一种线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置的制作方法
本发明属于机器视觉检测技术领域，提供一种线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置，具体涉及一种快速的线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置和方法。
背景技术：
在先进光学元件制造和半导体工业等领域，各类光滑玻璃、半导体晶圆、金属等光滑表面缺陷的自动化定量检测是元件质量控制和加工工艺监测的重要环节。光滑表面缺陷的数字化定量检测将为保证元件的出厂质量、提高工业生产的产能等提供有力手段。目前，原有的表面缺陷检测系统利用可变倍的显微成像装置，来平衡系统在检测效率和检测精度上的性能。这些系统采用“低倍扫描，高倍定标”的面阵相机检测模式，即首先利用低放大倍率的显微镜以较大的面阵相机视场扫描整个表面并抓取出所有的疑似缺陷，然后基于他们的位置信息，将显微镜切换到高放大倍率，依次定位每个缺陷并捕捉高分辨率图像，以提高缺陷的检测精度。然而，随着光滑表面元件口径的增大，传统的基于面阵相机的低倍扫描方式采集一帧图像须停顿，以保证稳定状态下才能采集到清晰图像，因而速度非常慢，已逐渐无法满足领域内对检测速度的要求，检测效率及产能低。同时原来的面阵相机往往采用由多块ccd拼接而成的大幅面面阵相机，从而使图像上不同区域的感光灵敏度出现差异。此外，在大口径元件的扫描过程中，必须要保证整个表面都位于成像系统的对焦范围内，否则将无法获取清晰的图像，这对元件的姿态调整和成像系统的对焦能力都提出了很高的要求，尤其是对于高洁净度的光滑表面元件，表面无特征，甚至检测环境连灰尘也控制，则传统的基于图像特征的自动对焦算法很难奏效。本发明针对这些问题，提出了一种线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置和方法。这种装置主要利用线阵相机快速扫描大口径表面，利用配置高定倍镜头的面阵相机高分辨率获取缺陷的特征，提高了系统的检测效率及产能。由此打破了国外对我国的大口径感光面相机常利用双块或多块拼接造成各块图像灰度成像的不均匀性的瓶颈。同时搭载了距离传感系统，在超净环境下，以软硬件结合的方式实现成像系统的高精度对焦和样品的姿态调整。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置，其装置具体如下：
本发明装置包括低倍线阵成像系统、高倍面阵成像系统、距离传感系统s8、xy二维导轨s1、z向导轨s2、夹持台s3和控制台s12。其中低倍线阵成像系统用于快速地收集大口径表面的缺陷信息，它由环形照明光源s5、低放大倍率的线阵镜头s6和线阵相机s7组成，环形照明光源s5以特定的角度斜入射超净光滑表面样品s4，当表面存在缺陷时，如划痕和麻点，一部分光线被散射进线阵镜头s6并在线阵相机s7上成像；高倍面阵成像系统用于高精度地获取缺陷的特征，它由面阵照明光源s13、高放大倍率的面阵镜头s10和面阵相机s9组成，面阵照明光源s13采用正入射的面阵照明光源s13和斜入射的暗场照明光源s11两种方式；距离传感系统s8用于超净光滑样品表面的距离测量和姿态估计；低倍线阵成像系统、高倍面阵成像系统、距离传感系统s8三个系统均安装于z向导轨s2上，且均能够在z轴方向进行平移；待测的超净光滑表面样品s4放置在夹持台s3上，夹持台s3安装于xy二维导轨s1上，夹持台s3能够进行二维偏偏转调整，用于调整超净光滑表面样品s4的姿态，xy二维导轨s1用于对样品进行扫描；控制台s12采集低倍线阵成像系统、高倍面阵成像系统的成像图片，且能够用于检测图像处理和结果分析与输出。
一种线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置的实现方法，具体实现如下：
步骤1、对待测超净光滑表面s4进行姿态估计和调平，并实现成像系统对待测超净光滑表面s4的全表面范围内的准确对焦；
步骤2、基于低倍线阵成像系统和xy二维导轨s1，完成对待测超净光滑表面s4全口径的快速的扫描，获取整个表面的暗场图像信息；
步骤3、利用图像处理方法提取表面上所有缺陷的位置信息和大尺度的几何特征(如划痕缺陷的长度等)；
步骤4、基于高倍面阵成像系统和xy二维导轨s1，定位并扫描每一个缺陷，获取高分辨率的图像；
步骤5、利用图像处理方法对缺陷进行识别与分析，并提取缺陷小尺度的几何特征，并最终生成检测结果；
步骤1所述的对待测超净光滑表面进行姿态估计和调平，并实现成像系统对全表面范围内的准确对焦，具体如下：
利用距离传感系统s8，测量并采样被测超净光滑表面s4不同点离传感系统的距离，采样的点数不少于三个。根据这些距离值确定超净光滑表面s4的空间姿态，指导夹持台s3进行二维偏转，完成调平，使整个表平面与成像系统的光轴垂直。
然后利用距离传感系统s8再次测量表面的距离值，计算其与预设的成像系统工作距离的偏差，指导z向导轨s2进行平移，实现成像系统对全表面范围的准确对焦。
步骤2所述的完成对待测超净光滑表面s4全口径的快速的扫描，获取整个表面的暗场图像信息，具体如下：
采用逐行扫描的方式对超净光滑表面s4的全口径进行扫描。以样品的左上角为起点，在xy二维导轨s1的控制下，样品沿x轴匀速平移至右侧边缘，完成对该行的扫描，然后样品沿y轴向下移动特定的距离至下一扫描行，并以同样的方式进行平移，如此反复，实现全口径的扫描。线阵相机s7在每一行扫描时都会同步采集一张长幅的对应区域的暗场图像，这些子孔径图像按采集顺序分别用a1,a2,……an来表示，图像数量n由超净光滑表面s4的y向尺寸和扫描时的y向移动间隔确定，y向移动间隔由低倍线阵成像系统的横向视场和子孔径图像之间的重叠区域大小确定。最后对这些子孔径图像进行拼接，得到整个表面的暗场图像。
步骤4所述的基于高倍面阵成像系统和xy二维导轨s1，定位并扫描每一个缺陷，获取高分辨率的图像，具体如下：
在获取了表面上所有缺陷的位置信息后，高倍面阵成像系统利用xy二维导轨s1定位并扫描每一个缺陷，采集他们的高分辨率图像。该高倍系统可以采用明场照明s13和暗场照明s11两种方式，以便于更好的观察缺陷的各种细节信息。扫描路径由非线性优化算法进行规划确定，使扫描总路程最短，从而提升系统的检测速度。
本发明结合了线阵和面阵成像技术，首先利用低倍线阵成像系统快速地对光滑表面的全口径进行扫描，提取出所有疑似缺陷的位置等信息，然后利用高倍的面阵成像系统定位并进一步地检查这些缺陷，最终给出高精度的检测结果。本发明均适用于样品的水平和垂直放置，如样品垂直放置，则扫描轴为xz轴。相比于基于全面阵相机的扫描方式，本发明在低倍全口径扫描过程中不需要停顿，整个过程均为连续的匀速运动，因此扫描速度更快。而且线阵成像系统采集的图像更加均匀且分辨率相对更高，不仅有利于后续的图像处理，还能使系统对微小缺陷的检测更加灵敏。此外，本发明还搭载了距离传感系统，用于待测超净光滑表面的调平和成像系统的对焦，这克服了传统的基于自动对焦算法难以找到对焦参照点的缺点，具有更高的精度和稳定性。本发明解决了大口径超净光滑表面自动化检测的难题，不仅能推动表面缺陷自动化检测系统的发展和应用，更为提高先进光学制造超精密加工技术、研究各种超精密加工工艺、提高工业生产产量等提供有力手段。
附图说明
图1所示是快速的线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置示意图。
图2所示是检测流程图。
图3所示是基于距离传感系统的光滑表面姿态估计示意图。
图4所示是基于低倍线阵成像系统的全口径扫描路径示意图。
图5所示是面阵相机和线阵相机采集的同一区域的图像。
图6所示是线阵相机对不同光滑表面元件采集的图像。
图7所示是基于高倍面阵成像系统的缺陷扫描路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
下面，本发明的实施例1将用图1-7来详细描述。
如图1所示，一种线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置，包括低倍线阵成像系统、高倍面阵成像系统、距离传感系统s8、xy二维导轨s1、z向导轨s2、夹持台s3和控制台s12。其中，低倍线阵成像系统用于快速地收集大口径表面的缺陷信息，它由环形照明光源s5、低放大倍率的线阵镜头s6和线阵相机s7组成，光学系统的放大倍率为1.4倍，环形照明光源s5采用多束环形分布的高亮高均匀的白光led，以特定的角度斜入射超净光滑表面样品s4，当表面存在缺陷时，如划痕和麻点，一部分光线被散射进线阵镜头s6并在线阵相机s7上成像；高倍面阵成像系统用于高精度地获取缺陷的特征，它由面阵照明光源、高放大倍率的面阵镜头s10和面阵相机s9组成，光学系统的放大倍率为12.5倍，面阵照明光源可以采用正入射的明场照明s13和斜入射的暗场照明s11两种方式；距离传感系统s8用于超净光滑样品表面的距离测量和姿态估计；以上三个系统均安装于z向导轨s2上，可以在z轴方向进行平移；待测的超净光滑表面样品s4放置在夹持台s3上，夹持台s3安装于xy二维导轨s1上，夹持台s3可以进行二维偏转，用于调整超净光滑表面样品s4的姿态，xy二维导轨s1用于对样品进行扫描；控制台s12用于检测控制、图像处理和结果分析与输出。
如图2所示，系统的检测步骤如下：
步骤1、对待测超净光滑表面s4进行姿态估计和调平，并实现成像系统对全表面范围内的对焦；
步骤2、基于低倍线阵成像系统和xy二维导轨s1，完成对待测超净光滑表面s4全口径的快速的扫描，获取整个表面的暗场图像信息；
步骤3、利用图像处理技术提取表面上所有缺陷的位置信息和大尺度的几何特征(如划痕缺陷的长度等)。
步骤4、基于高倍面阵成像系统和xy二维导轨s1，定位并扫描每一个缺陷，获取高分辨率的图像；
步骤5、利用图像处理技术对缺陷进行识别，并提取缺陷小尺度的几何特征，并最终生成检测结果；
步骤1所述的对待测超净光滑表面进行姿态估计和调平，并实现成像系统对全表面范围内的对焦，具体如下：
超净光滑表面s4通常缺少对焦目标，影响调平和成像系统的对焦。利用距离传感系统s8，测量并采样被测超净光滑表面s4不同点离传感系统的距离，采样的点数不少于三个。本实施例中，距离传感系统s8为一个三角法激光距离传感器。距离传感器与成像系统相对位置保持不变，以低倍线阵成像系统为例，设其对焦面与位移传感器的参考工作距离为ds，在采样点处有对焦允许误差δd。如图3所示，xoy平面为水平面，ox轴和oy轴为相互垂直的水平面偏转轴线(分别与xy二维导轨s1的两个轴和夹持台s3的二维偏转轴平行)。被测超净光滑表面s4在xy二维导轨s1的带动下做二维移动，使得距离传感器在非共线的三个位置a',b',c'处进行距离测量，得到三个采样点a,b,c的测量距离分别为da、db和dc。基于这种距离测量和采样模式，调平和对焦的具体步骤如下：
(1)分别计算采样点的测量距离da、db和dc与参考工作距离ds的差值δdi，i＝a,b,c。若δdi大于显微镜对焦允许误差δd，则表示被测表面未达到显微镜对焦要求，需要调节被测表面空间姿态与位置。
(2)选取与参考工作距离ds差值最小的采样点为基准点，利用三个采样点的测量距离da、db和dc以及采样点间距计算得到沿ox轴和oy轴的偏转角θx和θy，用于夹持机构调平补偿。假设图3中b点为差值最小的采样点，为表示方便，令b点位于z轴上，则偏转角θx计算公式为：
其中l1为采样点b,c对应的采样位置b',c'之间的距离，即xy二维导轨s1在这两个点之间的直线移动距离，
其中l2为采样点a,b对应的采样位置a',b'之间的距离，即xy二维导轨s1在这两个点之间的直线移动距离，
(3)调平后，选取适当采样点，利用距离传感器再次测量他们的距离值，并计算其与参考工作距离ds的平均偏差。控制z向导轨s2带动成像系统平移补偿该偏差值，实现超净光滑表面s4的精确调平和成像系统对全平面范围的准确对焦。
步骤2所述的完成对待测超净光滑表面s4全口径的快速的扫描，获取整个表面的暗场图像信息，具体如下：
如图4所示，采用逐行扫描的方式对超净光滑表面s4的全口径进行扫描。以样品的左上角为起点，在xy二维导轨s1的控制下，样品沿x轴匀速平移至右侧边缘，完成对该行的扫描，然后样品沿y轴向下移动特定的距离至下一扫描行，并以同样的方式进行平移，如此反复，实现全口径的扫描。线阵相机s7在每一行扫描时都会同步采集一张长幅的对应区域的暗场图像，这些子孔径图像按采集顺序分别用a1,a2，……an来表示，图像数量n由超净光滑表面s4的y向尺寸和扫描时的y向移动间隔确定，y向移动间隔由低倍线阵成像系统的横向视场和子孔径图像之间的重叠区域大小确定。最后对这些子孔径图像进行拼接，得到整个表面的暗场图像。
本实施例的低倍线阵成像系统的放大倍率为1.4倍，横向视场就达到30mm，而相同分辨率的面阵相机的横向视场却只能达到10mm左右，这就意味着本发明的扫描行数可以减少至少3倍。不仅如此，线阵成像系统在低倍全口径扫描过程中不需要停顿，整个过程均为连续的匀速运动，因此扫描速度相比先前的基于面阵相机的方式将大幅度地提高。同时，如果采用与面阵扫描相同的扫描行数，那么本发明使用的低倍线阵成像系统将具有更高的分辨率，使系统对微小缺陷的检测更加灵敏。
图5给出了面阵相机(图5a)和线阵相机(图5b)在低倍扫描中采集的同一区域的图像，可以看出，线阵相机采集到的图像的均匀度要好于面阵相机，且对各个方向的划痕都有基本一致的灰度响应。这是因为在原来的基于面阵相机进行低倍扫描的系统中，为了减少扫描子孔径图像的数量，需要采用由多块ccd拼接而成的大幅面面阵相机，从而使图像上不同区域的感光灵敏度出现差异。而在采用线阵相机之后，这种问题就不复存在了，均匀的图像非常有利于后续的图像处理，提高了系统的稳定性。面阵相机(图5b)和线阵相机(图5d)在低倍扫描中采集的同一区域的微小字符图像，线阵相机分辨率也明显优于面阵相机，线阵相机在具有更大物方视场的条件下依然具有较高的图像解析度，其线扫的性质使得光学系统像差更容易校正。
图6给出了低倍线阵成像系统对不同光滑表面元件采集的图像，它们分别为底面为毛玻璃的厚玻璃元件、镀有增透膜的光学元件和镀有高反膜的光学元件。可以看出，使用的低倍线阵成像系统对这些光滑表面均能获得均匀的、高质量的暗场图像，说明线扫描具有更好的抗杂散光特性，本发明同样适用于这些类型元件的表面缺陷的检测。
步骤4所述的基于高倍面阵成像系统和xy二维导轨s1，定位并扫描每一个缺陷，获取高分辨率的图像，具体如下：
如图7所示，在获取了表面上所有缺陷的位置信息后，高倍面阵成像系统利用xy二维导轨s1定位并扫描每一个缺陷，采集他们的高分辨率图像。该高倍系统可以采用明场、暗场两种照明方式，以便于更好的观察缺陷的各种细节信息。扫描路径由非线性优化算法进行规划确定，使扫描总路程最短，从而提升系统的检测速度。
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