專利名稱：表面輪廓檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面檢測(cè)技術(shù)，尤其是關(guān)于一種用于表面輪廓檢測(cè)的檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法
背景技術(shù)：
檢測(cè)待測(cè)物表面輪廓可讓使用者了解待測(cè)物表面輪廓是否正?；蚍鲜褂谜叩念A(yù)期。一 般的檢測(cè)待測(cè)物的檢測(cè)裝置是接觸式的，這種檢測(cè)裝置主要包括一個(gè)接觸式測(cè)量頭， 一個(gè)激 光組件， 一個(gè)用于處理接觸式測(cè)量頭所回傳的數(shù)據(jù)的處理器。在測(cè)量過程中，所述激光組件 發(fā)出兩束光， 一束為參考光束， 一束為測(cè)量光束，該測(cè)量光束隨測(cè)量頭的垂直位移變化而變 化。測(cè)量頭以一定的速度沿被測(cè)表面移動(dòng)，被測(cè)表面的凹凸不平引起測(cè)量頭沿被測(cè)表面的垂 直方向上下移動(dòng)，從而引起兩束光的光程差改變。通過對(duì)干涉條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，可得到 光程差的變化，即可間接得到測(cè)量頭的垂直位移，進(jìn)而由處理器處理該垂直位移的數(shù)據(jù)以測(cè) 量待測(cè)物表面的形貌。
上述的檢測(cè)裝置由于有測(cè)量頭的存在，該測(cè)量頭在一定測(cè)量壓力下測(cè)量頭可能變形和磨 損，同時(shí)影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性，而且由于為了不使測(cè)量頭受損傷，測(cè)量頭的硬度一般都很 高，因此不適于材料表面有特別要求的測(cè)量，例如光學(xué)鏡片，其表面粗糙度的要求很高，因 此不適用接觸式的檢測(cè)裝置檢測(cè)其表面輪廓。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種非接觸式的表面輪廓檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法。 一種表面輪廓檢測(cè)裝置，其包括 一個(gè)光源組件，用于提供一平行光；
一個(gè)空間光調(diào)制器，設(shè)置于光源組件的出射光的光路上，用于控制入射到該空間光調(diào)制 器的每一個(gè)像素的出射光的啟閉；
一個(gè)分光鏡，設(shè)置于空間光調(diào)制器的出射光的光路上，使空間光調(diào)制器的出射光通過該 分光鏡，到達(dá)被測(cè)物，并出射被測(cè)物反射的光；
一個(gè)波前傳感器，設(shè)置于分光鏡的出射光的光路上，用于檢測(cè)與空間光調(diào)制器的每一個(gè) 像素所對(duì)應(yīng)的且經(jīng)待測(cè)物反射和由分光鏡出射的出射光的波前斜率并輸出該波前斜率值；
一個(gè)控制處理器，與所述波前傳感器及空間光調(diào)制器電氣連接，用于控制所述空間光調(diào)制器啟閉每一個(gè)像素的出射光以及處理所述波前傳感器輸出的波前斜率值以取得所測(cè)試的待 測(cè)物的表面輪廓。
一種表面輪廓檢測(cè)方法，其包括下列步驟
a) 初始化設(shè)置波前傳感器的參考值；
b) 開啟光源組件，使其出射平行光并照射到空間光調(diào)制器上；
c) 利用控制處理器控制所述空間光調(diào)制器開啟一個(gè)像素的光并照射在待測(cè)物的表面上
d) 利用波前傳感器獲取分光鏡的出射光的波前斜率；
e) 根據(jù)波前傳感器設(shè)定的參考值，計(jì)算該像素所對(duì)應(yīng)的待測(cè)物表面的斜率；
f) 重復(fù)步驟c到步驟e，以使控制處理器控制空間光調(diào)制器掃描待測(cè)物的整個(gè)表面；
g) 對(duì)該待測(cè)物表面的斜率進(jìn)行斜率一物理尺度的轉(zhuǎn)換以取得該待測(cè)物的表面輪廓。 上述的表面輪廓檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法在空間光調(diào)制器、分光鏡以及波前傳感器的配合作
用下，能夠不與待測(cè)物接觸而取得待測(cè)物的表面輪廓，避免了對(duì)待測(cè)物表面造成損傷。


圖l是本發(fā)明實(shí)施例的表面輪廓檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1的表面輪廓檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法的流程圖3是為圖1的表面輪廓檢測(cè)裝置的波前傳感器初始化設(shè)置參考值的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
為了對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明，舉一較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)描述如下。
請(qǐng)參閱圖l，是本發(fā)明提供的一種表面輪廓檢測(cè)裝置100的結(jié)構(gòu)示意圖。該表面輪廓檢測(cè) 裝置100包括一個(gè)光源組件10， 一個(gè)設(shè)置于所述光源組件10出射光光路上的空間光調(diào)制器11 ， 一個(gè)設(shè)置于所述空間光調(diào)制器11出射光光路上的分光鏡12， 一個(gè)設(shè)置于所述分光鏡12所反 射的光的光路上的波前傳感器(Wave-front Sensor) 13以及一個(gè)與空間光調(diào)制器11及波前傳 感器13電氣連接的控制處理器14。
在本實(shí)施例中，以一個(gè)光學(xué)玻璃鏡片為待測(cè)物20，在此，僅為舉例而已，當(dāng)然，可以理 解的是，該檢測(cè)裝置可以檢測(cè)任何物體。
所述光源組件10包括依光路設(shè)置的一個(gè)照明光源101 、 一個(gè)準(zhǔn)直透鏡102以及偏振光轉(zhuǎn)換 器103。所述照明光源101可以為鹵素?zé)簟⒔饘冫u化物燈、氤燈或雷射光源等。在本實(shí)施例中 ，該照明光源l01為雷射光源。所述準(zhǔn)直透鏡102用來將照明光源l01所發(fā)出的光轉(zhuǎn)換成平行 光。所述偏振光轉(zhuǎn)換器103用于將入射平行白光轉(zhuǎn)換成同一偏振狀態(tài)的光，該偏振光轉(zhuǎn)換器103的出射光的偏振狀態(tài)可以為P偏振也可以為S偏振。在本實(shí)施例中，該偏振光轉(zhuǎn)換器103將 入射平行白光轉(zhuǎn)換成P偏振光，并將該平行的P偏振光作為出射光輸出。
所述控制處理器14可以為一計(jì)算機(jī)，該控制處理器14可識(shí)別處理有關(guān)數(shù)據(jù)，并輸出結(jié)果 。本實(shí)施例中，所述控制處理器14為一臺(tái)中央處理器，其內(nèi)安裝有可識(shí)別并處理相關(guān)數(shù)據(jù)的 程序。該控制處理器14分別與空間光調(diào)制器11以及波前傳感器13電氣連接，利用相關(guān)程序以 系統(tǒng)地配合并控制所述空間光調(diào)制器11以及波前傳感器13工作，即通過該控制處理器14配合 并控制所述空間光調(diào)制器ll啟閉每一個(gè)像素的出射光。通過該控制處理器14還可以控制所述 波前傳感器13工作，即通過該控制處理器14來配合并控制所述波前傳感器13與空間光調(diào)制器 11同步來處理來自分光鏡12的每一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的出射光的信號(hào)數(shù)據(jù)。在本實(shí)施例中，在所 述控制處理器l4內(nèi)安裝有一個(gè)斜率一物理尺度轉(zhuǎn)換程序，用于對(duì)來自波前傳感器l 3的數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理以取得待測(cè)物的表面輪廓。
所述空間光調(diào)制器ll可以為一個(gè)液晶裝置(Liquid Crystal Device, LCD),其通過控制 處理器14中所安裝的控制程序來控制該空間光調(diào)制器11的每個(gè)電極的開啟與截止，進(jìn)而控制 每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的液晶的偏轉(zhuǎn)以控制入射到對(duì)應(yīng)每個(gè)像素的光的啟閉。該空間光調(diào)制器ll在 控制處理器14的控制下，可以對(duì)每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的待測(cè)物20表面進(jìn)行掃描。
所述分光鏡12包括一個(gè)偏振分束器(Polarization Beam Splitter, PBS) 121以及一個(gè) 設(shè)置于該偏振分光鏡121透射光的光路上的四分之一波片122。該偏振分束器121可以為偏振 分光棱鏡，也可以為金屬柵格型偏振片(Wire Grid Polarizer, WGP)。在本實(shí)施例中，該偏 振分束器121為偏振分光棱鏡。該偏振分束器121根據(jù)對(duì)S偏振光和P偏振光的作用不同，可以 分為反射S偏振光而透過P偏振光，與透過S偏振光而反射P偏振光兩種形式。在本實(shí)施例中， 所述偏振分束器12反射S偏振光，而可以讓P偏振光透過。所述四分之一波片122可以通過拉 伸等方法獲得的具有光學(xué)各向異性的有機(jī)薄膜。當(dāng)光束通過該四分之一波片122時(shí)，要反復(fù) 經(jīng)過四分之一波片兩次即可以將該光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度。在本實(shí)施例中，當(dāng)來自空間光 調(diào)制器11的P偏振光透過偏振分束器121后，第一次通過該四分之一波片122，然后經(jīng)待測(cè)物 20反射后，第二次通過該四分之一波片122，從而使得入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，即將入 射的P偏振光轉(zhuǎn)換為S偏振光，該S偏振光被偏振分束器121反射后發(fā)射出去。
所述波前傳感器(Wave-front Sensor) 13可以為夏克一哈特曼(Shack-Hartmann)波前傳 感器，其主要由微透鏡陣列131和影像感測(cè)器l32組成，所述微透鏡陣列131利用每個(gè)透鏡在 影像感測(cè)器132上形成一個(gè)像斑。所述影像感測(cè)器132可以為電荷藕合器件圖像傳感器 (Charge Coupled Device, CCD),也可以為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)。在實(shí)施例，該影像感測(cè)器132為CCD 。在該波前傳感器13運(yùn)行時(shí)，如果入射光之斜率未改變，在本實(shí)施例中，當(dāng)待測(cè)物的表面是 一個(gè)平面時(shí)，即波前是一個(gè)完好的平面時(shí)，每個(gè)透鏡所成的像斑質(zhì)心就在參考位置，此時(shí)控 制處理器14將記載此參考位置的數(shù)據(jù)作為該波前傳感器13的參考值。當(dāng)入射光的斜率發(fā)生改 變，即待測(cè)物的表面不是一個(gè)平面，則波前發(fā)生畸變時(shí)，像斑的質(zhì)心將偏離參考位置。因此 ，根據(jù)各個(gè)像斑的質(zhì)心位置的偏移就可以通過簡單的幾何公式求出畸變波前上各個(gè)透鏡范圍 內(nèi)波前的斜率，同時(shí)利用控制處理器14所安裝的斜率一物理尺度轉(zhuǎn)換程序?qū)λ玫臄?shù)據(jù)進(jìn)行 處理即可取得待測(cè)物的表面輪廓。
下面將對(duì)本實(shí)施例所提供的表面輪廓檢測(cè)裝置100的表面輪廓檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)說明， 如圖2所示，為檢測(cè)待測(cè)物表面輪廓的方法流程圖。
首先，步驟S201，初始化設(shè)置波前傳感器13的參考值。
步驟S202，開啟光源組件10，使其出射平行光并照射到所述空間光調(diào)制器ll上。 步驟S203，利用控制處理器14控制所述空間光調(diào)制器11開啟一個(gè)像素的光并照射在待測(cè) 物20的表面。
步驟S204，利用波前傳感器13獲取分光鏡12的出射光的波前斜率。
步驟S205，根據(jù)波前傳感器13的設(shè)定的參考值，計(jì)算該像素所對(duì)應(yīng)的待測(cè)物20表面的斜
沖< 。
步驟S206，重復(fù)步驟S203到步驟S206，以使控制處理器14控制空間光調(diào)制器1 l掃描待測(cè) 物20的整個(gè)表面。
步驟S207，對(duì)該待測(cè)物表面20的斜率進(jìn)行斜率一物理尺度的轉(zhuǎn)換以取得該待測(cè)物20的表 面輪廓；
在步驟S201中，因隨入射光方向的不同，波前傳感器13的參考值也不同，如圖3所示， 在本實(shí)施例中，初始化設(shè)置所述波前傳感器13的參考值的方法包括下列步驟 首先，步驟S301，選取一表面為平面的物體；
步驟S302，開啟光源組件IO，使其平行出射光照射到平面物體表面上； 步驟S303，利用波前傳感器13獲取分光鏡12的出射光的波前斜率，并記載在所述控制處 理器14中；
至此，則完成對(duì)波前傳感器13的參考值，設(shè)定在步驟S303中所獲取的波前斜率即為波前 傳感器13波前斜率的參考值。
在該表面輪廓檢測(cè)裝置100的檢測(cè)方法中，當(dāng)完成一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的待測(cè)物20表面輪廓的獲取后，由控制處理器14開啟所述空間光調(diào)制器11的下一個(gè)像素的入射光以照射在該像素 所對(duì)應(yīng)的待測(cè)物20的表面上，從而取得該像素所對(duì)應(yīng)的待測(cè)物20表面的輪廓。重復(fù)步驟 S203到步驟S206，使控制處理器14控制空間光調(diào)制器11掃描待測(cè)物20的整個(gè)表面，則可以標(biāo) 出待測(cè)物20表面的整體輪廓，以進(jìn)行其他制程，如判斷該待測(cè)物20的表面輪廓是否合格。
在這里需要說明的是，上述的控制入射到每個(gè)像素的光的啟閉、獲取每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的 待測(cè)物20表面的輪廓等都是由所述控制處理器14中所內(nèi)置的處理程序自動(dòng)完成，并且該控制 處理器14將最后所得的結(jié)果傳輸給操作者，以便讓操作者判斷是否進(jìn)行下一次檢測(cè)操作。
上述的表面輪廓檢測(cè)裝置在空間光調(diào)制器、分光鏡以及波前傳感器的配合作用下，能夠 不與待測(cè)物接觸而取得待測(cè)物的表面輪廓，避免了對(duì)待測(cè)物表面造成損傷。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效 果，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
權(quán)利要求1一種表面輪廓檢測(cè)裝置，其特征在于，其包括一個(gè)光源組件，用于提供一平行光；一個(gè)空間光調(diào)制器，設(shè)置于光源組件的出射光的光路上，用于控制入射到該空間光調(diào)制器的每一個(gè)像素的出射光的啟閉；一個(gè)分光鏡，設(shè)置于空間光調(diào)制器的出射光的光路上，使空間光調(diào)制器的出射光通過該分光鏡，到達(dá)被測(cè)物，并出射被測(cè)物反射的光；一個(gè)波前傳感器，設(shè)置于分光鏡的出射光的光路上，用于檢測(cè)與空間光調(diào)制器的每一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的且經(jīng)待測(cè)物反射和由分光鏡出射的出射光的波前斜率并輸出該波前斜率值；一個(gè)控制處理器，與所述波前傳感器及空間光調(diào)制器電氣連接，用于控制所述空間光調(diào)制器啟閉每一個(gè)像素的出射光以及處理所述波前傳感器輸出的波前斜率值以取得所測(cè)試的待測(cè)物的表面輪廓。
2.如權(quán)利要求l所述的表面輪廓檢測(cè)裝置，其特征在于所述光源組 件包括一個(gè)光源， 一個(gè)設(shè)置在光源出射光方向上的準(zhǔn)直透鏡以及一個(gè)設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡出射光 光路上的偏振光轉(zhuǎn)換器，該準(zhǔn)直透鏡用于將光源所發(fā)出的發(fā)散光轉(zhuǎn)化為平行光，所述偏振光 轉(zhuǎn)換器用于將準(zhǔn)直透鏡的出射光轉(zhuǎn)換為單一偏振狀態(tài)的光并出射。
3.如權(quán)利要求l所述的表面輪廓檢測(cè)裝置，其特征在于所述分光鏡 包括一個(gè)偏振分束器與一個(gè)設(shè)置于偏振分束器與待測(cè)物之間的四分之一波片。
4.如權(quán)利要求3所述的表面輪廓檢測(cè)裝置，其特征在于所述偏振分 束器為偏振分光棱鏡。
5.如權(quán)利要求3所述的表面輪廓檢測(cè)裝置，其特征在于所述偏振分 束器為金屬柵格型偏振片。
6.如權(quán)利要求l所述的表面輪廓檢測(cè)裝置，其特征在于所述空間光 調(diào)制器為一個(gè)液晶裝置。
7.如權(quán)利要求l所述的表面輪廓檢測(cè)裝置，其特征在于所述波前傳感器為一個(gè)夏克一哈特曼波前傳感器。
8. 如權(quán)利要求l所述的表面輪廓檢測(cè)裝置，其特征在于所述波前傳 感器包括一個(gè)微透鏡陣列以及一個(gè)設(shè)置于所述微透鏡陣列出射光光路上的影像感測(cè)器。
9. 一種表面輪廓檢測(cè)方法，其包括下列步驟a) 初始化設(shè)置波前傳感器的參考值；b) 開啟光源組件，使其出射平行光并照射到所述空間光調(diào)制器上；c) 利用控制處理器控制所述空間光調(diào)制器開啟一個(gè)像素的光并照射在待測(cè)物的表面上d) 利用波前傳感器獲取分光鏡的出射光的波前斜率；e) 根據(jù)波前傳感器設(shè)定的參考值，計(jì)算該像素所對(duì)應(yīng)的待測(cè)物表面的斜率；f) 重復(fù)步驟c到步驟e，以使控制處理器控制空間光調(diào)制器掃描待測(cè)物的整個(gè)表面；g) 對(duì)該待測(cè)物表面的斜率進(jìn)行斜率一物理尺度的轉(zhuǎn)換以取得該待測(cè)物的表面輪廓。
10. 如權(quán)利要求9所述的表面輪廓檢測(cè)方法，其特征在于該初始化 設(shè)置波前傳感器的參考值的方法包括下列步驟 提供一表面為平面的物體；開啟光源組件，使其平行出射光照射到平面物體表面上；利用波前傳感器獲取分光鏡的出射光的波前斜率，并記載在所述控制處理器中。
全文摘要
一種表面輪廓檢測(cè)裝置，其包括一個(gè)用于提供一平行光的光源組件，一個(gè)設(shè)置于光源組件的出射光的光路上的空間光調(diào)制器，一個(gè)設(shè)置于空間光調(diào)制器的出射光的光路上的分光鏡，一個(gè)設(shè)置于分光鏡的出射光的光路上的波前傳感器以及一個(gè)與所述波前傳感器及空間光調(diào)制器電氣連接的控制處理器，其用于控制所述空間光調(diào)制器啟閉每一個(gè)像素的出射光以及處理所述波前傳感器輸出的波前斜率值以取得所測(cè)試的待測(cè)物的表面輪廓。上述的表面輪廓檢測(cè)裝置在空間光調(diào)制器、分光鏡以及波前傳感器的配合作用下，能夠不與待測(cè)物接觸而取得待測(cè)物的表面輪廓，避免了對(duì)待測(cè)物表面造成損傷。本發(fā)明還涉及上述表面輪廓檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法。
文檔編號(hào)G02B27/28GK101413789SQ200710202130
公開日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2007年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月18日
發(fā)明者黃海若 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司