调整光束倾斜角的方法和调整光束倾斜角的照明装置与流程

本发明涉及机器视觉领域，尤其涉及一种调整光束倾斜角的方法和调整光束倾斜角的照明装置。
背景技术：
：在机器视觉领域，环形暗场照明有着广泛使用，环形暗场照明装置提供均匀的照明光，用于检测待测面的表面凹陷、突起、划痕等缺陷特征，其照明光的均匀性关系到缺陷检测质量。目前常用的环形暗场照明装置有发光二极管(LED)环形暗场照明装置和光纤环形暗场照明装置。近些年，随着半导体行业的发展，计算机、电子产品、探测器等产品的更新换代，人们对扫描与检测速度有着越来越高的要求。LED环形暗场照明作为脉冲光源使用，能量无法满足高扫描速度的需求，作为连续光源也存在着能量不足的问题。光纤环形暗场照明，由于照明光源的面分布不均匀，导致耦合进入光纤传导环形暗场照明装置中的每根光纤的能量差异较大，降低了光纤传导环形照明装置总的均匀性，从而影响了缺陷检测质量。如图1和图2所示，2007年4月26号申请的美国专利US20070201020(A1)公开了一种环形光纤暗场照明装置，提供了一种环形暗场照明方式，采用了8个光纤出射端(单极照明)单元的结构，每个单极照明单元都集成了多达上百根大数值孔径(NA)的光纤，通过8个单极照明单元的照明叠加，从而产生光强面分布满足需求的照明视场。这种结构不能实现每个单极照明单元的光线角分布的一致性，即在不同样品面的位置接收到光线角度不同，会影响检测的质量。如图3和图4所示，仿真单个单极照明单元照明的光强分布，照明光的角度范围θ约为22度，角度一致性较差，且单个单极照明单元照明均匀性只有40％左右。如图5～7所示，采用多个单极照明单元进行多极照明，视场照明均匀性主要是由8个单极照明单元叠加实现，约为94％，多极照明虽然可以实现照明视场的照明均匀性要求，但其缺点：1)照明视场的不同位置接收同一单极照明单元照明光的角度和照明强度差异大；2)照明视场的不同位置接收不同单极照明单元照明光的角度和照明强度差异大，两个缺点都会影响检测性能。因此，提高单极照明单元照明光的角度一致性和照明均匀性，可实现照明视场范围内的不同位置接收到每个单极照明单元照明光的角度和强度一致性，以提高缺陷检测性能。如图8所示，2009年3月27号申请的中国专利CN101551078(B)公开了一种LED环形暗场照明装置，由a～h表示的8个单极照明单元叠加实现，每个单极照明单元都集成了很多个LED，使用棱镜板进行斜入射照明，其LED有一定的发散角，降低了照明视场内每个位置接受各个单极照明单元的角度一致性；其次，其结构复杂，制造装配较难，且无法实现照明光的斜入射角度的调节。倾斜照明装置的集成都是不可调的，由于装配公差造成不同极照明光的斜入射角度是不同的，影响缺陷不同位置的成像性能。由图9可知，两极斜入射到样品表面缺陷的不同位置，由于入射角度θ1和θ2的不同，不同位置的散射强度会有差异，造成缺陷的不同位置成像的光强度不一致。其次，由于不同缺陷的散射强度不同，其需求的照明光斜入射角度是有差异的。如图10所示，后道的缺陷检测设备，采用显微系统进行成像，其显微物镜的工作距一般在20mm-30mm之间，即物镜到样品面的轴向尺寸要满足<30mm，所以，暗场照明模块的轴向尺寸受到其约束。如图11所示，2015年3月13号申请的中国专利CN204479492(U)的检测对象是光学元件表面缺陷，采用的照明方式，其照明距离约100mm，其和后道缺陷检测设备的应用场景完全不同，空间尺寸无法满足后道缺陷检测设备中的暗场照明需求。其次，其照明的角度不可调。综上，在后道的缺陷检测设备的暗场照明中，希望单极照明单元照明光的斜入射角度是一致的，并且根据不同的缺陷，调节照明光的斜入射角度，可提高工艺适应性，并暗场照明模块的尺寸要满足物镜工作距的要求。技术实现要素：本发明提供了一种调整光束倾斜角的方法，用以解决LED环形暗场照明装置和光纤环形暗场照明装置只能形成一定照明视场的照明均匀性的需求，以及不能满足单极照明时照射光角度一致性和照明均匀性的要求的问题。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种调整光束倾斜角的方法，包括如下步骤：步骤一：采用准直镜头将光束进行准直，准直后的光束，光束中光线的发散角较小；步骤二：采用角度调节器将准直后的光束调整光束的倾斜角。作为优选，所述角度调节器采用反射调整或者折射调整。本发明采用的调整光束倾斜角的方法将光束准直后进行角度偏转，提高了光束角度的一致性，提高照明视场的均匀性，并且操作简单，提高了生产效率。本发明还提供了一种调整光束倾斜角的照明装置，包括至少一组照明机构，所述照明机构包括沿光线传播方向设置的光源、准直镜头和角度调节器，所述光源发出光束经所述准直镜头调整成为平行光束，然后，光束经过所述角度调节器调节实现光束的角度偏转，入射至待测平板表面，从而实现大角度斜入射照明效果。作为优选，所述角度调节器包括楔形棱镜和用于控制所述楔形棱镜沿轴线旋转的旋转调节机构，楔形棱镜位于准直镜头的后焦面，所述旋转调节机构控制所述楔形棱镜沿轴线旋转，光源发出的光束经过所述准直镜头和所述楔形棱镜调整后入射在待测平板表面，其中，待测平板表面的光束的入射角与楔形棱镜旋转角度的关系：θ＝arc(nsin(α-β))+Δα；θ表示光束与待测平板表面的夹角，α表示所述楔形棱镜楔角的余角，Δα表示所述楔形棱镜的旋转角度，n为楔形棱镜材料折射率，实现光束角度偏转。作为优选，所述角度调节器为微反射镜阵列，微反射镜阵列位于准直镜头的后焦面，光束经过微反射镜阵列反射，实现角度偏转。作为优选，所述准直镜头为非球面镜、球面镜或其他有将光束准直作用的光学元件，光束经过所述准直镜头后成为平行光，光束的发散角很小。作为优选，所述光源为激光器或光纤照明系统等。作为优选，所述光纤照明系统包括单根光纤，提高了能量利用率，所述光纤照明系统装配简单且单根光纤不会出现断裂的情况。作为优选，所述准直镜头的宽度小于15mm。作为优选，所述角度调节器的高度小于15mm。本发明采用的调整光束倾斜角的照明装置，在每组照明机构，光束中各光线的角度的偏差在1度范围内，提高了单极照明光束角度的一致性，并且每组照明机构的照明均匀性可达到90％以上，提高了单极照明的照明均匀性。在照明视场内，多组照明机构配合，实现了不同位置接收到不同单极照明光束角度一致性与照明均匀性的性能提升。附图说明图1是现有技术中一光纤环形暗场照明装置的正视图；图2是现有技术中一光纤环形暗场照明装置的侧视图；图3和图4是现有技术中一光纤环形暗场照明装置的仿真单极照明的光强分布图；图5是是现有技术中一光纤环形暗场照明装置的多极照明示意图；图6和图7是现有技术中一光纤环形暗场照明装置的仿真多极照明的光强分布图；图8是现有技术中一LED环形暗场照明装置的结构示意图；图9是现有技术中一LED环形暗场照明装置的多极照明示意图；图10是现有技术中后道缺陷检测设备的结构示意图；图11是现有技术中一斜入射照明示意图；图12是本发明实施例二的可调节照射光的照明装置的照明机构的结构示意图；图13是本发明实施例二的可调节照射光的照明装置的楔形棱镜前光强分布示意图；图14和图15是本发明实施例二的可调节照射光的照明装置的仿真单极照明的光强分布图；图16是本发明实施例二的可调节照射光的照明装置的多极照明示意图；图17和图18是本发明实施例二的可调节照射光的照明装置的仿真多极照明的光强分布图；图19是本发明实施例三的可调节照射光的照明装置的照明机构的结构示意图。图12中所示：1-光源、2-准直镜头、3-楔形棱镜、4-旋转调节机构、5-待测平板；图19中所示：1-光源、2-准直镜头、5-待测平板、6-微反射镜阵列。具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。实施例一一种调整光束倾斜角的方法，包括如下步骤：步骤一：采用准直镜头将光束进行准直，准直后的光束，光束中光线的发散角较小；步骤二：采用角度调节器，利用反射调整或者折射调整，将准直后的光束调整光束的倾斜角。实施例二请参见图12，一种调整光束倾斜角的照明装置，包括四组照明机构，所述照明机构包括沿光线传播方向设置的光源1、准直镜头2和角度调节器，所述光源1发出光束经所述准直镜头2调整成为平行光束，然后，光束经过所述角度调节器调节实现光束的角度偏转，入射至待测平板5表面，从而实现大角度斜入射照明效果。所述角度调节器包括楔形棱镜3和用于控制所述楔形棱镜3沿其轴线旋转的旋转调节机构4，所述楔形棱镜3位于所述准直镜头2的后焦面，所述旋转调节机构4控制所述楔形棱镜3沿其轴线旋转，实现光束角度偏转。本实施例的所述准直镜头2和所述楔形棱镜3的高度均小于15mm，其高度满足后道缺陷检测设备的轴向尺寸约束(<30mm)，适应性好。所述准直镜头2为非球面镜、球面镜或其他有将光束准直作用的光学元件，光束经过所述准直镜头2后成为平行光，光束的发散角很小。所述光源1为激光器或光纤照明系统等，当所述光源1为光纤照明系统时，所述光纤照明系统采用单根光纤，装配简单，且提高了能量利用率。以一组照明机构为例，进行单极照明，光源1出射的光束经过所述准直镜头2之后，光束成为平行光，光束中光线的发散角很小，经过所述楔形棱镜3实现光束的角度偏转，入射到待测平板5表面，从而实现大角度斜入射照明效果，其光束中光线的角度偏差范围<1度，一致性高；通过所述旋转调节机构4，旋转调节所述楔形棱镜3旋转，调整光束入射至待测平板5表面时与待测平板5表面的夹角，实现单极照明的角度调节。图13表示光束经过所述准直镜头2，入射到楔形棱镜3前表面的光强分布，其在Φ17mm视场范围内的均匀性约为97.3％，光束中光线的发散角小于0.8度，即光束角度的一致性高，偏差范围能达到小于1度。根据设计需求，视场与准直镜头2的焦距以及光源1的NA满足：视场需求若为宽度为Dmm的正方形，则2F×sin(NA)≥D，F为准直镜头2的焦距，NA为光源的数值孔径。根据设计的光束与待测平板5表面的夹角，测量光源1发出的光束经过所述准直镜头2和所述楔形棱镜3调整后照射在待测平板5表面时与待测平板5表面的夹角，以及光束角度一致性是否符合设计要求，若不符合设计要求，调节所述楔形棱镜3旋转，直至符合设计要求。沿楔形棱镜3的轴向旋转楔形棱镜3，可进行光束入射待测平板5表面的角度调节，光束的入射角与旋转角度的关系：θ＝arc(nsin(α-β))+Δα；其中，θ表示光束与待测平板5表面的夹角，α表示所述楔形棱镜3楔角的余角，Δα表示所述楔形棱镜3的旋转角度，n为楔形棱镜材料折射率，其调节范围如下表：表1调节的Δα(Degree)θ(Degree)013.44513.731014.211514.872015.76由上表可知，楔形棱镜3沿其轴向旋转20°，可调节光束的入射角度范围为1.3°。楔形棱镜3沿其轴向旋转，会产生视场沿楔形棱镜3轴向的平移，其平移量为其轴向需调节以补偿调节角度造成的视场偏移，保证视场的中心不变。若光束角度一致性不符合设计要求，当光束与待测平板5表面的夹角大于设计要求的夹角时，调节所述楔形棱镜3使得光束与待测平板5表面的夹角变小，待测平板5需要沿其轴线向上平移；当光束与待测平板5表面的夹角小于设计要求的夹角时，调节所述楔形棱镜3使得光束与待测平板5表面的夹角变大，待测平板5需要沿其轴线向下平移。待测平板5表面的照明仿真效果见图14和图15，图15表示图14中视场光照强度的放大图，设计的入射角度θ为14度，分析得到光束入射到待测平板5表面的最大角度约为14.3度，最小角度为13.5度，其光束中光线的角度偏差<1度，提高了光束角度的一致性；分析可得视场中心12mm×12mm区域照明均匀性为95.4％，提高了单极照明的照明均匀性。请参见图16，以四组照明机构进行多极照明，在待测平板5表面的照明仿真效果见图17和图18，图18表示图17中视场光照强度的放大图，可得视场中心12mm×12mm区域照明均匀性为95.4％，在保证四极照明视场的均匀性基础上，提高了照明视场内不同位置接收到每个单极照明光的角度一致性，又提高了照明视场内不同位置接收到每个单极照明光的强度均匀性，其均匀性为95.4％。实施例三请参见图19，实施例三与实施例二的区别在于，所述角度调节器为微反射镜阵列6，光源1出射的光束经过所述准直镜头2之后，光束成为平行光，光束中光线的发散角很小，经过微反射镜阵列6实现光束的角度偏转，入射到待测平板5表面，从而实现大角度斜入射照明效果，其光束中光线的角度偏差范围<1度。通过调节微反射镜阵列6，实现光束入射到待测平板5表面的角度调节。本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。当前第1页1 2 3