[發明專利]一種線面陣相機結合的大口徑超凈光滑表面缺陷檢測裝置

有效

• 申請號: 201910073986.8
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN110006905B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發明（設計）人: 楊甬英;曹頻
• 申請（專利權）人: 杭州晶耐科光電技術有限公司
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

1.一種線面陣相機結合的大口徑超凈光滑表面缺陷檢測方法，其特征在于該方法基于如下裝置實現，該裝置包括低倍線陣成像系統、高倍面陣成像系統、距離傳感系統(S8)、XY二維導軌(S1)、Z向導軌(S2)、夾持臺(S3)和控制臺(S12)；其中低倍線陣成像系統用于收集大口徑表面的缺陷信息，由環形照明光源(S5)、低放大倍率的線陣鏡頭(S6)和線陣相機(S7)組成，環形照明光源(S5)以特定的角度斜入射超凈光滑表面樣品(S4)，當表面存在缺陷時，部分光線被散射進線陣鏡頭(S6)并在線陣相機(S7)上成像；高倍面陣成像系統用于獲取缺陷的特征，由面陣照明光源(S13)、高放大倍率的面陣鏡頭(S10)和面陣相機(S9)組成，面陣照明光源(S13)采用正入射的面陣照明光源(S13)和斜入射的暗場照明光源(S11)兩種方式；距離傳感系統(S8)用于超凈光滑樣品表面的距離測量和姿態估計；低倍線陣成像系統、高倍面陣成像系統、距離傳感系統(S8)三個系統均安裝于Z向導軌(S2)上，且均能夠在Z軸方向進行平移；待測的超凈光滑表面樣品（S4）放置在夾持臺(S3)上，夾持臺(S3)安裝于XY二維導軌(S1)上，夾持臺(S3)能夠進行二維偏轉調整，用于調整超凈光滑表面樣品（S4）的姿態，XY二維導軌(S1)用于對樣品進行掃描；控制臺(S12)采集低倍線陣成像系統、高倍面陣成像系統的成像圖片；

該方法步驟如下：

步驟1、對待測超凈光滑表面進行姿態估計和調平，并實現成像系統對全表面范圍內的準確對焦；成像系統包括低倍線陣成像系統、高倍面陣成像系統；

步驟2、基于低倍線陣成像系統和XY二維導軌，完成對待測超凈光滑表面全口徑的快速的掃描，獲取整個表面的暗場圖像信息；

步驟3、利用圖像處理方法提取表面上所有缺陷的位置信息和大尺度的幾何特征；

步驟4、基于高倍面陣成像系統和XY二維導軌，定位并掃描每一個缺陷，獲取高分辨率的圖像；

步驟5、利用圖像處理方法對缺陷進行識別與分析，并提取缺陷小尺度的幾何特征，并最終生成檢測結果；

步驟1具體實現如下：

利用距離傳感系統(S8)，測量并采樣被測超凈光滑表面(S4)不同點離距離傳感系統的距離，采樣的點數不少于三個；距離傳感系統(S8)為一個三角法激光距離傳感器；距離傳感器與成像系統相對位置保持不變；針對低倍線陣成像系統，設其對焦面與距離傳感器的參考工作距離為d_S，在采樣點處有對焦允許誤差δd；xOy平面為水平面，Ox軸和Oy軸為相互垂直的水平面偏轉軸線；被測超凈光滑表面(S4)在XY二維導軌(S1)的帶動下做二維移動，使得距離傳感器在非共線的三個位置A',B',C'處進行距離測量，得到三個采樣點A,B,C的測量距離分別為d_A、d_B和d_C；基于這種距離測量和采樣模式，調平和對焦的具體步驟如下：

(1)分別計算采樣點的測量距離d_A、d_B和d_C與參考工作距離d_S的差值δd_i，i＝A,B,C；若δd_i大于顯微鏡對焦允許誤差δd，則表示被測表面未達到顯微鏡對焦要求，需要調節被測表面空間姿態與位置；

(2)選取與參考工作距離d_S差值最小的采樣點為基準點，利用三個采樣點的測量距離d_A、d_B和d_C以及采樣點間距計算得到沿Ox軸和Oy軸的偏轉角θ_x和θ_y，用于夾持機構調平補償；假設B點為差值最小的采樣點，為表示方便，令B點位于z軸上，則偏轉角θ_x計算公式為：

其中l₁為采樣點B,C對應的采樣位置B',C'之間的距離，即XY二維導軌(S1)在這兩個點之間的直線移動距離，為直線B'C'與偏轉軸Ox的夾角；同理偏轉角θ_y計算公式為：

其中l₂為采樣點A,B對應的采樣位置A',B'之間的距離，即XY二維導軌(S1)在這兩個點之間的直線移動距離，為直線A'B'與偏轉軸Oy的夾角；這兩個偏轉角θ_x和θ_y確定了超凈光滑表面(S4)的空間姿態，然后控制夾持臺(S3)分別按這兩個偏轉角進行二維偏轉，完成樣品的調平，使整個表平面與xOy平面平行，與成像系統的光軸垂直；

(3)調平后，選取采樣點，利用距離傳感器再次測量它們的距離值，并計算其與參考工作距離d_S的平均偏差值；控制Z向導軌(S2)帶動成像系統平移補償該偏差值，實現超凈光滑表面樣品(S4)的精確調平和成像系統對全平面范圍的準確對焦；

步驟2具體實現如下：

采用逐行掃描的方式對待測超凈光滑表面的全口徑進行掃描；以樣品的左上角為起點，在XY二維導軌的控制下，樣品沿X軸勻速平移至右側邊緣，完成對該行的掃描，然后樣品沿Y軸向下移動特定的距離至下一掃描行，并以同樣的方式進行平移，如此反復，實現全口徑的掃描；線陣相機在每一行掃描時都會同步采集一張長幅的對應區域的暗場圖像，這些子孔徑圖像按采集順序分別用A₁,A₂,……A_N來表示，圖像數量N由樣品的Y向尺寸和掃描時的Y向移動間隔確定，Y向移動間隔由低倍線陣成像系統的橫向視場和子孔徑圖像之間的重疊區域大小確定；最后對這些子孔徑圖像進行拼接，得到整個表面的暗場圖像；

步驟4具體實現如下：

在獲取了表面上所有缺陷的位置信息后，高倍面陣成像系統利用XY二維導軌定位并掃描每一個缺陷，采集它們的高分辨率圖像；該高倍面陣成像系統采用明場照明和暗場照明兩種方式，以便于更好的觀察缺陷的各種細節信息；掃描路徑由非線性優化算法進行規劃確定，使掃描總路程最短，從而提升系統的檢測速度。