專利名稱：差動離焦并行全場三維檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及三維檢測裝置，更具體地說是并行全場光學三維檢測裝置。
背景技術：
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)勢在生物醫(yī)學、半導體技術等領域得到廣泛應用。但是傳統(tǒng)的共焦掃描測量方法機構復雜，速度慢，越來越不適應現(xiàn)代半導體在線快速檢測的要求，近年來一種基于微光學器件的非掃描并行共焦技術引起普遍關注。這種方法通過微光學器件，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行瞄準檢測，從而實現(xiàn)全場同步測量。
在傳統(tǒng)的共焦光路中，被測面沿光軸作縱向掃描運動使各探測點通過焦平面，通過光電探測器記錄最大光強信號的軸向掃描位置，由于物體上各點的高度不同，相應的各點到達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。這種方法簡便易行，但是測量縱向分辨率只在微米量級，而且光源的噪聲和漂移會造成全場各微光路的基準不同，這些都影響了測量結果的精度。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
本實用新型所要解決的技術問題是避免上述現(xiàn)有技術中所存在的不足之處，提供一種結構簡單、高精度、高速度的差動離焦并行全場三維檢測裝置。實現(xiàn)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。
本實用新型解決技術問題所采用的技術方案是本實用新型由光學探頭、CCD圖像采集處理和位移機構組成，所述光學探頭以中心點同處在a光軸線上、自一側至另一側依次設置為點光源、準直透鏡、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。
本實用新型的結構特點是設置差動探測機構，所述差動探測機構是在所述a分束鏡的反射光b光軸線上設置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置，并且兩探測面離焦距離相等，離焦方向相反。
本實用新型由于設置差動探測機構，當物面位于焦平面時，兩探測器上的光斑大小相等、光強相同，因此兩探測器輸出信號之差值為零；當物面偏離焦平面時，兩探測器上的光斑大小不再相等，探測器輸出信號也不同。因此根據(jù)兩探測器輸出信號差值的大小及正負，便可判斷物面離焦量的大小與正負。
當探測器軸向偏離像焦面微小位移±ΔZ時，探測器光強信號為I(±ΔZ)=|sin[k(Z±ΔZ)(1-cosα)]k(Z±ΔZ)(1-cosα)|2·I0]]>圖2示出了探測器歸一化輸出與離焦量關系曲線。
如圖2所示，當探測器軸向偏移時，其軸向響應特性曲線沒有變化，只是在響應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系統(tǒng)的參數(shù)有關。
與已有技術相比，本實用新型的有益效果體現(xiàn)在由于光源的噪聲和漂移同時作用在兩個探測器上，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。采用差動離焦法的另外一個優(yōu)點是可大大提高測量速度，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，但是這樣會造成測量速度的減慢。但是利用差動離焦法，由于差動輸出特性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系算出實際的高度值，這樣就可以獲得小于采樣間隔的分辨率。本實用新型可廣泛應用于半導體產(chǎn)品制造加工檢測及主物醫(yī)學檢測領域。
圖面說明

圖1為本實用新型結構示意圖。
圖2為本實用新型探測器光強歸一化輸出與離焦量關系曲線。
具體實施方式
參見圖1，本實施例由光學探頭、CCD圖像采集處理和位移機構組成。
按常規(guī)設置，光學探頭以中心點同處在a光軸線1上、自一側至另一側依次設置為點光源2、準直透鏡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，準直透鏡3、微透陣列4、針孔陣列5及物鏡7所在平面均垂直于a光軸線，a分束鏡6的中心點位于a光軸線1上，a分束鏡6上的反射面與物鏡7所在平面成45度角；點光源2位于準直透鏡3的焦點位置上，微透鏡陣列4位于準直透鏡4的另外一側，針孔陣列5位于微透鏡陣列4的焦點位置上。
本實施例中，設置差動探測機構，該差動探測機構是在a分束鏡6的反射光b光軸線10上設置b分束鏡9，在b分束鏡9的反射光c光軸線12上設置反射光CCD探測器13，在b分速鏡9的透射光b光軸線上設置透射光CCD探測器11。反射光CCD探測器13和透射光CCD探測器11的探測面離焦設置，并且兩探測面離焦距離相等，離焦方向相反。圖中示出，本實施例中，在離焦距離相等的情況下，透射光CCD探測器11的探測器位于像焦面1的內(nèi)側；而反射光CCD探測器13的探測面則應位于像焦面2的外側。反之亦然。
本實施例中，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2經(jīng)過準直透鏡3后變成平行光，照射到微透鏡陣列4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5，小孔與透鏡一一對應，且小孔口徑與對應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)生的點光源的光束經(jīng)過a分束鏡6以后，由物鏡7聚焦在被測面8上，從被測面反射的光束經(jīng)過物鏡、a分束鏡和b分束鏡后分成兩束光。分別投射到兩只黑白CCD探測器的探測面上。圖像采集系統(tǒng)中以兩只CCD探測器作為信號探測元件，探測差動離焦光斑陣列。按光斑的大小，將CCD敏感面的象素分為一個個探測單元，一個探測單元對應一個光斑，此時各CCD探測單元等效于針孔探測器。圖像采集卡將CCD圖像采集入計算機，由計算機程序計算并重建三維形貌。位移機構由被測物載臺8和位移驅動電路組成，帶動被測物14在縱向步進位移。
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、CCD電源和計算機，運行測量程序；2、通過位移驅動電路控制位移平臺在縱向(Z軸方向)步進位移，每步進一步，兩CCD各采集一幅圖象；3、對采集兩幅圖像進行數(shù)據(jù)處理，獲得各光斑點所對應的CCD探測單元的灰度值，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；i＝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，設各剖面的間距均為ΔZ，此值由微位移驅動器的的步進距離決定。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行比較處理，找到過零值TD(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、用計算機測量軟件畫出三維形貌。
權利要求1.差動離焦并行全場三維檢測裝置，由光學探頭、CCD圖像采集處理和位移機構組成，所述光學探頭以中心點同處在a光軸線(1)上、自一側至另一側依次設置為點光源(2)、準直透鏡(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；其特征是設置差動探測機構，所述差動探測機構是在所述a分束鏡(6)的反射光b光軸線(10)上設置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置，并且兩探測面離焦距離相等，離焦方向相反。
專利摘要差動離焦并行全場三維檢測裝置，由光學探頭、圖像采集處理和位移機構組成，以中心點同處在a光軸線上、自一側至另一側依次設置點光源、準直透鏡、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；其特征是設置差動探測機構，在a分束鏡的反射光軸線上設置b分束鏡，在b分束鏡的反射光軸線上以及在其透射光軸線上，分別設置反射光和透射光CCD探測器，兩探測器的探測面在各自的光軸線上離焦設置，離焦距離相等、方向相反。本實用新型有效解決測量分辨率和速度間矛盾；有效抑制光源噪聲和漂移產(chǎn)生的影響，提高測量精度。
文檔編號G01N21/95GK2600814SQ0322027
公開日2004年1月21日 申請日期2003年3月6日 優(yōu)先權日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