CN1301397C - 差动离焦并行全场三维检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

差动离焦并行全场三维检测方法及装置，其特征是在并行全场检测中使用差动离焦探测法，并采用同光斑光强差动算法。本发明利用两只CCD探测器进行同步离焦差动探测，根据两探测器输出信号差值，便可判断物面离焦量的大小与正负。当被测物体沿轴向扫描移动时，物体上各点到焦平面的距离即可表征物体的轮廓高度。本发明能有效抑制光源噪声和漂移产生的影响，提高测量精度；可在较大采样间距下获得高的轴向分辨率，有效解决测量分辨率和测量速度之间的矛盾。

Description

差动离焦并行全场三维检测方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种光学三维形貌检测技术，特别是光聚焦检测技术。

背景技术：

随着现代科技的高速发展，使得零件的特征尺寸越来越小，精度也越来越高。对这些零件的三维形貌进行快速准确的检测，成为现代测试方法和仪器研究的重要课题。共焦测量方法由于其高精度、高分辨率及易于实现三维成像数字化的独特优势而被广泛应用。但是传统的共焦测量大多采用单点瞄准加扫描的方法来实现二维瞄准，不但扫描机构较为复杂，而且振动的影响限制了测量精度和速度的提高。

近年来出现了一种基于微光学器件的非扫描全场共焦技术。这种方法通过微光学器件，实现对光束的分割，从单点扫描变为多路并行探测，同步对被测表面的不同点进行瞄准检测，从而实现全场同步测量。采用CCD面阵上的像元代替小孔光阑来截取共焦点像的光强。但是这种方法由于光源的漂移，会造成测量过程中的光强基准误差；应用在全场并行测量时，光源的噪声又会造成不同探测点的光源基准不同，造成测量平面误差；传统的共焦方法中，要提高轴向分辨率，就要减小纵向采样间隔，但这样会造成测量速度的减慢。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种高精度、高速度的差动离焦并行全场三维检测方法，并提供实现该方法的检测装置。以期在较大采样间距下获得高的轴向分辨率，有效解决测量分辨率和测量速度之间的矛盾，同时可以有效抑制光源噪声和漂移产生的影响，提高测量精度。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

差动离焦并行全场三维检测方法的特点在于：在并行全场检测中进行差动离焦探测，并采用同光斑光强差动算法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案还在于：

实施本发明方法的检测装置是由光学探头、CCD图像采集处理和位移机构组成。所述光学探头以中心点同处在a光轴线上、自一侧至另一侧依次设置为点光源、准直透镜、微透镜阵列、针孔阵列、a分束镜、物镜和可轴向移动的被测物载台；其中a分束镜的反射面与物镜所在平面成45度角。

该装置的结构特点是设置差动探测机构，所述差动探测机构是在所述a分束镜的反射光b光轴线上设置b分束镜，在所述b分束镜的反射光c光轴线上以及在其透射光b光轴线上，分别设置反射光CCD探测器和透射光CCD探测器，两组探测器的探测面在各自的光轴线上离焦设置，并且两探测面离焦距离相等，离焦方向相反。

本发明的测量原理是利用两CCD探测器进行同步离焦差动探测，按光斑的大小，将CCD敏感面的象素分为一个个探测单元，一个探测单元对应一个光斑，此时各CCD探测单元等效于针孔探测器。当物面位于焦平面时，两探测器上的光斑大小相等、光强相同，因此两探测器输出信号之差值为零；当物面偏离焦平面时，两探测器上的反射光斑和透射光斑大小不再相等，一个探测器光斑直径变大，一个探测器上光斑直径变小，两探测器输出信号之差值也不同。因此根据两探测器输出信号差值的大小及正负，便可判断物面离焦量的大小与正负。当被测物体沿轴向扫描移动时，由于物体上各点的高度不同，相应的各点到达焦平面的距离也不同，物体上各点到焦平面的距离就可以表征物体的轮廓高度。

当探测器轴向偏离像焦面微小位移±ΔZ时，探测器光强信号为：

$I(\±\mathrm{\ΔZ})={\left|\frac{\sin \left[k(Z\±\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})\right]}{k(Z\±\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})}\right|}^2{\·I}_0$

图2示出了探测器光强归一化输出与离焦量关系曲线。

如图2所示，当探测器轴向偏移时，其轴向响应特性曲线没有变化，只是在响应曲线中引入了轴向偏移，即它相对于理想共焦成像的轴向响应特性产生了一定的相移。可见探测器轴向偏移对系统轴向分辨率影响不大，差动离焦法就是利用了这一特性。取两探测器输出的差值为信号输出，则信号为：

                     I_D＝I(+ΔZ)-I(-ΔZ)

$=|{\left|\frac{\sin \left[k(Z+\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})\right]}{k(Z+\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})}\right|}^2-{\left|\frac{\sin \left[k(Z-\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})\right]}{k(Z-\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})}\right|}^2|{\·I}_0$

由此差动输出曲线可看出有较大的线性段，且在焦点过零。曲线的线性范围和灵敏度与光学系统的参数有关。

与已有技术相比，本发明是在并行全场检测中使用差动离焦探测法，并采用同光斑光强差动算法，光源的噪声和漂移同时作用在两CCD探测到的同一光斑点，故差动后的输出信号可以有效抑制光源噪声和漂移产生的影响。采用差动离焦探测法的另外一个优点是可大大提高测量速度，而在传统的共焦方法中，要提高轴向分辨率，就要减小纵向采样间隔，但这样会造成测量速度的减慢。本发明利用差动离焦探测法，由于它具有独特的S形差动输出曲线，中间有很好的线性段，只要纵向采样间隔在线性范围内，就可以根据输出信号与离焦量的线性关系算出实际的高度值，这样就可以获得小采样间隔的分辨率。本发明可广泛应用于半导体产品制造加工检测及生物医学检测领域。

图面说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明探测器光强归一化输出与离焦量关系曲线。

具体实施方式：

本实施例中差动离焦并行全场三维检测方法是，在并行全场检测中使用差动离焦探测法，并采用同光斑光强差动算法。

具体为：

a、二维点光源经第一次分束后聚焦到被测物表面，被测物表面的反射光经两次分束后，分别生成透射光和反射光；

b、同时对所述透射光和反射光的光斑阵列的进行距离相等、方向相反的离焦探测，并获得各光斑点对应探测单元的灰度值，计算各探测单元的差动离焦信号输出I_D；

        |x_i，y_j，I_D(i，j)|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，......m)

式中，n和m分别为点光源阵列(即微透镜阵列)的列数和行数

I_D为对应相同点光源的探测单元差动输出信号

c、光源阵列在纵向(Z轴方向)形成并行剖面n次，设各剖面的间距均为ΔZ，采样点的(i，j)处的采样列阵为：

         [Z₁，I_D1(i，j)]，[Z₂，I_D2(i，j)]，.....，[Z_n，I_Dn(i，j)]

式中，，Z_n为纵向扫描高度。

d、对以上n剖面的输出信号值进行比较，找到过零值I_D(i，j)＝0，确定所处的剖面层k，则该点高度为：Z_k＝kΔZ；若没有过零值，则根据落在差动输出曲线线性段的采样点所在剖面位置计算高度值；

e、用Z_k替换I_D(i，j)，得到测量面的三维值为：

         |x_i，y_j，Z_k|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)。

根据光学系统的参数，可计算出与被测点离焦量相对应的检测装置输出信号变化，得到如图2所示的S形差动输出曲线特性图。

由此输出曲线可看出该曲线具有较大的线性段，且在正焦位置点过零。只要保证纵向采样点有两点落在线性范围内(即纵向采样间隔保证小于线性范围的一半即可)，就可以根据输出信号与离焦量的线性关系算出实际高度值，这样就可以获得小于采样间隔的分辨率，实现在较大采样间距下获得较高的轴向分辨率，有效解决测量分辨率和测量速度之间的矛盾。曲线的线性范围和灵敏度与光学系统的参数有关。

参见图1，本实施例中，具体实施以上方法的检测装置是由光学探头、CCD图像采集处理和位移机构组成，光学探头以中心点同处在a光轴线1上、自一侧至另一侧依次设置为点光源2、准直透镜3、微透镜阵列4、针孔阵列5、a分束镜6、物镜7和可轴向移动的被测物载台8。其中a分束镜6的反射面与物镜7所在平面成45度角。

本实施例中，设置差动探测机构，该差动探测机构是在所述a分束镜6的反射光b光轴线10上设置b分束镜9，在b分束镜9的反射光c光轴线12上以及在其透射光b光轴线10上，分别设置反射光CCD探测器13和透射光CCD探测器11，两组探测器的探测面在各自的光轴线上离焦设置，并且两探测面离焦距离相等，离焦方向相反。

该装置采用一个微透镜阵列来实现一个二维点光源阵列。单色点光源经过准直透镜后变成平行光，照射到微透镜阵列上。利用微透镜阵列将光束分割会聚，提高了光能利用率；在微透镜阵列的焦平面固定一小孔阵列，小孔与透镜一一对应，且小孔口径与对应的微透镜焦斑大小相近。采用小孔光阑阻挡了杂散光的通过，提高了信噪比。微透镜阵列产生的点光源的光束通过分束镜，由物镜聚焦到被测物14表面，反射光经过a分束镜，被反射到b分束镜，使得反射光被分成两束，分别成像到两个黑白CCD探测面上。图像采集系统中以黑白CCD作为信号探测元件，探测经过b分束镜后的透射光斑阵列和反射光斑阵列，图像采集卡将CCD图像采集入计算机，由计算机程序进行计算。位移机构由被测物载台8和位移驱动电路组成，带动被测物14在纵向步进位移。

工作过程如下：

1、将被测物14固定在被测物载台8上，打开光源开关、CCD电源和计算机，运行测量程序；

2、通过位移驱动电路控制被测物载台8在纵向(Z轴方向)步进位移，每步进一步，两CCD各采集一幅图象；

3、对采集两幅图像进行数据处理，获得各光斑点所对应的CCD单元的灰度值，计算出该单元的差动离焦信号输出I_D(i，j)。得到每剖面的信号列阵为：

        |x_i，y_j，I_D(i，j)|(i＝1，2，........n；j＝1，2，......m)

式中，n和m分别为点光源阵列(即微透镜阵列)的列数和行数

4、光源阵列在纵向(Z轴方向)形成并行剖面n次，设各剖面的间距均为ΔZ，此值由微位移驱动器的的步进距离决定。采样点的(i，j)处的采样列阵为：

      [Z₁，I_D1(i，j)]，[Z₂，I_D2(i，j)]，.....，[Z_n，I_Dn(i，j)]

式中，I_D为两CCD上对应相同点光源的探测单元差动输出信号。

Z_n为纵向扫描高度。

5、对以上n剖面的输出信号值进行比较处理，找到过零值I_D(i，j)＝0，确定所处的剖面层k，则该点高度为：Z_k＝kΔZ。若没有过零值，则可以根据差动输出曲线中的线性段算出高度值。

6、用Z_k替换I_D(i，j)，得到测量面的三维值为：

             |x_i，y_j，Z_k|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，......m)

7、用计算机测量软件画出三维形貌。

Claims (2)

1、差动离焦并行全场三维检测方法，其特征是在并行全场检测中进行差动离焦探测，并采用同光斑光强差动算法，具体步骤为：

a、二维点光源经第一次分束后聚焦到被测物表面，被测物表面的反射光经两次分束后，分别生成透射光和反射光；

b、同时对所述透射光和反射光的光斑阵列进行距离相等、方向相反的离焦探测，并获得各光斑点对应探测单元的灰度值，计算各探测单元的差动离焦信号输出I_D；

|x_i，y_j，I_D(i，j)|   (i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)

式中，n和m分别为点光源阵列，即微透镜阵列的列数和行数

      I_D为对应相同点光源的探测单元差动输出信号

c、光源阵列在纵向(Z轴方向)形成并行剖面n次，设各剖面的间距均为ΔZ，采样点的(i，j)处的采样列阵为：

  [Z₁，I_D1(i，j)]，[Z₂，I_D2(i，j)]，.....，[Z_n，I_Dn(i，j)]

式中，Z_n为纵向扫描高度；

d、对以上n剖面的输出信号值进行比较，找到过零值I_D(i，j)＝0，确定所处的剖面层k，则该点高度为：Z_k＝kΔZ；若没有过零值，则根据落在差动输出曲线线性段的采样点所在剖面位置计算高度值；

e、用Z_k替换I_D(i，j)，得到测量面的三维值为：

       |x_i，y_j，Z_k|  (i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)。

2、一种实施权利要求1所述差动离焦并行全场三维检测方法的装置，由光学探头、CCD图像采集处理和位移机构组成，所述光学探头以中心点同处在a光轴线(1)上、自一侧至另一侧依次设置为点光源(2)、准直透镜(3)、微透镜阵列(4)、针孔阵列(5)、a分束镜(6)、物镜(7)和可轴向移动的被测物载台(8)；其中a分束镜(6)的反射面与物镜(7)所在平面成45度角；其特征是设置差动探测机构，所述差动探测机构是在所述a分束镜(6)的反射光b光轴线(10)上设置b分束镜(9)，在所述b分束镜(9)的反射光c光轴线(12)上以及在其透射光b光轴线(10)上，分别设置反射光CCD探测器(13)和透射光CCD探测器(11)，两组探测器的探测面在各自的光轴线上离焦设置，并且两探测面离焦距离相等，离焦方向相反。

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