扫描方向的变化特征，实现基于干涉差分对比度的缺陷凹凸类型识别。

如图3所示，为本发明从光电探测器获取的凹凸缺陷的干涉光强计算得到相位轮廓的过程图。若被测元件表面没有缺陷，光电探测器接收到的干涉光强不会变化；若扫描过程中出现了凹坑或凸起，干涉光强则会发生改变，且不同类型缺陷干涉光强变化不同。根据p光和s光差分干涉的光强曲线，通过干涉光强和相位的I＝cos(phi)关系，反演得到相位梯度phi，对相位梯度phi积分后得到相位轮廓，由此可以判断缺陷类型。

如图4所示，为柱状椭面镜的剖面图。柱状椭面镜内部轮廓是一个椭圆。柱状椭面镜的后焦线与其本身有一定距离。聚焦的激光线与柱状椭面镜的前焦线重叠。将光学元件的表面放置在前焦点线上，使柱状椭面镜仅将被测元件表面缺陷的散射光反射到自身的后焦线上。柱状椭面镜的集光角由其上沿和下沿决定。工作距离受下沿到前焦点线距离的限制。

如图5所示，为线形光纤束入口的详细视图。该线性光纤束包含若干聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纤维。入口为线型光纤阵列。

如图6所示，为线形光纤束出口的详细视图。出口处为圆形光纤阵列。

本实施例中激光器1发出一束指定波长的光通过第一反射镜2和第二反射镜3调整光路的传播方向，使其进入到扩束镜4的正中心，随后经过起偏器5使光束发生线偏振，经分光镜6后入射到沃拉斯顿棱镜7上，沃拉斯顿棱镜7将入射光束分解成偏振方向正交的p光和s光，两束光成一小夹角，经第三反射镜8后入射到光束扫描装置9上，光束扫描装置9将入射光转变成线光束，F-theta远心场镜10将线光束聚焦并经第四反射镜11垂直入射到被测元件16表面上进行线扫描。被测表面上p光和s光的光斑沿线扫描方向错开一微小距离。若被测元件表面有凸起或凹坑类缺陷，缺陷产生的散射光经柱状椭面镜12反射后由线形光纤束13将散射光导向滤光片14，最后被光电倍增管15接收，实现缺陷的暗场散射探测。缺陷产生的反射光沿原路返回，缺陷的凹凸形貌使得p光和s光产生光程差。p光和s光返回沃拉斯顿棱镜7后合并，再经分光镜6反射到检偏器17发生干涉，干涉光被光电探测器19接收，根据干涉信号在线扫描方向的变化特征，实现基于干涉差分对比度的缺陷凹凸类型识别。

本实施例中，一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测方法是按如下步骤进行：

步骤1、激光器1发出一束指定波长的激光，并依次经过第一反射镜2，第二反射镜3调整光路的传播方向，使其进入到扩束镜4的正中心；

扩束镜4将光束的直径扩大后，入射到起偏器5使得光束发生线偏振，然后经过分光镜6和沃拉斯顿棱镜7，由沃拉斯顿棱镜7将光束分解成偏振方向正交的p光和s光，再经过第三反射镜8调整光束后入射到光束扫描装置9上；

步骤2、光束扫描装置9在驱动电路作用下将入射光高速扫描成线光束，并由F-theta远心场镜10将线光束聚焦后，经第四反射镜11的反射并垂直入射到被测元件16的表面上以进行线扫描，被测元件16在被激光束线进行每一行的扫描时，样品移动装置带动被测元件16在与线扫描垂直的方向同步移动，同时光电二极管20产生行触发信号用于调整样品移动装置的速度，以实现样品表面的全覆盖扫描；其中，被测元件16表面上的p光和s光的光斑沿线扫描方向错开几微米距离；

步骤3、若被测元件16表面存在缺陷，则被测元件16上扫描的激光束入射到缺陷表面处产生散射光，并根据线共焦的原理，柱状椭面镜12仅将被测元件16表面缺陷的散射光反射到自身的后焦线上，再经过后焦点线上的线形光纤束13的传输以及滤光片14的处理后，被光电倍增管15接收并转化为散射电信号，从而利用计算机对散射电信号进行处理，以实现被测元件16表面散射光和背面散射光的分离；

若被测元件16表面无缺陷，则被测元件16上扫描的激光束不产生散射光，计算机接收不到散射电信号；

步骤4、被测元件16表面的反射光沿原路返回，若被测元件16表面无凹凸缺陷，p光和s光之间的光程差为零；若被测元件16表面有凸起或凹坑缺陷，则p光和s光之间产生光程差；

p光和s光经过沃拉斯顿棱镜7后合并，再经分光镜6入射到检偏器17发生干涉，然后经透镜18聚焦后，最终被光电探测器19接收，从而根据干涉信号在线扫描方向的变化特征，利用计算机对干涉信号进行基于干涉差分对比度的缺陷凹凸类型识别。

Claims (6)

1.一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备，其特征在于，设置激光器(1)，用于发射激光束，且在所述激光器(1)的后方设有扩束镜(4)，在所述扩束镜(4)与所述激光器(1)之间依次设有第一反射镜(2)和第二反射镜(3)；在所述扩束镜(4)的后方设有光束扫描装置(9)，用于将所述激光束转变为线光束，在所述述扩束镜(4)和光束扫描装置(9)之间依次设置有起偏器(5)、分光镜(6)、沃拉斯顿棱镜(7)和第三反射镜(8)；在所述分光镜(6)后方依次设有检偏器(17)，透镜(18)和光电探测器(19)；

所述光束扫描装置(9)的后方依次设有光电二极管(20)和F-theta远心场镜(10)；所述F-theta远心场镜(10)将线光束转变为汇聚的扫描激光束并经第四反射镜(11)的反射后，垂直入射到被测元件(16)表面上；

入射到被测元件(16)表面上的光沿原光路返回后，经过所述分光镜(6)，并依次通过所述检偏器(17)，透镜(18)和所述光电探测器(19)；

在所述被测元件(16)的表面上方设有柱状椭面镜(12)，所述柱状椭面镜(12)内表面涂有高反射材料，其底部和上方均设有缺口；所述柱状椭面镜(12)的前焦线与激光束在被测样品(16)表面汇聚的位置重合；

在所述柱状椭面镜(12)的上方设有线形光纤束(13)，且所述线形光纤束(13)的入口与柱状椭面镜(12)的后焦线重合，所述线形光纤束(13)的出口处设有光电倍增管(15)，所述光电倍增管(15)的底部管口设有滤光片(14)；其中，后方均指激光束照射的方向。

2.根据权利要求1所述的基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备，其特征在于：所述被测元件(16)的下方设有样品移动装置，用于控制被测元件(16)的移动。

3.根据权利要求1所述的基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备，其特征在于：所述光束扫描装置(9)为多边形扫描镜或声光调制器AOM或振镜。

4.根据权利要求1所述的基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备，其特征在于：所述柱状椭面镜(12)上方和下方的缺口为矩形，且矩形开口的长度大于激光线扫描长度。

5.根据权利要求1所述的基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备，其特征在于：所述光束扫描装置(9)的瞬时扫描中心处于F-theta远心场镜(10)的孔径光阑位置上。

6.一种基于差分干涉对比度的激光扫描线共焦表面缺陷检测和识别方法，其特征在于，是应用于如权利要求2-5中任意一项所述的激光扫描线共焦表面缺陷检测设备中，并按如下步骤进行：

步骤1、所述激光器(1)发出一束指定波长的激光，并依次经过第一反射镜(2)，第二反射镜(3)调整光路的传播方向，使其进入到扩束镜(4)的正中心；

所述扩束镜(4)将光束的直径扩大后，入射到起偏器(5)使得光束发生线偏振，然后经过分光镜(6)和沃拉斯顿棱镜(7)，由所述沃拉斯顿棱镜(7)将光束分解成偏振方向正交的p光和s光，再经过第三反射镜(8)调整光束后入射到光束扫描装置(9)上；

步骤2、所述光束扫描装置(9)在驱动电路作用下将入射光高速扫描成线光束，并由所述F-theta远心场镜(10)将所述线光束聚焦后，经第四反射镜(11)的反射并垂直入射到被测元件(16)的表面上以进行线扫描，所述被测元件(16)在被激光束线进行每一行的扫描时，样品移动装置带动被测元件(16)在与线扫描垂直的方向同步移动，同时光电二极管(20)产生行触发信号用于调整样品移动装置的速度，以实现样品表面的全覆盖扫描；其中，所述被测元件(16)表面上的p光和s光的光斑沿线扫描方向错开一定微米的距离；

步骤3、若被测元件(16)表面存在缺陷，则被测元件(16)上扫描的激光束入射到缺陷表面处产生散射光，并根据线共焦的原理，所述柱状椭面镜(12)仅将被测元件(16)表面缺陷的散射光反射到自身的后焦线上，再经过后焦点线上的线形光纤束(13)的传输以及滤光片(14)的处理后，被所述光电倍增管(15)接收并转化为散射电信号，从而利用计算机对所述散射电信号进行处理，以实现被测元件(16)表面散射光和背面散射光的分离；

若被测元件(16)表面无缺陷，则被测元件(16)上扫描的激光束不产生散射光，计算机接收不到散射电信号；

步骤4、被测元件(16)表面的反射光沿原路返回，若被测元件(16)表面无凹凸缺陷，p光和s光之间的光程差为零；若被测元件(16)表面有凸起或凹坑缺陷，则p光和s光之间产生光程差；

所述p光和s光经过沃拉斯顿棱镜(7)后合并，再经分光镜(6)入射到检偏器(17)发生干涉，然后经透镜(18)聚焦后，最终被光电探测器(19)接收，从而根据干涉信号在线扫描方向的变化特征，利用计算机对干涉信号进行基于干涉差分对比度的缺陷凹凸类型识别。