CN219996130U - 一种快速扫描系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种快速扫描系统，属于电子扫描技术领域，能够极大提高产品的检测效率；该系统包括二维图像信息采集模块、高度信息采集模块、高分辨信息采集模块、样品台模块和控制处理单元；所述二维图像信息采集模块、所述高度信息采集模块、所述高分辨信息采集模块和所述样品台模块均与所述控制处理单元连接；所述二维图像信息采集模块、所述高度信息采集模块和所述高分辨信息采集模块依次并排设置在所述样品台模块上方。本实用新型提供的技术方案适用于对样品进行电子扫描分析的过程中。

Description

一种快速扫描系统

技术领域

本实用新型涉及电子扫描技术领域，尤其涉及一种快速扫描系统。

背景技术

近年来，随着半导体制造及封装工艺检测、3C电子玻璃屏及其精密配件、光学加工、微纳材料及制造、汽车零部件、MEMS器件等超精密加工行业及航空航天、国防军工、科研院所等领域的快速发展，如何在最短的时间内完成产品的设计、加工和检测，已成为业内最关注的问题。在所有检测技术中，光学非接触式测量在近年来深受欢迎，因其优点在于：1)聚焦物镜聚焦倍率可大可小；2)由于没有接触应力，不会对被测物产生破坏；3)测量速度非常快；4)测量尺寸大。

但是目前生产厂家为满足产品质量的精密测量以及生产需求，从纳米到微米级别工件的粗糙度、平整度、微观几何轮廓、曲率等数据信息都需要快速获得。这样就需要检测设备的检测效率、操作简单智能化、检测方式多样性、检测结果多样性、结果的快速分析能力进一步提高。而目前二维和三维一体化的成像测量系统无法满足这些要求，其存在的不足包括：1)视野小，甚至只能看样品的一个点；2)单次检测范围小，检测效率不高；3)要得到高度差信息，其中的白光干涉方法需要先找基准面，再聚焦到采集点，通过求差计算得到高度差数据，导致效率不高。

因此，有必要研究一种快速扫描系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种快速扫描系统，能够极大提高产品的检测效率。

本实用新型提供一种快速扫描系统，所述系统包括二维图像信息采集模块、高度信息采集模块、高分辨信息采集模块、样品台模块和控制处理单元；所述二维图像信息采集模块、所述高度信息采集模块、所述高分辨信息采集模块和所述样品台模块均与所述控制处理单元连接；

所述二维图像信息采集模块、所述高度信息采集模块和所述高分辨信息采集模块依次并排设置在所述样品台模块上方。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述二维图像信息采集模块包括第一光线支路和第二光线支路；

所述第一光线支路包括第一光源、第二光源、第一分光镜、第二分光镜、第一镜头和线阵相机；其中，

所述第一分光镜、所述第一镜头、所述第二分光镜由下往上依次设于所述样品的正上方；

所述第一光源设于所述样品的斜上方且其光线照射在样品表面；所述第二光源设于所述第一分光镜正侧面，且其光线照射在所述第一分光镜上；所述第一分光镜、所述第二分光镜均与水平面呈45度角设置；

所述线阵相机设于所述第二分光镜的正侧面；

所述第二光线支路包括第三光源、第四光源、第三分光镜和第二镜头；其中，

所述第二镜头、所述第三分光镜和所述第四光源由下往上依次设于所述样品正上方；所述第三光源设于所述样品的斜上方且其光线照射在样品表面；所述第三分光镜与水平面呈45度角设置，且设置方向和设置高度均与所述第二分光镜相同。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一光线支路还包括光敏传感器；

所述光敏传感器设于所述第二分光镜正上方，且与所述控制处理单元连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高度信息采集模块包括3D线光谱共焦传感器或3D轮廓仪；所述3D线光谱共焦传感器或所述3D轮廓仪设于所述样品的正上方。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高分辨信息采集模块包括点光源、第四分光镜、第五分光镜、第六分光镜、第七分光镜、光谱共焦传感器和高分辨观测组件；

所述第四分光镜、所述第六分光镜和所述高分辨观测组件由下往上依次设于所述样品正上方；所述第四分光镜和所述第六分光镜均与水平面呈45度角且设置方向相反；所述第五分光镜设于所述第四分光镜正侧面，所述第七分光镜设于所述第六分光镜的正侧面；

所述点光源设于所述第五分光镜正上方，所述光谱共焦传感器设于所述第七分光镜正上方。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一光源和所述第三光源均为暗场光源。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述暗场光源为520nm激光光源。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第二光源和所述第四光源均为明场光源。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述明场光源为可见光LED白光同轴光源。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述样品台模块包括样品台以及与所述样品台底部连接并控制所述样品台移动和/或转动的运动控制组件。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本实用新型的快速扫描系统，通过二维图像信息采集模块+高度信息采集模块+高分辨信息采集模块+控制处理单元组成，不同模块分别具有不同的功能，并且可以独立使用，这样就可以提高产品的检测效率，可以针对不同质量的产品分别进行不同检测模块的检测，满足产品质量的精密测量以及生产需求、快速测量；例如当晶圆产品进行质检时，当进行完大尺寸二维图像信息采集以及高度信息采集后，可以确定质量通过，没有破损、氧化及平整度达标就可以直接通过，不需要第三个模块的高分辨信息采集，可以减少检测时间；当质量有问题时，二维及高度信息采集时会自动标定不达标位置，可以进行深一步的高分辨质量检测，已达到更智能操作的检测目的；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本实用新型的三个采集模块的最终结果可以合成在一起，实现结果分析一体化，更有利于扫描数据的分析。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的快速扫描系统的原理结构示意图。

其中，图中：

1、样品；

21、第一光源；22、第二光源；23、第三光源；24、第四光源；

31、第一分光镜；32、第二分光镜；33、第三分光镜；34、第四分光镜；35、第五分光镜；36、第六分光镜；37、第七分光镜；

41、第一镜头；42、第二镜头；

5、线阵相机；6、光敏传感器；7、3D线光谱共焦传感器；8、高分辨观测组件；

91、点光源；

10、样品台；11、PC端；12、光谱共焦传感器。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种快速扫描系统，包括二维图像信息采集模块、高度信息采集模块、高分辨信息采集模块和控制处理单元。

1)二维图像信息采集模块，可以获得大尺寸样品的二维信息。其包括：

光源组件，用于提供扫描所需的光环境；

分光镜：把一束光按照一定反射和透射比例分成两束光的光学元件；

镜头：用于收集被照样品反射光并将其聚焦于相机上；

线阵相机：用于拍摄分光镜反射来的光信号；

光敏传感器：设置在分光镜上方，是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，并传输给控制处理单元，也就是PC端11。

进一步的，光敏传感器可以针对不同材质的样品，判断拍摄时是曝光准确、曝光不足和过曝三种情况，反馈到控制端，自动调节对比度，得到真是色泽的图像信息。

2)高度信息采集模块，可以获得大尺寸样品的高度信息(具体可以是样品表面各位置之间的高度差信息)。其包括：

光谱共焦位移传感器：利用该原理获得样品超大聚焦深度的3D图像。

进一步的，该光谱共焦位移传感器适用于高反光、镜面、透明、弯曲、倾斜、高对比度、柔性、易碎和多孔的材料，甚至可以测量透明涂层的厚度和气隙；被广泛应用于玻璃、聚合物/塑料、金属、复合材料、陶瓷、生物材料等材质的品检中。

可选的，也可以使用3D轮廓仪，形状测量激光显微系统，同样可以获得样品的三维信息。

3)高分辨信息采集模块：可以快速标定需要采集的单点信息位置，并自动聚焦至该点且能快速采集该点高分辨信息。其包括：

点光源，用于提供扫描所需的光环境；

分光镜：把一束光按照一定反射和透射比例分成两束光的光学元件；

高分辨观测组件：获得样品表面某点高分辨率的图像信息。

进一步的，高分辨信息采集模块具有自动对焦功能，由于高分辨信息采集对聚焦有更高的要求，所以需要重新聚焦。

本实用新型的二维图像信息采集模块与高度信息采集模块对于高分辨信息采集模块具有导航作用，高分辨信息采集模块通过前二者的图像信息可以标记出需要高分辨率观察的关键点，再对这些关键点进行聚焦和信息采集。

导航以及标记关键点的过程是：根据二维图像信息采集模块的图像结果，把图像位置转换为二维XY坐标信息，根据高度信息采集模块的高度结果可以分析出Z向高度信息，上述二者结合，可以进行坐标转换，得出图像信息的XYZ三维坐标信息；二维图像中的样品破损、缺件、氧化、污染等位置，并通过高度信息采集模块可以判断出产品整体的平整度、粗糙度数据是否达标，进而可以通过前期对该产品的质量要求所设定的具体值进行智能标定，从而进行下一步高分辨信息采集，确定产品不达标的具体原因；导航功能是针对标定信息检测台可以自动配合标定位置进行位置移动，并且自动对焦到该位置，取得高分辨率的图像信息。

4)控制处理单元：用于控制运动控制组件的工作，并根据接收到的高度数据调整待测样品的高度和姿态，实现物镜在样品表面的聚焦；还用于根据光强数据实时调整光源组件的强度，以便保证采集后的图像对比度均匀。其包括：

样品台：用于放置待测样品；

运动控制组件：与所述样品台连接，用于实现所述样品台沿x轴、y轴和z轴的移动，也用于实现待测样品表面调平；

PC端：内置有软件系统，一方面对运动控制组件的动作进行控制，另一方面，接收前面三个采集模块的采集数据并进行处理和分析，并输出结果。

本实用新型的系统是线扫描系统(例如采用线光谱共焦传感器)，在同等精度下，扫描视野和扫描速度优于面阵系统，效率能够提高100倍以上。本实用新型系统获取样品的图像信息和高度信息后，高分辨信息模块可以获取视野内的高度信息，可以有选择的对图像部分区域进行复查，而且运动台自动补偿高度差，实现自动实时对焦。基于以上两方面的原因，使得本实用新型可以提高产品的检测效率。

实施例1：

如图1所示，本实用新型提供的一种快速扫描系统，二维图像信息采集模块、高度信息采集模块、高分辨信息采集模块和控制处理单元。

其中，二维图像信息采集模块包括第一光源21、第二光源22、第三光源23、第四光源24、第一分光镜31、第二分光镜32、第三分光镜33、第一镜头41、第二镜头42、线阵相机5和光敏传感器6。第一光源21和第三光源23用于直接斜角照射在样品1上，样品1上的第一路反射光线穿过第一分光器31、第一镜头41、第二分光器32后分成两路，一路被线阵相机5接收成像，另一路被光敏传感器6接收。第二光源22照射在第一分光镜上再反射到底部的样品1上，再经样品1反射后沿前面所述的第一路反射光线进行光传递。光敏传感器6设置在分光镜上方，利用光敏元件将光信号转换为电信号，并传输给控制处理单元；光敏传感器可以针对不同材质的样品，由控制处理单元判断拍摄时是曝光准确、曝光不足和过曝哪种情况，从而对其他部件进行控制，实现自动调节对比度，得到真实色泽的图像信息。

第三光源23的光线直接斜角照射在样品1上，产生第二路反射光线，第二路反射光线依次穿过第二镜头42、第三分光镜后传递到线阵相机5用于成像，同时，第四光源24照射在第三分光镜33上。第一光源21和第三光源23均为520nm激光光源，即暗场光源，二者斜入射在样品表面，样品表面的反射光线不能被镜头收集，样品表面的漫反射光线可以被镜头收集，主要针对高低起伏的特征(比如划痕，颗粒等)。第二光源22和第四光源24为可见光LED白光同轴光源，即明场光源，作用和第一光源21、第三光源23光源相反；第二光源22和第四光源24通过第一分光镜31和第三分光镜33垂直入射在样品表面，样品表面的反射光线被镜头收集，样品表面的漫反射光线不可以被镜头收集，主要针对样品表面平齐的特征。

高度信息采集模块包括3D线光谱共焦传感器7或3D轮廓仪，直接作用于样品1，测量样品1的三维轮廓数据。

高分辨信息采集模块包括第四分光镜34、第五分光镜35、第六分光镜36、第七分光镜37、点光源91、光谱共焦传感器12和高分辨观测组件8。第四分光镜34和第六分光镜36呈上下设置，两者分别向左右两侧45度角设置。第五分光镜35设于第四分光镜34的外侧，两者处于同一高度，点光源91的光线照射在第五分光镜35上，反射光线再照射到第四分光镜34上，经第四分光镜34分设后照射在底部的样品1上。第七分光镜37设置在第六分光镜36的外侧，两者处于同一高度，光谱共焦传感器12的探测光线照射在第七分光镜37上，经第七分光镜37反射到第六分光镜36，反射光线透过第四分光镜34后照射在样品1上。样品1上的光线经样品反射依次透过第四分光镜34和第六分光镜36后被设于上方的高分辨观测组件8接收，实现观测。高分辨信息采集模块采用多个分光镜用于光线转折和相应的透射，有利于点光源、光谱共焦传感器和高分辨观测组件的设置，为各功能器件的设置空间提供可操作可实现性。

第二分光镜32和第三分光镜33等高设置，且两者与水平面均呈45度同侧角。第四分光镜和第五分光镜等高设置，且两者与水平面均呈45度同侧角。第六分光镜和第七分光镜等高设置，且两者与水平面均呈45度同侧角。第四分光镜和第六分光镜纵向同轴设置，两者与水平面夹角为相反设置。

在样品台10的底部连接运动控制组件，用于控制样品台进行沿x、y、z轴的移动以及沿x、y轴的转动。沿x、y、z轴的移动距离在均为1mm-2m之间；沿x、y轴转动的角度均在-45°到45°之间。运动控制组件与PC端11连接，由PC端11发送控制信号从而控制运动控制组件的动作。

样品台2初始放样品1端上方的固定架上设置有一个或者多个高度传感器，用于对样品进行初次聚焦。其检测方向垂直于样品表面，用于监测样品1表面不同位置的高度，并将高度监测信号传输给PC端11并由PC端11进行计算和判断，计算出待测样品表面的中心高度数据，以及样品表面各处的高度差值。一方面，由PC端11根据样品1表面各处的高度差值并通过运动控制组件的动作使样品台10沿x轴和/或y轴的转动，实现对样品台10上样品1的调平；另一方面，由PC端11根据待测样品1表面的中心高度数据控制运动控制组件动作进行样品台10的升降或停止升降，从而协助实现物镜在样品1表面的初次自动聚焦。高度传感器为电容传感器或激光传感器等类型的传感器。

实际设置中，三个采集模块的设置位置可以是如图1所示的依次设置；扫描时，样品1在样品台上依次运动到各采集模块处进行采集。

样品台10，用于放置待扫描样品，其适用于放置质量不超过10kg的样品，样品台上设置有重力传感器，用于测量放置的样品的重量。

光源组件，包括多个具体光源，囊括可见光的明场光源和暗场光源(LED.LASER,SPOT等)，根据不同材质或不同反光率的样品或不同扫描需求选择光源。光源可以垂直照射在样品表面，也可以倾斜特定角度照射在样品表面，手动转动调节角度，以达到最好的效果。

分光镜，设置在物镜和高分辨率相机7之间的光路上，用于反射光信号或改变光路方向，将光信号或光路改向到高分辨相机7的接收光路上。当具有两个以上光路时，可以采用两个分光镜分别固定安装在两个光路中，

两个镜头，用于快速采集光图像信号。

线阵相机5，镜头将图像信号传递至线阵相机。

光敏传感器6，设置分光镜上方，利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，并传输给PC端11，然后根据采集到的光信号来判断样品1，是曝光准确、欠曝光和过曝哪种情况，通过PC端11自动调节光源强度或者相机曝光时间，得到真实色泽的图像信息；

3D线光谱共焦传感器(或者3D轮廓仪)7，利用该原理获得样品超大聚焦深度的3D图像；

可选的，也可以使用3D轮廓仪，形状测量激光显微系统，同样可以获得样品的三维信息；

高分辨观测组件8，获得样品表面某点高分辨率的图像信息，且该模块具有自动对焦功能，由于高分辨采集对聚焦有更高的要求，所以需要重新聚焦得到更高质量的图像信息；

点光源组件，包括多个具体光源，根据不同材质或不同反光率的样品或不同扫描需求选择光源。

PC端11，通过内嵌的软件与运动控制组件以及各传感器连接通信，其通过运动控制组件控制样品台的移动及转动，以及通过与高度传感器结合，控制样品表面自动聚焦。

用本实用新型的扫描系统适用于高反光、镜面、透明、弯曲、倾斜、高对比度、柔性、易碎和多孔的材料，甚至可以测量透明涂层的厚度和气隙。被广泛应用于玻璃、聚合物/塑料、金属、复合材料、陶瓷、生物材料等材质的品检中；客户定制化缺陷检查与定义。

以上对本申请实施例所提供的一种快速扫描系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (10)

1.一种快速扫描系统，其特征在于，所述系统包括二维图像信息采集模块、高度信息采集模块、高分辨信息采集模块、样品台模块和控制处理单元；所述二维图像信息采集模块、所述高度信息采集模块、所述高分辨信息采集模块和所述样品台模块均与所述控制处理单元连接；

所述二维图像信息采集模块、所述高度信息采集模块和所述高分辨信息采集模块依次并排设置在所述样品台模块上方。

2.根据权利要求1所述的快速扫描系统，其特征在于，所述二维图像信息采集模块包括第一光线支路和第二光线支路；

所述第一光线支路包括第一光源、第二光源、第一分光镜、第二分光镜、第一镜头和线阵相机；其中，

所述第一分光镜、所述第一镜头、所述第二分光镜由下往上依次设于所述样品的正上方；

所述第一光源设于所述样品的斜上方且其光线照射在样品表面；所述第二光源设于所述第一分光镜正侧面，且其光线照射在所述第一分光镜上；所述第一分光镜、所述第二分光镜均与水平面呈45度角设置；

所述线阵相机设于所述第二分光镜的正侧面；

所述第二光线支路包括第三光源、第四光源、第三分光镜和第二镜头；其中，

所述第二镜头、所述第三分光镜和所述第四光源由下往上依次设于所述样品正上方；所述第三光源设于所述样品的斜上方且其光线照射在样品表面；所述第三分光镜与水平面呈45度角设置，且设置方向和设置高度均与所述第二分光镜相同。

3.根据权利要求2所述的快速扫描系统，其特征在于，所述第一光线支路还包括光敏传感器；

所述光敏传感器设于所述第二分光镜正上方，且与所述控制处理单元连接。

4.根据权利要求1所述的快速扫描系统，其特征在于，所述高度信息采集模块包括3D线光谱共焦传感器或3D轮廓仪；所述3D线光谱共焦传感器或所述3D轮廓仪设于所述样品的正上方。

5.根据权利要求1所述的快速扫描系统，其特征在于，所述高分辨信息采集模块包括点光源、第四分光镜、第五分光镜、第六分光镜、第七分光镜、光谱共焦传感器和高分辨观测组件；

所述第四分光镜、所述第六分光镜和所述高分辨观测组件由下往上依次设于所述样品正上方；所述第四分光镜和所述第六分光镜均与水平面呈45度角且设置方向相反；所述第五分光镜设于所述第四分光镜正侧面，所述第七分光镜设于所述第六分光镜的正侧面；

所述点光源设于所述第五分光镜正上方，所述光谱共焦传感器设于所述第七分光镜正上方。

6.根据权利要求2所述的快速扫描系统，其特征在于，所述第一光源和所述第三光源均为暗场光源。

7.根据权利要求6所述的快速扫描系统，其特征在于，所述暗场光源为520nm激光光源。

8.根据权利要求2所述的快速扫描系统，其特征在于，所述第二光源和所述第四光源均为明场光源。

9.根据权利要求8所述的快速扫描系统，其特征在于，所述明场光源为可见光LED白光同轴光源。

10.根据权利要求1所述的快速扫描系统，其特征在于，所述样品台模块包括样品台以及与所述样品台底部连接并控制所述样品台移动和/或转动的运动控制组件。