CN2600814Y - 差动离焦并行全场三维检测装置 - Google Patents

Abstract

差动离焦并行全场三维检测装置，由光学探头、图像采集处理和位移机构组成，以中心点同处在a光轴线上、自一侧至另一侧依次设置点光源、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；其特征是设置差动探测机构，在a分束镜的反射光轴线上设置b分束镜，在b分束镜的反射光轴线上以及在其透射光轴线上，分别设置反射光和透射光CCD探测器，两探测器的探测面在各自的光轴线上离焦设置，离焦距离相等、方向相反。本实用新型有效解决测量分辨率和速度间矛盾；有效抑制光源噪声和漂移产生的影响，提高测量精度。

Description

差动离焦并行全场三维检测装置

技术领域：

本实用新型涉及三维检测装置，更具体地说是并行全场光学三维检测装置。

背景技术：

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在生物医学、半导体技术等领域得到广泛应用。但是传统的共焦扫描测量方法机构复杂，速度慢，越来越不适应现代半导体在线快速检测的要求，近年来一种基于微光学器件的非扫描并行共焦技术引起普遍关注。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。

在传统的共焦光路中，被测面沿光轴作纵向扫描运动使各探测点通过焦平面，通过光电探测器记录最大光强信号的轴向扫描位置，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。这种方法简便易行，但是测量纵向分辨率只在微米量级，而且光源的噪声和漂移会造成全场各微光路的基准不同，这些都影响了测量结果的精度。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：

本实用新型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，提供一种结构简单、高精度、高速度的差动离焦并行全场三维检测装置。实现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。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型由光学探头、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。

本实用新型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。

本实用新型由于设置差动探测机构，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，两探测器上的光斑大小不再相等，探测器输出信号也不同。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： $I_D=I(+\mathrm{\ΔZ})-I(-\mathrm{\ΔZ})$ $={\left|\right|\frac{\sin \left[k(Z+\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})\right]}{k(Z+\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})}|}^2-\left|\frac{\sin [k(Z-\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})}{k(Z-\mathrm{\ΔZ})(1-\cos \mathrm{\α})}{|}^2\right|{\·I}_0$

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，本实用新型的有益效果体现在：由于光源的噪声和漂移同时作用在两个探测器上，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。采用差动离焦法的另外一个优点是可大大提高测量速度，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，但是这样会造成测量速度的减慢。但是利用差动离焦法，由于差动输出特性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，这样就可以获得小于采样间隔的分辨率。本实用新型可广泛应用于半导体产品制造加工检测及主物医学检测领域。

图面说明：

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型探测器光强归一化输出与离焦量关系曲线。

具体实施方式：

参见图1，本实施例由光学探头、CCD图像采集处理和位移机构组成。

按常规设置，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，准直透镜3、微透阵列4、针孔阵列5及物镜7所在平面均垂直于a光轴线，a分束镜6的中心点位于a光轴线1上，a分束镜6上的反射面与物镜7所在平面成45度角；点光源2位于准直透镜3的焦点位置上，微透镜阵列4位于准直透镜4的另外一侧，针孔阵列5位于微透镜阵列4的焦点位置上。

本实施例中，设置差动探测机构，该差动探测机构是在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上设置反射光CCD探测器13，在b分速镜9的透射光b光轴线上设置透射光CCD探测器11。反射光CCD探测器13和透射光CCD探测器11的探测面离焦设置，并且两探测面离焦距离相等，离焦方向相反。图中示出，本实施例中，在离焦距离相等的情况下，透射光CCD探测器11的探测器位于像焦面1的内侧；而反射光CCD探测器13的探测面则应位于像焦面2的外侧。反之亦然。

本实施例中，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2经过准直透镜3后变成平行光，照射到微透镜阵列4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5，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经过a分束镜6以后，由物镜7聚焦在被测面8上，从被测面反射的光束经过物镜、a分束镜和b分束镜后分成两束光。分别投射到两只黑白CCD探测器的探测面上。图像采集系统中以两只CCD探测器作为信号探测元件，探测差动离焦光斑阵列。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。图像采集卡将CCD图像采集入计算机，由计算机程序计算并重建三维形貌。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位移平台在纵向(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探测单元的灰度值，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；i＝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，Zn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T_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 (1)

1、差动离焦并行全场三维检测装置，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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