一种光学检测装置和光学检测方法与流程

本发明实施例涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种光学检测装置和光学检测方法。

背景技术：

随着工业自动化、智能化的深入及普及，使用自动光学检测设备(autoopticalinspection，aoi)替代传统的人工目检，已成为技术发展趋势。aoi设备凭借其快速、精确的缺陷识别定位能力，在汽车、医药、交通、半导体等领域广泛使用。

目前，现有的aoi设备通常包括光学成像系统、载物台、物料传输系统等。其中光学成像系统包括照明单元、成像物镜和探测器等。现有的aoi设备为了获取清晰待测物体表面图像，一般采用消色差物镜，此类物通常能校正轴上点的位置色差(例如红，蓝二色等)和球差(例如黄绿光等)以及消除近轴慧差；当采用宽波段照明时(例如可见光波段400-750nm)，此类物镜仅有一个最佳成像焦面z0，其探测焦深为λ0/na²(λ0表示探测光中心波长，na表示物镜数值孔径)，因此该物镜只能在最佳焦面附近(例如z0±0.5λ0/na²)获取清晰的图像。当待测面远离最佳焦面0.5λ0/na²时，图像将变模糊不清。

在实际应用中，一些待测表面具有较大的高度起伏，例如有台阶的金属表面，或有三维结构的芯片表面等。现有的aoi设备一次只能获取一个高度表面的清晰图像，如果要实现待测表面不同高度的检测，需要进行多次图像采集，耗费的时间较长。

技术实现要素：

本发明提供一种光学检测装置和光学检测方法，可以检测表面起伏较大的待测样品，并且可以实现光学检测效率的提高。

第一方面，本发明实施例提供了一种光学检测装置，包括：

光源，用于出射探测光束；

色差物镜，位于所述探测光束的光路上，用于收集由待测物体的至少两个表面反射和/或散射后的光束并出射信号光束；其中，至少两个所述表面存在高度差，所述探测光束中包括至少两个不同中心波长的光束，至少两个不同中心波长的光束分别对应聚焦于至少两个所述表面上；

多波长分离单元，位于所述信号光束的光路上，用于从所述信号光束中，分离出至少两个不同中心波长的子信号光束；

至少两个探测器，分别位于至少两个不同中心波长的所述子信号光束的光路上，用于分别接收至少两个不同中心波长的所述子信号光束，并根据至少两个所述中心波长的光束，分别获得所述待测物体的至少两个表面的图像信息。

可选地，所述多波长分离单元包括至少两个滤波元件；

至少两个滤波元件均位于所述信号光束的光路中，至少两个所述滤波元件均包括第一出光面和第二出光面，至少两个所述滤波元件通过所述第一出光面和/或所述第二出光面，分别出射至少两个不同中心波长的所述子信号光束。

可选地，至少两个所述滤波元件中，位于所述信号光束光路的末尾的所述滤波元件，通过所述第一出光面反射对应中心波长的所述子信号光束，通过所述第二出光面透射对应中心波长的所述子信号光束。

可选地，所述滤波元件包括滤光片或光栅滤波器。

可选地，所述多波长分离单元还包括至少一个信号光分束器，所述信号光分束器位于所述信号光束的光路上，至少一个所述信号光分束器用于将所述信号光束分束成至少两束所述信号光束，至少两个所述滤波元件分别从分束后的至少两束所述信号光束中，分离至少两个所述中心波长的光束。

可选地，所述光源包括汞灯、卤素灯、氙灯、led灯中的任意一种。

可选地，所述光源包括同轴光源，所述光学检测装置还包括光源分束器，所述光源分束器同时位于所述探测光束和所述信号光束的光路上；所述光源分束器用于调整所述同轴光源出射的所述探测光束的传播方向至射入所述色差物镜，并透射所述色差物镜出射的所述信号光束。

可选地，所述光学检测装置还包括探测光束处理单元，所述探测光束处理单元位于所述探测光束的光路上，用于对所述同轴光源出射的所述探测光束进行整形、准直、匀光和扩束中的至少一种。

可选地，所述光源包括离轴光源。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光学检测方法，采用如第一方面任一所述的光学检测装置，所述光学检测方法包括：

提供一待测物体，并将所述待测物体移动至色差物镜的视场中心，其中，所述待测物体包括至少两个表面，至少两个所述表面之间存在高度差；

开启光源，所述光源出射的探测光束中包括至少两个不同中心波长的光束，至少两个不同中心波长的光束分别对应聚焦于至少两个所述表面上；并且至少两个所述表面反射和/或散射后的光束经所述色差物镜出射，形成信号光束；

调节多波长分离单元，直至从所述信号光束中分离出至少两个不同中心波长的子信号光束；

至少两个探测器分别接收的至少两个不同中心波长的所述子信号光束，并根据至少两个不同中心波长的所述子信号光束形成的图像，检测所述待测物体的至少两个所述表面的缺陷。

可选地，所述调节多波长分离单元，直至从所述信号光束中分离出至少两个不同中心波长的子信号光束，包括：

确定预设中心波长经所述色差物镜后的预设焦平面；

获取至少两个所述表面与所述预设焦平面的高度差δz；

根据公式δz＝kδλ/na²，确定至少两个不同中心波长与所述预设中心波长的波长差δλ，其中，k为所述色差物镜的相关因子，na为所述色差物镜的数值孔径；

选取对应至少两个不同中心波长的至少两个滤波元件，至少两个所述滤波元件均包括第一出光面和第二出光面，通过至少两个所述滤波元件的所述第一出光面或所述第二出光面，分别出射至少两个不同中心波长的所述子信号光束。

本发明实施例提供的光学检测装置和光学检测方法，通过设置光源出射探测光束，探测光束经待测物体的至少两个表面进行发射和/或散射；并且设置色差物镜收集至少两个表面反射和/或散射后的光束并出射信号光束，其中，至少两个表面存在高度差，探测光束中包括至少两个不同中心波长的光束，至少两个不同中心波长的光束经由至少两个表面反射和/或散射；再由设置在信号光束的光路上的多波长分离单元，从信号光束中分离出至少两个不同中心波长的子信号光束，最后通过对应子信号光束数量的探测器，获取待测物体的至少两个表面的图像信息。本发明实施例解决了现有光学检测装置对于表面起伏较大的待测物体需要多次图像采集而导致的检测效率低的问题，可以同时对待测物体的不同高度的表面进行清晰成像，并对待测物体不同高度的表面的图像信息进行分离和读取，显著缩减了光学检测的时间，提高了光学检测的效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光学检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种光学检测装置的结构示意图，

图3是本发明实施例提供的又一种光学检测装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种光学检测装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种光学检测装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种光学检测装置的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种光学检测方法的流程图；

图8是本发明实施例提供的另一种光学检测方法的流程图。

其中，100-光源，101-同轴光源，102-离轴光源，110-光源分束器，120-探测光束处理单元，200-色差物镜，300-多波长分离单元，301-第一滤波元件，302-第二滤波元件，303-第三滤波元件，310-第一信号光分束器，320-第二信号光分束器，400-探测器，401-第一探测器，402-第二探测器，403-第三探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种光学检测装置的结构示意图，参考图1，该光学检测装置包括：光源100，用于出射探测光束；色差物镜200，位于探测光束的光路上，主要用于收集由待测物体的至少两个表面反射和/或散射后的光束并出射信号光束，本实施例中色差物镜200还可以将探测光束聚焦于待测物体的至少两个表面上；其中，至少两个表面存在高度差，探测光束中包括至少两个不同中心波长的光束，至少两个不同中心波长的光束分别对应聚焦于至少两个表面上；多波长分离单元300，位于信号光束的光路上，用于从信号光束中，分离出至少两个不同中心波长的子信号光束；至少两个探测器400，分别位于至少两个不同中心波长的子信号光束的光路上，用于分别接收至少两个不同中心波长的子信号光束，并根据至少两个中心波长的光束，分别获得待测物体的至少两个表面的图像信息。

其中，光源100出射的探测光束为宽光谱光束，在经色差物镜200后，宽光谱的探测光束中，不同波长的光束因色差影响会分别聚焦在不同的焦平面，此时存在至少两个不同中心波长的光束对应聚焦在待测物体的至少两个表面上。该至少两个不同中心波长的光束会在待测物体的表面产生反射和散射，进而由色差物镜200收集后出射，形成带有待测物体对应表面的信息的信号光束，待测物体的表面信息则包括了表面的缺陷、图案等信息。此时的信号光束为至少两个不同中心波长的光束经至少两个表面反射或散射后混合在一起的光束，多波长分离单元300则可将信号光束中的该至少两个不同中心波长的光束分离，探测器的数量与待测物体的表面的数量，以及不同中心波长的光束的数量均相同，每个探测器对应接收一个中心波长的子信号光束，并可用于读取子信号光束中附带的对应表面的图像信息。待测物体的不同表面是指待测物体在沿探测光束的传播方向上的不同位置处存在至少两个表面，如图所示即可以理解为待测物体存在不同高度的至少两个表面。

本发明实施例提供的光学检测装置，通过设置光源出射探测光束，通过设置光源出射探测光束，探测光束经待测物体的至少两个表面进行发射和/或散射；并且设置色差物镜收集至少两个表面反射和/或散射后的光束并出射信号光束，其中，至少两个表面存在高度差，探测光束中包括至少两个不同中心波长的光束，至少两个不同中心波长的光束经由至少两个表面反射和/或散射；再由设置在信号光束的光路上的多波长分离单元，从信号光束中分离出至少两个不同中心波长的子信号光束，最后通过对应子信号光束数量的探测器，获取待测物体的至少两个表面的图像信息。本发明实施例解决了现有光学检测装置对于表面起伏较大的待测物体需要多次图像采集而导致的检测效率低的问题，可以同时对待测物体的不同高度的表面进行清晰成像，并对待测物体不同高度的表面的图像信息进行分离和读取，显著缩减了光学检测的时间，提高了光学检测的效率。

具体地，上述光学检测装置中，可设置多波长分离单元包括至少两个滤波元件，；至少两个滤波元件均位于信号光束的光路中，至少两个滤波元件均包括第一出光面和第二出光面，至少两个滤波元件通过第一出光面或第二出光面，分别出射至少两个不同中心波长的子信号光束。其中第一出光面为光反射时的出射面，第二出光面为光透射时的出射面。可选地，滤波元件可以是滤光片或者光栅滤波器。

示例性地，图2是本发明实施例提供的另一种光学检测装置的结构示意图，参考图2，以多波长分离单元300中包括三个滤波元件，光源100出射的探测光束中包括三个特定中心波长(λ1、λ2和λ3)的光束为例，该三个滤波元件分别为第一滤波元件301、第二滤波元件302和第三滤波元件303，对应的待测物体则包括高度不同的三个表面，第一滤波元件301、第二滤波元件302和第三滤波元件303设置在信号光束的光路上。经色差物镜200出射的三个特定中心波长的子信号光束，则在经过第一滤波元件301时，由第一滤波元件301的第一出光面选择反射中心波长为λ1的子信号光束，第一探测器401对应进行接收；在经过第二滤波元件302时，由第二滤波元件302的第一出光面选择反射中心波长为λ2的子信号光束，第二探测器402对应进行接收；在经过第三滤波元件303时，由第三滤波元件303的第一出光面选择反射中心波长为λ3的子信号光束，第三探测器403对应进行接收。

另外，需要说明的是，位于信号光束末尾的滤波元件，可以通过第一出光面和第二出光面分别出射一对应中心波长的子信号光束。因此，本发明实施例还提供了一种光学检测装置，该光学检测装置中，至少两个滤波元件中，位于信号光束的光路末尾的滤波元件，通过第一出光面反射对应中心波长的子信号光束，通过第二出光面透射对应中心波长的子信号光束。

图3是本发明实施例提供的又一种光学检测装置的结构示意图，参考图3，以多波长分离单元300中包括两个滤波元件，光源100出射的探测光束中包括三个特定中心波长(λ1、λ2和λ3)的光束为例，该两个滤波元件分别为第一滤波元件301和第二滤波元件302，其中第二滤波元件302在信号光束的光路上位于第一滤波元件301之后，对应的待测物体则包括高度不同的三个表面。经色差物镜200出射的三个特定中心波长的子信号光束，则在经过第一滤波元件301时，由第一滤波元件301的第一出光面选择反射中心波长为λ1的子信号光束，第一探测器401对应进行接收；信号光束中其余中心波长的光束则透射至第二滤波元件302。在经过第二滤波元件302时，第二滤波元件302的第一出光面则选择反射中心波长为λ2的子信号光束，第二探测器402对应进行接收；第二滤波元件302的第二出光面则透射中心波长为λ3的子信号光束，第三探测器403对应进行接收。

除图3所示，采用第一出光面选择反射目标中心波长的子信号光束的滤波元件外，还可以利用分束器将信号光束分束成多个信号光束，然后利用滤波元件的第二出光面直接透射目标中心波长的子信号光束。其中，多波长分离单元还包括至少一个信号光分束器，信号光分束器位于信号光束的光路上，至少一个信号光分束器用于将信号光束分束成至少两束信号光束，至少两个滤波元件分别从分束后的至少两束信号光束中，分离至少两个中心波长的光束。示例性地，图4是本发明实施例提供的又一种光学检测装置的结构示意图，参考图4，以多波长分离单元300中包括三个滤波元件，三个滤波元件包括第一滤波元件301、第二滤波元件302和第三滤波元件303，光源出射的探测光束中包括三个特定中心波长(λ1、λ2和λ3)的光束为例，该多波长分离单元300还包括两个信号光分束器，两个信号光分束器包括第一信号光分束器310和第二信号光分束器320，第一信号光分束器310和第二信号光分束器320均位于信号光束的光路上，第一信号光分束器310将信号光束分为两束信号光束，第一滤波元件301则将其中一束信号光束中的目标中心波长(λ1)的光束分离出，并由第一探测器401进行接收；第二信号光分束器320则将另外一束信号光束继续分束为两束信号光束，再由第二滤波元件302将其中的一束信号光束中的目标中心波长(λ2)的光束分离出，由第二探测器402进行接收，第三滤波元件303则将另一信号光束中的目标中心波长(λ3)的光束分离出，由第三探测器403进行接收。

继续参考图2-4，可选地，该光学检测装置中的光源可设置包括同轴光源101，光学检测装置还包括光源分束器110，光源分束器110同时位于探测光束和信号光束的光路上；光源分束器110用于调整同轴光源101出射的探测光束的传播方向至射入色差物镜200，并透射色差物镜200出射的信号光束。其中，光源分束器110可利用半透半反镜实现探测光束的分束，并同时将探测光束射入色差物镜200中，以聚焦于待测物体的表面。并且，色差物镜200出射的信号光束可通过半透半反镜传播至多波长分离单元中。

需要说明的是，图2-4所示的同轴光源和色差物镜均位于光源分束器110的同一侧，即射入色差物镜的探测光束为经光源分束器110反射后的探测光束，当然也可以将同轴光源和色差物镜设置分别位于光源分束器110的两侧，即光源入射的探测光束经光源分束器110透射后在入射至色差物镜中，并且色差物镜出射的信号光束再经光源分束器110反射后，传播至多波长分离单元中，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，此处不做限制。

进一步地，对于同轴光源101，通常需要进行适当的光束处理以获得满足要求的探测光束。继续参考图2-4，该光学检测装置还包括探测光束处理单元120，探测光束处理单元120位于探测光束的光路上，用于对同轴光源101出射的探测光束进行整形、准直、匀光和扩束中的至少一种。示例性地，光源出射的光束通常较窄，为了保证光束能够满足较大直径的色差物镜，需要对探测光束进行扩束处理。除此之外，整形、准直以及匀光等光束处理均为光学检测系统中常常需要的光束处理过程，其用于获得标准的探测光束。

图5是本发明实施例提供的又一种光学检测装置的结构示意图，参考图5，与图2和图3提供的光学检测装置相比，图5中光学检测装置的光源采用的是离轴光源102，离轴光源102可选环形光源，该环形光源的轴线与色差物镜200的轴线重合。本发明实施例还提供一种光学检测装置，图6是本发明实施例提供的又一种光学检测装置的结构示意图，参考图6，该光学检测装置中同时设置有同轴光源101和离轴光源102，其中，同轴光源101出射的探测光束经色差物镜聚焦于待测物体的表面，经待测物体表面反射和散射后，携带待测物体表面信息返回色差物镜。而离轴光源102出射的探测光束则先入射在待测物体的表面，再经散射后由色差物镜收集。其中，离轴光源102多用于测量暗场下的待测物体，同轴光源101和离轴光源102的配合使用，可以增加光学测量装置的使用场景，有助于进行更准确的光学检测。

本发明实施例还提供了一种光学检测方法，该光学检测方法采用上述实施例中的任意一种光学检测装置，图7是本发明实施例提供的一种光学检测方法的流程图，参考图7，该光学检测方法包括：

s110、提供一待测物体，并将待测物体移动至色差物镜的视场中心，其中，待测物体包括至少两个表面，至少两个表面之间存在高度差；

s120、开启光源，光源出射的探测光束中包括至少两个不同中心波长的光束，至少两个不同中心波长的光束分别对应聚焦于至少两个表面上；并且至少两个表面反射和/或散射后的光束经色差物镜出射，形成信号光束；

s130、调节多波长分离单元，直至从信号光束中分离出至少两个不同中心波长的子信号光束；

其中，调节多波长分离单元的步骤，其实质也是确定目标中心波长的过程，以多波长分离单元包括至少两个滤波元件为例，调节多波长分离单元直至分离出至少两个不同中心波长的子信号光束的过程，可以通过更换滤波元件，直至在对应的探测器端可以获取清晰图像实现，获得清晰图像说明滤波元件分离出了目标中心波长的子信号光束，该子信号光束可以形成待测物体表面的图像。

s140、至少两个探测器分别接收的至少两个不同中心波长的子信号光束，并根据至少两个不同中心波长的子信号光束形成的图像，检测待测物体的至少两个表面的缺陷。

探测器在获得待测物体表面的图像后，可以通过人工或图像识别等方式确定待测物体的缺陷，从而实现检测步骤。

本发明实施例提供的光学检测方法，通过将待测物体移动至色差物镜的视场中心，再开启光源，利用光源出射的探测光束，将至少两个不同中心波长的光束聚焦在待测物体的至少两个表面上，然后利用色差物镜将探测光束中的至少两个不同中心波长的光束收集并形成信号光束，(继而通过调节多波长分离单元，直至分离出至少两个中心波长的子信号光束，最后由至少两个探测器实现对至少两个表面的图像的获取，从而进行待测物体表面缺陷的检测。本发明实施例解决了现有光学检测方法对于表面起伏较大的待测物体需要多次图像采集而导致的检测效率低的问题，可以同时对待测物体的不同高度的表面进行清晰成像，并对待测物体不同高度的表面的图像信息进行分离和读取，显著缩减了光学检测的时间，提高了光学检测的效率。

进一步地，在进行多波长分离单元的调节时，为了避免盲目地进行滤波元件的更换，减少调节多波长分离单元的复杂性，可选地，本发明实施例还提供了一种光学检测方法，图8是本发明实施例提供的另一种光学检测方法的流程图，参考图8，该光学检测方法包括：

s210、提供一待测物体，并将待测物体移动至色差物镜的视场中心，其中，待测物体包括至少两个表面，至少两个表面之间存在高度差；

具体地，在进行光学检测时，需要将待测物体放置到承片台上，并移动待测物体至色差物镜的视场中心。待测物体上存在多个台阶面，不同的台阶面高度不同，即待测物体的至少两个表面存在高度差。

s220、开启光源，光源出射的探测光束中包括至少两个不同中心波长的光束，至少两个不同中心波长的光束分别对应聚焦于至少两个表面上；并且至少两个表面反射和/或散射后的光束经色差物镜出射，形成信号光束；

s230、确定预设中心波长经色差物镜后的预设焦平面；

其中，色差物镜在设计时，可设计为特殊带色差的物镜，即针对某一预设中心波长的光束其焦面位置已知。示例性地，可设计一特殊带色差物镜，该色差物镜的绿光(λ2＝532nm)的焦面位置为z＝60mm，该焦面位置即为该预设中心波长的预设焦平面的位置。

s240、获取至少两个表面与预设焦平面的高度差δz；

其中，在将待测物体放置于色差物镜像面区域后，待测物体的表面对应了色差物镜的某一中心波长的焦平面，通过距离计算可以确定待测物体的表面与已知的预设焦平面的高度差δz。当然，该预设中心波长可以为待测物体某一表面对应的目标中心波长，此时该表面即为预设焦平面，δz则为0。

s250、根据公式δz＝kδλ/na²，确定至少两个不同中心波长与预设中心波长的波长差δλ，其中，k为色差物镜的相关因子，na为色差物镜的数值孔径；

根据色差公式，可以利用不同表面与预设焦平面的高度差，确定不同中心波长与预设中心波长的波长差，也即根据波长差可以确定目标中心波长。示例性地，以待测物体的两个表面分别与绿光的焦面位置的高度差分别为+0.08mm和-0.09mm，na＝0.05，k＝2为例，则根据公式δz＝kδλ/na²，δλ1＝106nm，δλ2＝-112nm，由此可知λ1＝638nm，λ2＝420nm。因此，在进行多波长分离单元的调节时，可以根据目标中心波长的值，选择适当的滤波元件。

s260、选取对应至少两个不同中心波长的至少两个滤波元件，至少两个滤波元件均包括第一出光面和第二出光面，通过至少两个滤波元件的第一出光面和/或第二出光面，分别出射至少两个不同中心波长的子信号光束。

s270、至少两个探测器分别接收的至少两个不同中心波长的子信号光束，并根据至少两个不同中心波长的子信号光束形成的图像，检测待测物体的至少两个表面的缺陷。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。