CN112326665B - 一种基于空间分步式移频照明的缺陷检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间分步式移频照明的缺陷检测***，包括光源、显微物镜、管镜、图像探测器、控制模块和数据处理模块，其中，光源包括垂直照明光源和倾斜照明单元。垂直照明光源和各倾斜照明单元的出射光能够照射到被观测样品上而激发出散射场，散射场经显微物镜收集后再经管镜整形而入射到图像探测器，并由数据处理模块转换成远场强度图。控制模块按时序控制各光源的点亮以及各光源照明下图像探测器对被观测样品散射场信号的采集。数据处理模块通过对被观测样品空间频谱信息的重构，最终实现无论是在透射式照明还是反射式照明条件下，被观测样品表面复杂缺陷特征轮廓信息和细节特征信息的检测成像。

Description

一种基于空间分步式移频照明的缺陷检测***

技术领域

本发明涉及产品表面缺陷检测装置，属于表面缺陷检测领域。

背景技术

产品表面的缺陷检测是实现产品质量把关、提升生产工艺、优化产品性能的重要手段之一。人工检测是产品表面缺陷检测的传统方式，但是随着社会的发展进步，传统的检测方式已经无法满足检测速度、检测准确度等要求。随着工业自动化的发展，凭借非接触、无损伤、安全可靠、光谱响应范围宽和生产效率高等优点，基于机器视觉的缺陷检测技术得到快速发展。如公开号为CN105973912A的专利文献公开了一种基于线阵光源照明、线阵工业相机检测的真皮表面缺陷检测装置；公开号为CN104897693A的专利文献提出了一种玻璃表面缺陷增强检测装置，这类专利文献通过单一方向的倾斜照明实现对被观测样品表面缺陷的放大成像，但是，受限于成像接收物镜的数值孔径NA（通常为低倍大视场低NA显微物镜），单次照明成像所能接收到样品空间频谱信息有限，会造成沿其他方向分步的缺陷特征缺失。公开号为CN102023164A的专利文献则提供了一种低角度环形光源暗场照明的检测装置，这类照明成像方式虽然解决了单一方向照明的缺陷特征缺失问题，但由于频谱信息的混叠，无法通过频谱重构给出尺寸跨度较大的被观测样品的全部细节信息，存在漏检和错检问题。

公开号为CN105225202A、CN104181686A和CN106199941A的专利文献提出FPM成像方法，该方法通过样品空间频谱重构的方式，提升整个成像***的空间带宽积SBP（SpaceBandwidth Product），进而实现对样品空间频谱信息的扩增与重构。然而，相关专利文献所提方法均为透射式照明，对于非透明样品表面的显微观察则不适用。同时，当LED照明单元距离中心较远时，入射光发散角较大，傅里叶变换获取的子孔径频谱信息的准确度会降低。

一种能够实现快速分步式反射照明，并能够通过准确的频谱重构提升成像***空间带宽积的缺陷检测装置是目前所没有的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空间分步式移频照明的缺陷检测***，通过子孔径频谱信息的重构，获取被观测样品表面复杂缺陷的细节特征信息。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明基于空间分步式移频照明的缺陷检测***包括光源、显微物镜、管镜、图像探测器、控制模块和数据处理模块，所述光源包括垂直照明光源和倾斜照明单元；所述垂直照明光源和各所述倾斜照明单元的出射光能够照射到被观测样品上而激发出散射场；所述散射场能够被显微物镜收集，后再经管镜整形而入射到图像探测器，由图像探测器采集散射场信号；所述控制模块能够按时序控制图像探测器在各光源照明条件下对被观测样品的散射场信号进行采集并转换成电学信号发送给数据处理模块，并能够在一个光源照明条件下的散射场信号的采集完成后再点亮下一个光源；所述控制模块能够控制数据处理模块将来自于图像探测器的电学信号转换为远场强度图并获取各远场强度图的子孔径频谱信息进行频谱拼接重构；所述垂直照明光源和各倾斜照明单元照射下形成的远场强度图所对应的相邻子孔径频谱信息间相互重叠，以使数据处理模块在按照频谱拼接重构法进行空间频谱重构时，能够获取被观测样品的宽频段空间频谱信息收敛解，得到被观测样品的重构图像。

进一步地，本发明所述垂直照明光源、倾斜照明单元、显微物镜和图像探测器均位于被观测样品的同一侧；或者，垂直照明光源、倾斜照明单元位于被观测样品的一侧，显微物镜和图像探测器位于被观测样品的另一侧。

进一步地，本发明各所述倾斜照明单元呈同心环分布；或者，各倾斜照明单元固定在一球形曲面上并在不同高度上呈圆环形分布。

进一步地，本发明分布在同一个环上的倾斜照明单元的出射波长相同。

进一步地，本发明来自垂直照明光源的光经光学透镜、分束镜、显微物镜后垂直照射于被观测样品上。

进一步地，本发明还包括二维扫描微位移台，样品台固定于二维扫描微位移台之上，在数据处理模块完成被观测样品的一个成像位置处的图像重构后，所述控制模块能够控制二维扫描微位移台移动样品台上的被观测样品到下一个成像位置处。

进一步地，本发明还包括显示器，所述显示器与数据处理模块连接。

进一步地，本发明还包括自锁焦模块，所述控制模块能够控制自锁焦模块对被观测样品的表面进行实时锁焦成像。

进一步地，本发明所述数据处理模块能够对被观测样品表面的相邻成像位置的重构图像进行拼接。

进一步地，本发明所述数据处理模块能够对得到的拼接图像进行缺陷特征的智能识别和标定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）利用本发明的检测***，除能够给出被观测样品表面微结构的轮廓信息，还可进一步给出图像内的细节信息。（2）本发明可通过频谱重构给出尺寸跨度较大的被观测样品的全部细节信息，有效避免了漏检和错检的问题。（3）本发明在缺陷检测时，不仅可通过对透明或非透明样品进行反射式照明，还可通过对透明样品进行透射式照明，使用准确的频谱重构提升成像***空间带宽积。

附图说明

图1是本发明基于空间分步式移频照明的缺陷检测***的一个实施例的结构示意图。

图2a是本发明的倾斜照明单元呈同心圆环分布的示意图；图2b 是倾斜照明单元按图2a所示同心圆环分布时的频谱拼接重构示意图。

图3是倾斜照明单元按图2a所示同心圆环分布时，垂直照明光源及三组圆环形倾斜照明单元的施加时序图，其中T表示时间。

图4a是仿真设计的理想微结构图（同心圆环对，线宽为192 nm，线对中心间距为960 nm）；图4b是本发明采用垂直照明和24个方向分步式移频倾斜照明（由内至外，三组圆环上的倾斜照明单元对应照明倾斜入射角分别为25°、40°和65°）时，通过频谱重构获取的被观测样品的重构图像；图4c是现有技术采用360°环形低角度入射照明时，被观测样品的远场强度图（倾斜入射角度被设置为65°）；图4d是现有技术采用单一方向低角度入射照明时，被观测样品的远场强度图（倾斜入射角度被设置为65°）。

图5是本发明的二维扫描微位移台的三种成像扫描方式。

图1中，101.控制模块；102.垂直照明光源；103.光学透镜；104.分束镜；105.显微物镜；106.被观测样品；107.管镜；108.图像探测器；109.固定装置；110.倾斜照明单元；111. 样品台；112. 二维扫描微位移台；113.数据处理模块；114.显示器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对发明的技术方案作进一步阐述。

如图1所示，本发明基于空间分步式移频照明的缺陷检测***主要包括光源、显微物镜105、管镜107、图像探测器108、控制模块101和数据处理模块113。其中，光源包括垂直照明光源102和倾斜照明单元110。倾斜照明单元110可选择使用LED光源、LD光源和光纤束输出光源等光源。优选地，可以在垂直照明光源和各倾斜照明单元的出射端口配备光学准直器件，将出射光投射到光学显微物镜105的成像视场范围内，提升照明光场的方向准直度。优选地，各倾斜照明单元110的输出光可以直接照射在被观测样品的表面，也可以在光源输出端加上匀光元件，使得被观测样品表面照明均匀。为提升整个***的成像视场范围，显微物镜105优选低倍物镜，如5X、10X、20X放大显微物镜。图像探测器108可选用CCD（电荷耦合器件）、SCMOS（Scientific COMS，COMS：互补金属氧化物半导体）等。

垂直照明光源102和各倾斜照明单元110的出射光能够照射到被观测样品上而激发出散射场，其中，垂直照明光源102的出射光垂直照射到被观测样品上，各倾斜照明单元110以一定的倾斜角照射到被观测样品上。从被观测样品上激发出的散射场能够被显微物镜105收集，后再经管镜107整形而入射到图像探测器108，图像探测器108采集散射场信号并转换成电学信号后发送给数据处理模块113。作为本发明的一种实施方式，如图1所示，来自垂直照明光源102的光经光学透镜103、分束镜104、显微物镜105后垂直照射于被观测样品上。

控制模块101能够按时序控制图像探测器108在各光源照明下对被观测样品的散射场信号进行采集；在图像探测器108完成一个光源照明条件下的被观测样品散射场信号的采集后，控制模块101点亮下一个光源，从而实现本发明的空间分步式移频照明方式。具体地说，控制模块101在图像探测器108完成垂直照明光源102照射下被观测样品的散射场信号的采集后，按设定的时序控制各倾斜照明单元110被依次点亮，并且，控制模块101控制图像探测器108分时采集各倾斜照明单元110照射下被观测样品的散射场信号。其中，下一个倾斜照明单元是在图像探测器108完成对上一个倾斜照明单元照明条件下的散射场信号的采集后再被点亮。图像探测器108将垂直照明光源102和各倾斜照明单元110照射下的被观测样品散射场信号转换成电学信号后发送给数据处理模块113。控制模块101控制数据处理模块113将来自图像探测器108的电学信号转换为远场强度图。上一个光源照明条件下的被观测样品的远场强度图可以在下一个光源被点亮之前进行存储，也可以在下一个光源被点亮的同时或之后进行存储。本发明不仅可以对透明或非透明样品进行反射式照明成像，还可对透明样品进行透射式照明成像，并且，在两种照明成像方式下均可通过使用准确的频谱重构提升成像***空间带宽积，不仅能够给出被观测样品表面微结构的轮廓信息，还可进一步给出图像内的细节信息。

此外，控制模块101还能够控制数据处理模块113获取各远场强度图的子孔径频谱信息并进行频谱拼接重构。在本发明中，垂直照明光源102和各倾斜照明单元110照射下形成的远场强度图所对应的相邻子孔径频谱信息间相互重叠，以使数据处理模块113在按照频谱拼接重构法进行空间频谱重构时，能够获取被观测样品的宽频段空间频谱信息收敛解，得到被观测样品的重构图像。在完成垂直照明光源102和所有倾斜照明单元照明条件下的远场强度图像的存储后，数据处理模块113通过施加傅里叶逆变换分别获取与各倾斜照明单元110照射下形成的各远场强度图对应的子孔径频谱信息，按照频谱拼接重构算法重构恢复出被观测样品表面的形貌特征。

如图1所示，作为本发明的一种实施方式，垂直照明光源102、倾斜照明单元110、显微物镜105和图像探测器108均位于被观测样品的同一侧，由此可以实现对透明或非透明样品的反射式照明成像。作为本发明的另一种实施方式，垂直照明光源102、倾斜照明单元110位于被观测样品的一侧，显微物镜105和图像探测器108位于被观测样品的另一侧，由此可以实现对透明样品的透射式照明成像。

作为本发明的优选实施方式，各倾斜照明单元110呈同心环分布，例如，可如图2a所示呈同心圆环分布，也可呈同心正六边形、同心八边形等同心多边形环的方式排列（图中未示出）。各倾斜照明单元110呈同心环分布，可使控制模块101按由内环到外环或由外环到内环的顺序层层点亮倾斜照明单元110，由此更好地实现控制模块101对各光源照明的时序控制，以及在各光源照明下散射场的采集以及远场强度图的存储的时序控制。

作为本发明的另一种优选实施方式，各倾斜照明单元110可不分布在同一平面上，例如可固定在一球形曲面上并在不同高度上呈圆环形分布（图中未示出），各倾斜照明单元110的出射光场法线均指向球心，且球心与显微物镜105的成像视场中心重合。作为本发明的优选方案，分布在同一个环上的倾斜照明单元的出射波长相同。

如图1所示，作为本发明的一种实施方式，各倾斜照明单元110可安装在固定装置109上。固定装置109可设有同心的多组圆环支架，各倾斜照明单元110固定在不同的圆环形支架内，且相邻圆环的间隔可以是等距或不等距的。优选地，圆环形支架的倾斜角度可以调节，由此可使安装在支架上的各倾斜照明单元110的倾斜入射角可调，提升各倾斜照明单元110在显微物镜105的成像视场内的照明强度和均匀度，进而提升后期图像处理所获取的子孔径频谱信息的准确度。

作为优选实施方式，如图1所示，本发明还可包括二维扫描微位移台112，样品台111固定于二维扫描微位移台112之上。二维扫描微位移台112的量程可根据样品尺寸进行选择。在完成被观测样品的一个成像位置处的重构图像后，控制模块101能够控制二维扫描微位移台112移动样品台上的被观测样品到下一个成像位置处，同时可标定出下一个成像位置所对应的二维坐标信息。通过使用二维扫描微位移台112，本发明可通过频谱重构给出尺寸跨度较大的被观测样品的全部细节信息，有效避免了漏检和错检的问题。

作为优选实施方式，如图1所示，本发明还包括显示器114，显示器114与数据处理模块113连接。

作为优选实施方式，本发明还可包括自锁焦模块，控制模块101能够控制自锁焦模块对被观测样品的表面进行实时锁焦成像，快速调整显微物镜的Z向位置，保证显微物镜焦面位于目标层面。

作为优选实施方式，本发明中，数据处理模块113还能够对大尺寸的被观测样品表面的相邻成像位置的重构图像进行拼接。作为优选实施方式，本发明在对大尺寸样品进行观测时，数据处理模块113还能够对得到的拼接图像进行缺陷特征的智能识别和标定。

在图2a所示的实施例中，本发明的倾斜照明单元110呈由内至外的三组同心圆环分布，依次对应环1、环2和环3。显微物镜105的成像视场中心位于三组同心圆环的圆心。三组同心圆环的排布包括但不限于以下两种：一、处于同一平面，且各倾斜照明单元110的出射光方向均垂直向下；二、处于同一平面，但三组同心圆环内的倾斜照明单元110的出射方向均指向显微物镜105的成像视场中心。

如图2b所示，在完成垂直照明光源102和三组圆环内的所有倾斜照明单元下在被观测样品的一个成像位置的远场强度图像的存储后，数据处理模块113通过施加傅里叶逆变换分别获取与各倾斜照明单元110照射下形成的各远场强度图对应的子孔径频谱信息，按照频谱拼接重构算法重构恢复出被观测样品表面的形貌特征。之后，控制模块101控制二维扫描微位移台112移至被观测样品的下一成像位置。

图3示出了倾斜照明单元按图2a所示的三组同心圆环分布时，垂直照明光源及各圆环内倾斜照明单元的施加时序图。从左到右依次对应垂直照明光源被点亮的时间段t₀，环1内的各倾斜照明单元依次被点亮的时间段t₁、环2内的各倾斜照明单元依次被点亮的时间段t₂，以及环3内的各倾斜照明单元依次被点亮的时间段t₃。由此，按照由先到后的顺序，控制模块控制垂直照明光源、环1至环3内的倾斜照明单元被依次点亮。

图4a示出了理想的双线对环状结构图（线宽为192nm，线对中心间距960 nm）。如采用本发明的分步式移频照明成像方式，由外至内的三组圆环内倾斜照明单元的倾斜入射角分别为65°、40°、25°，显微物镜数值孔径角为0.25，由内至外数的第三组圆环包含24个等间距分布的倾斜照明单元，对应的重构效果如图4b所示。通过与图4a对比可知，图4b所示的重构结果显示，利用本发明的检测***，除能够给出被观测样品表面微结构的轮廓信息（圆形）外，还可进一步给出图像内的细节信息（双线对圆环结构）。相比较而言，现有技术则达不到本发明的技术效果，例如，采用公开号为CN102023164A的专利文献的成像方案，对样品施加360°低角度环形照明，假设倾斜照明角为65度，对应的远场成像强度图如图4c所示，可见微结构的细节特征缺失；如采用公开号为CN104897693A的专利文献所公开的单一方向上对角低角度倾斜照明方案，则仅能给出对应方向上的强度信息，如图4d所示，不仅微结构内部的细节信息缺失，整个结构的形貌特征也将缺失。

图5给出了二维扫描微位移台112的三种扫描成像模式，第一种扫描成像方式是图5a所示的Z形扫描方式：完成***锁焦后，控制模块101控制X方向的位移平台依照控制时序沿着X方向连续移动，在完成X方向的行扫描后，控制Y方向的扫描位移台移动一定步长，随后，控制X方向扫描位移台反向连续扫描成像。重复该过程直至完成对整个被观测样品的观察。第二种扫描成像方式是图5b所示的梳状扫描方式，与图5a的 Z形扫描方式相比，在完成行扫描后，需要控制X 方向的扫描位移台返回至起始端，之后，沿着Y方向移动一段距离，并开始下一行的扫描。第三种扫描成像方式是图5c所示的螺旋式扫描方案，在完成对被观测样品的寻边后，控制模块101控制样品台将被观测样品的中心移至成像***的视场范围内，之后进行螺旋式扫描成像。

以上参照附图以非限定性的方式描述了本发明的优选实施例，但是，在不脱离本发明的权利要求限定范围内做出的各种修改也将落入本发明的保护范围。如本发明所述的利用二维扫描微位移台的电动扫描成像方式也可采用手动机械控制进行；上述实施例虽然展示了呈三组环形分布的倾斜照明单元的照明方案，但是也可采用其他数目组的环形结构提供照明，如两组、四组等；实施例中虽然仅给出同心圆环形倾斜照明单元分布结构，实际应用中也可采用如六边形、八边形等多边形的环状可控倾斜照明单元阵列。此外，上述实施例的仿真中，三组同心环形倾斜照明单元的倾斜入射角虽被给定，但实际应用中可以根据要求进行调整，比如依据对子孔径频谱之间的重叠率进行调整。同时，上述实施例的仿真中，三组同心环形倾斜照明单元数虽被给定，实际应用中也可根据显微物镜数值孔径NA、倾斜入射角度大小等参数进行调整。

Claims (10)

1.一种基于空间分步式移频照明的缺陷检测***，其特征在于：包括光源、显微物镜（105）、管镜（107）、图像探测器（108）、控制模块（101）和数据处理模块（113），所述光源包括垂直照明光源（102）和倾斜照明单元（110）；

所述垂直照明光源（102）和各所述倾斜照明单元（110）的出射光能够照射到被观测样品上而激发出散射场；所述散射场能够被显微物镜（105）收集，后再经管镜（107）整形而入射到图像探测器（108），由图像探测器（108）采集散射场信号；

所述控制模块（101）能够按时序控制图像探测器（108）在各光源照明条件下对被观测样品的散射场信号进行采集并转换成电学信号发送给数据处理模块（113），并能够在一个光源照明条件下的散射场信号的采集完成后再点亮下一个光源；所述控制模块（101）能够控制数据处理模块（113）将来自于图像探测器（108）的电学信号转换为远场强度图并获取各远场强度图的子孔径频谱信息进行频谱拼接重构；

所述垂直照明光源（102）和各倾斜照明单元（110）照射下形成的远场强度图所对应的相邻子孔径频谱信息间相互重叠，以使数据处理模块（113）在按照频谱拼接重构法进行空间频谱重构时，能够获取被观测样品的宽频段空间频谱信息收敛解，得到被观测样品的重构图像。

2.根据权利要求1所述的缺陷检测***，其特征在于：所述垂直照明光源（102）、倾斜照明单元（110）、显微物镜（105）和图像探测器（108）均位于被观测样品的同一侧；或者，垂直照明光源（102）、倾斜照明单元（110）位于被观测样品的一侧，显微物镜（105）和图像探测器（108）位于被观测样品的另一侧。

3.根据权利要求1或2所述的缺陷检测***，其特征在于：各所述倾斜照明单元（110）呈同心环分布；或者，各倾斜照明单元（110）固定在一球形曲面上并在不同高度上呈圆环形分布。

4.根据权利要求3所述的缺陷检测***，其特征在于：分布在同一个环上的倾斜照明单元的出射波长相同。

5.根据权利要求1、2或4所述的缺陷检测***，其特征在于：来自垂直照明光源（102）的光经光学透镜（103）、分束镜（104）、显微物镜（105）后垂直照射于被观测样品上。

6.根据权利要求1、2或4所述的缺陷检测***，其特征在于：还包括二维扫描微位移台（112），样品台（111）固定于二维扫描微位移台（112）之上，在数据处理模块完成被观测样品的一个成像位置处的图像重构后，所述控制模块（101）能够控制二维扫描微位移台（112）移动样品台上的被观测样品到下一个成像位置处。

7.根据权利要求1、2或4所述的缺陷检测***，其特征在于：还包括显示器（114），所述显示器（114）与数据处理模块（113）连接。

8.根据权利要求1、2或4所述的缺陷检测***，其特征在于：还包括自锁焦模块，所述控制模块能够控制自锁焦模块对被观测样品的表面进行实时锁焦成像。

9.根据权利要求1、2或4所述的缺陷检测***，其特征在于：所述数据处理模块（113）能够对被观测样品表面的相邻成像位置的重构图像进行拼接。

10.根据权利要求9所述的缺陷检测***，其特征在于：所述数据处理模块（113）能够对得到的拼接图像进行缺陷特征的智能识别和标定。