專利名稱：差動離焦并行全場三維檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)三維形貌檢測技術(shù)，特別是光聚焦檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，使得零件的特征尺寸越來越小，精度也越來越高。對這些零件的三維形貌進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測，成為現(xiàn)代測試方法和儀器研究的重要課題。共焦測量方法由于其高精度、高分辨率及易于實現(xiàn)三維成像數(shù)字化的獨特優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的共焦測量大多采用單點瞄準(zhǔn)加掃描的方法來實現(xiàn)二維瞄準(zhǔn)，不但掃描機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，而且振動的影響限制了測量精度和速度的提高。
近年來出現(xiàn)了一種基于微光學(xué)器件的非掃描全場共焦技術(shù)。這種方法通過微光學(xué)器件，實現(xiàn)對光束的分割，從單點掃描變?yōu)槎嗦凡⑿刑綔y，同步對被測表面的不同點進(jìn)行瞄準(zhǔn)檢測，從而實現(xiàn)全場同步測量。采用CCD面陣上的像元代替小孔光闌來截取共焦點像的光強(qiáng)。但是這種方法由于光源的漂移，會造成測量過程中的光強(qiáng)基準(zhǔn)誤差；應(yīng)用在全場并行測量時，光源的噪聲又會造成不同探測點的光源基準(zhǔn)不同，造成測量平面誤差；傳統(tǒng)的共焦方法中，要提高軸向分辨率，就要減小縱向采樣間隔，但這樣會造成測量速度的減慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是避免上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處，提供一種高精度、高速度的差動離焦并行全場三維檢測方法，并提供實現(xiàn)該方法的檢測裝置。以期在較大采樣間距下獲得高的軸向分辨率，有效解決測量分辨率和測量速度之間的矛盾，同時可以有效抑制光源噪聲和漂移產(chǎn)生的影響，提高測量精度。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是差動離焦并行全場三維檢測方法的特點在于在并行全場檢測中進(jìn)行差動離焦探測，并采用同光斑光強(qiáng)差動算法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案還在于實施本發(fā)明方法的檢測裝置是由光學(xué)探頭、CCD圖像采集處理和位移機(jī)構(gòu)組成。所述光學(xué)探頭以中心點同處在a光軸線上、自一側(cè)至另一側(cè)依次設(shè)置為點光源、準(zhǔn)直透鏡、微透鏡陣列、針孔陣列、a分束鏡、物鏡和可軸向移動的被測物載臺；其中a分束鏡的反射面與物鏡所在平面成45度角。
該裝置的結(jié)構(gòu)特點是設(shè)置差動探測機(jī)構(gòu)，所述差動探測機(jī)構(gòu)是在所述a分束鏡的反射光b光軸線上設(shè)置b分束鏡，在所述b分束鏡的反射光c光軸線上以及在其透射光b光軸線上，分別設(shè)置反射光CCD探測器和透射光CCD探測器，兩組探測器的探測面在各自的光軸線上離焦設(shè)置，并且兩探測面離焦距離相等，離焦方向相反。
本發(fā)明的測量原理是利用兩CCD探測器進(jìn)行同步離焦差動探測，按光斑的大小，將CCD敏感面的象素分為一個個探測單元，一個探測單元對應(yīng)一個光斑，此時各CCD探測單元等效于針孔探測器。當(dāng)物面位于焦平面時，兩探測器上的光斑大小相等、光強(qiáng)相同，因此兩探測器輸出信號之差值為零；當(dāng)物面偏離焦平面時，兩探測器上的反射光斑和透射光斑大小不再相等，一個探測器光斑直徑變大，一個探測器上光斑直徑變小，兩探測器輸出信號之差值也不同。因此根據(jù)兩探測器輸出信號差值的大小及正負(fù)，便可判斷物面離焦量的大小與正負(fù)。當(dāng)被測物體沿軸向掃描移動時，由于物體上各點的高度不同，相應(yīng)的各點到達(dá)焦平面的距離也不同，物體上各點到焦平面的距離就可以表征物體的輪廓高度。
當(dāng)探測器軸向偏離像焦面微小位移±ΔZ時，探測器光強(qiáng)信號為I(±ΔZ)=|sin[k(Z±ΔZ)(1-cosα)]k(Z±ΔZ)(1-cosα)|2·I0]]>圖2示出了探測器光強(qiáng)歸一化輸出與離焦量關(guān)系曲線。
如圖2所示，當(dāng)探測器軸向偏移時，其軸向響應(yīng)特性曲線沒有變化，只是在響應(yīng)曲線中引入了軸向偏移，即它相對于理想共焦成像的軸向響應(yīng)特性產(chǎn)生了一定的相移?？梢娞綔y器軸向偏移對系統(tǒng)軸向分辨率影響不大，差動離焦法就是利用了這一特性。取兩探測器輸出的差值為信號輸出，則信號為ID=I(+ΔZ)-I(-ΔZ)]]>=||sin[k(Z+ΔZ)(1-cosα)]k(Z+ΔZ)(1-cosα)|2-|sin[k(Z-ΔZ)(1-cosα)]k(Z-ΔZ)(1-cosα)|2|·I0]]>由此差動輸出曲線可看出有較大的線性段，且在焦點過零。曲線的線性范圍和靈敏度與光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明是在并行全場檢測中使用差動離焦探測法，并采用同光斑光強(qiáng)差動算法，光源的噪聲和漂移同時作用在兩CCD探測到的同一光斑點，故差動后的輸出信號可以有效抑制光源噪聲和漂移產(chǎn)生的影響。采用差動離焦探測法的另外一個優(yōu)點是可大大提高測量速度，而在傳統(tǒng)的共焦方法中，要提高軸向分辨率，就要減小縱向采樣間隔，但這樣會造成測量速度的減慢。本發(fā)明利用差動離焦探測法，由于它具有獨特的S形差動輸出曲線，中間有很好的線性段，只要縱向采樣間隔在線性范圍內(nèi)，就可以根據(jù)輸出信號與離焦量的線性關(guān)系算出實際的高度值，這樣就可以獲得小采樣間隔的分辨率。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)品制造加工檢測及生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域。
圖面說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明探測器光強(qiáng)歸一化輸出與離焦量關(guān)系曲線。
具體實施例方式本實施例中差動離焦并行全場三維檢測方法是，在并行全場檢測中使用差動離焦探測法，并采用同光斑光強(qiáng)差動算法。
具體為a、二維點光源經(jīng)第一次分束后聚焦到被測物表面，被測物表面的反射光經(jīng)兩次分束后，分別生成透射光和反射光；
b、同時對所述透射光和反射光的光斑陣列的進(jìn)行距離相等、方向相反的離焦探測，并獲得各光斑點對應(yīng)探測單元的灰度值，計算各探測單元的差動離焦信號輸出ID；|xi，yj，ID(i，j)|(i＝1，2，........n；j＝1，2，.......m)式中，n和m分別為點光源陣列(即微透鏡陣列)的列數(shù)和行數(shù)ID為對應(yīng)相同點光源的探測單元差動輸出信號c、光源陣列在縱向(Z軸方向)形成并行剖面n次，設(shè)各剖面的間距均為ΔZ，采樣點的(i，j)處的采樣列陣為[Z1，ID1(i，j)]，[Z2，ID2(i，j)]，.....，[Zn，IDn(i，j)]式中，，Zn為縱向掃描高度。
d、對以上n剖面的輸出信號值進(jìn)行比較，找到過零值ID(i，j)＝0，確定所處的剖面層k，則該點高度為Zk＝kΔZ；若沒有過零值，則根據(jù)落在差動輸出曲線線性段的采樣點所在剖面位置計算高度值；e、用Zk替換ID(i，j)，得到測量面的三維值為|xi，yj，Zk|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)。
根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，可計算出與被測點離焦量相對應(yīng)的檢測裝置輸出信號變化，得到如圖2所示的S形差動輸出曲線特性圖。
由此輸出曲線可看出該曲線具有較大的線性段，且在正焦位置點過零。只要保證縱向采樣點有兩點落在線性范圍內(nèi)(即縱向采樣間隔保證小于線性范圍的一半即可)，就可以根據(jù)輸出信號與離焦量的線性關(guān)系算出實際高度值，這樣就可以獲得小于采樣間隔的分辨率，實現(xiàn)在較大采樣間距下獲得較高的軸向分辨率，有效解決測量分辨率和測量速度之間的矛盾。曲線的線性范圍和靈敏度與光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)。
參見圖1，本實施例中，具體實施以上方法的檢測裝置是由光學(xué)探頭、CCD圖像采集處理和位移機(jī)構(gòu)組成，光學(xué)探頭以中心點同處在a光軸線1上、自一側(cè)至另一側(cè)依次設(shè)置為點光源2、準(zhǔn)直透鏡3、微透鏡陣列4、針孔陣列5、a分束鏡6、物鏡7和可軸向移動的被測物載臺8。其中a分束鏡6的反射面與物鏡7所在平面成45度角。
本實施例中，設(shè)置差動探測機(jī)構(gòu)，該差動探測機(jī)構(gòu)是在所述a分束鏡6的反射光b光軸線10上設(shè)置b分束鏡9，在b分束鏡9的反射光c光軸線12上以及在其透射光b光軸線10上，分別設(shè)置反射光CCD探測器13和透射光CCD探測器11，兩組探測器的探測面在各自的光軸線上離焦設(shè)置，并且兩探測面離焦距離相等，離焦方向相反。
該裝置采用一個微透鏡陣列來實現(xiàn)一個二維點光源陣列。單色點光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后變成平行光，照射到微透鏡陣列上。利用微透鏡陣列將光束分割會聚，提高了光能利用率；在微透鏡陣列的焦平面固定一小孔陣列，小孔與透鏡一一對應(yīng)，且小孔口徑與對應(yīng)的微透鏡焦斑大小相近。采用小孔光闌阻擋了雜散光的通過，提高了信噪比。微透鏡陣列產(chǎn)生的點光源的光束通過分束鏡，由物鏡聚焦到被測物14表面，反射光經(jīng)過a分束鏡，被反射到b分束鏡，使得反射光被分成兩束，分別成像到兩個黑白CCD探測面上。圖像采集系統(tǒng)中以黑白CCD作為信號探測元件，探測經(jīng)過b分束鏡后的透射光斑陣列和反射光斑陣列，圖像采集卡將CCD圖像采集入計算機(jī)，由計算機(jī)程序進(jìn)行計算。位移機(jī)構(gòu)由被測物載臺8和位移驅(qū)動電路組成，帶動被測物14在縱向步進(jìn)位移。
工作過程如下1、將被測物14固定在被測物載臺8上，打開光源開關(guān)、CCD電源和計算機(jī)，運行測量程序；2、通過位移驅(qū)動電路控制被測物載臺8在縱向(Z軸方向)步進(jìn)位移，每步進(jìn)一步，兩CCD各采集一幅圖象；3、對采集兩幅圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得各光斑點所對應(yīng)的CCD單元的灰度值，計算出該單元的差動離焦信號輸出ID(i，j)。得到每剖面的信號列陣為|xi，yj，ID(i，j)|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)式中，n和m分別為點光源陣列(即微透鏡陣列)的列數(shù)和行數(shù)
4、光源陣列在縱向(Z軸方向)形成并行剖面n次，設(shè)各剖面的間距均為ΔZ，此值由微位移驅(qū)動器的的步進(jìn)距離決定。采樣點的(i，j)處的采樣列陣為[Z1，ID1(i，j)]，[Z2，ID2(i，j)]，.....，[Zn，IDn(i，j)]式中，ID為兩CCD上對應(yīng)相同點光源的探測單元差動輸出信號。
Zn為縱向掃描高度。
5、對以上n剖面的輸出信號值進(jìn)行比較處理，找到過零值ID(i，j)＝0，確定所處的剖面層k，則該點高度為Zk＝kΔZ。若沒有過零值，則可以根據(jù)差動輸出曲線中的線性段算出高度值。
6、用Zk替換ID(i，j)，得到測量面的三維值為|xi，yj，Zk|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)7、用計算機(jī)測量軟件畫出三維形貌。
權(quán)利要求
1.差動離焦并行全場三維檢測方法，其特征是在并行全場檢測中進(jìn)行差動離焦探測，并采用同光斑光強(qiáng)差動算法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動離焦并行全場三維檢測方法，其特征是a、二維點光源經(jīng)第一次分束后聚焦到被測物表面，被測物表面的反射光經(jīng)兩次分束后，分別生成透射光和反射光；b、同時對所述透射光和反射光的光斑陣列進(jìn)行距離相等、方向相反的離焦探測，并獲得各光斑點對應(yīng)探測單元的灰度值，計算各探測單元的差動離焦信號輸出ID；|xi，yj，ID(i，j)|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)式中，n和m分別為點光源陣列(即微透鏡陣列)的列數(shù)和行數(shù)ID為對應(yīng)相同點光源的探測單元差動輸出信號c、光源陣列在縱向(Z軸方向)形成并行剖面n次，設(shè)各剖面的間距均為ΔZ，采樣點的(i，j)處的采樣列陣為[Z1，ID1(i，j)]，[Z2，ID2(i，j)]，.....，[Zn，IDn(i，j)]式中，，Zn為縱向掃描高度。d、對以上n剖面的輸出信號值進(jìn)行比較，找到過零值ID(i，j)＝0，確定所處的剖面層k，則該點高度為Zk＝kΔZ；若沒有過零值，則根據(jù)落在差動輸出曲線線性段的采樣點所在剖面位置計算高度值；e、用Zk替換ID(i，j)，得到測量面的三維值為|xi，yj，Zk|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)。
3.一種實施權(quán)利要求1所述差動離焦并行全場三維檢測方法的裝置，由光學(xué)探頭、CCD圖像采集處理和位移機(jī)構(gòu)組成，所述光學(xué)探頭以中心點同處在a光軸線(1)上、自一側(cè)至另一側(cè)依次設(shè)置為點光源(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、微透鏡陣列(4)、針孔陣列(5)、a分束鏡(6)、物鏡(7)和可軸向移動的被測物載臺(8)；其中a分束鏡(6)的反射面與物鏡(7)所在平面成45度角；其特征是設(shè)置差動探測機(jī)構(gòu)，所述差動探測機(jī)構(gòu)是在所述a分束鏡(6)的反射光b光軸線(10)上設(shè)置b分束鏡(9)，在所述b分束鏡(9)的反射光c光軸線(12)上以及在其透射光b光軸線(10)上，分別設(shè)置反射光CCD探測器(13)和透射光CCD探測器(11)，兩組探測器的探測面在各自的光軸線上離焦設(shè)置，并且兩探測面離焦距離相等，離焦方向相反。
全文摘要
差動離焦并行全場三維檢測方法及裝置，其特征是在并行全場檢測中使用差動離焦探測法，并采用同光斑光強(qiáng)差動算法。本發(fā)明利用兩只CCD探測器進(jìn)行同步離焦差動探測，根據(jù)兩探測器輸出信號差值，便可判斷物面離焦量的大小與正負(fù)。當(dāng)被測物體沿軸向掃描移動時，物體上各點到焦平面的距離即可表征物體的輪廓高度。本發(fā)明能有效抑制光源噪聲和漂移產(chǎn)生的影響，提高測量精度；可在較大采樣間距下獲得高的軸向分辨率，有效解決測量分辨率和測量速度之間的矛盾。
文檔編號G01B21/20GK1527027SQ0311293
公開日2004年9月8日 申請日期2003年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
發(fā)明者王永紅, 余曉芬, 俞建衛(wèi), 黃其圣 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)