CN113533353A - 一种缺陷检测装置及缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种缺陷检测装置及缺陷检测方法，缺陷检测装置包括光源、第一透镜组、光程补偿器组、第二透镜组和探测器；光程补偿器组包括至少一个光程补偿器；光源出射的检测光束经待测物的表面反射形成反射光束，设置光程补偿器位于第一透镜组对待测物的表面成像的焦深范围内；沿反射光束的传播方向，光程补偿器的厚度呈不均匀分布，光程补偿器可以补偿待测物的弧面引起的反射光束的光程差，使得补偿光程差后的反射光束经第二透镜聚焦成像在同一焦平面内，探测器采集第二透镜形成的清晰像。本装置解决了现有光学成像***对不平整表面以及有较大弧度的表面的待测材料难以准确识别和定位，难以获得清晰的图像的技术问题。

Description

一种缺陷检测装置及缺陷检测方法

技术领域

本发明实施例涉及检测技术领域，尤其涉及一种缺陷检测装置及缺陷检测方法。

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(Auto OpticalInspection，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***、载物台、物料传输***等。其中光学成像***包括照明单元、成像物镜和探测器等。照明单元负责提供所需辐射光，物镜用于收集待测面光信号，探测器负责将光转化为数字信号。通常情况下，AOI设备可以较好的获取平整表面的图像，从而通过图像处理识别相应的缺陷。

对于一些不平整表面，特别是有较大弧度的表面，光学成像***难以获得清晰的图像，例如硅片、玻璃等材料边缘存圆弧面，传统的光学成像***无法获取整个弧面的图像，因此难以定位、识别边缘缺陷。

发明内容

本发明实施例提供了一种缺陷检测装置及缺陷检测方法，以解决现有光学成像***对不平整表面以及有较大弧度的表面的待测材料难以准确识别和定位，难以获得清晰的图像的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种缺陷检测装置，包括光源和光学***，所述光学***包括第一透镜组、光程补偿器、第二透镜组和探测器；

所述光源用于出射检测光束，所述检测光束经待测物的表面反射形成反射光束，所述待测物的至少部分面呈弧面，所述第一透镜组、所述光程补偿器、所述第二透镜组和所述探测器依次位于所述反射光束的传播路径上；

所述第一透镜组用于传递所述反射光束至所述光程补偿器；

沿所述反射光束的传播方向，所述光程补偿器的厚度呈不均匀分布，所述光程补偿器用于补偿所述待测物的弧面引起的所述反射光束的光程差；

所述第二透镜组用于根据补偿光程差后的所述反射光束对所述待测物的表面进行成像；

所述探测器位于所述第二透镜组的焦平面中，用于采集所述第二透镜组所成的像。

可选的，所述光程补偿器位于所述第一透镜组的焦深范围内。

可选的，所述反射光束包括第一反射光束和第二反射光束，所述待测物的弧面边缘位置处反射第一反射光束且到达所述光程补偿器的第一表面，所述待测物的弧面中心位置处反射第二反射光束且到达所述光程补偿器的第二表面，所述第一反射光束和所述第二反射光束的光程差为L；

沿所述反射光束的传播方向，所述第一表面和所述第二表面的厚度差H满足公式：L＝H(n-1)；其中，n为所述光程补偿器的折射率。

可选的，所述光程补偿器至少包括两个同心的环状阶梯。

可选的，所述光程补偿器的环状阶梯的数量N满足公式：N＝Lmax/(DOF/k)；

其中，沿所述反射光束的传播方向，Lmax为所述待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的最大光程差，DOF为所述光学***的焦深，k为正整数，k≥2；(DOF/k)为所述光程补偿器中任意相邻的两个所述环状阶梯的光程补偿量。

可选的，任意相邻的两个所述环状阶梯环的高度差dh满足公式：dh＝(DOF/k/(n-1)；

其中，DOF为所述光学***的焦深，k为正整数，k≥2；(DOF/k)为所述光程补偿器中任意相邻的两个所述环状阶梯的光程补偿量，n为所述光程补偿器的折射率。

可选的，所述光程补偿器的折射率为n，1.4≤n≤2。

可选的，任意相邻的两个所述环状阶梯的宽度差dw满足公式：dw＝W/N*Mag；

其中，W为所述待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的视场宽度，Mag为所述第一透镜组的放大倍率。

可选的，所述光程补偿器为多个且设置在转盘机构上，所述转盘机构的旋转中心轴与所述反射光束的光轴平行，多个所述光程补偿器围绕所述转盘机构的旋转中心轴呈圆周均匀排布；

在所述转盘机构旋转过程中，多个所述光程补偿器依次位于所述第一透镜组的成像视场中。

第二方面，本发明实施例提供了一种缺陷检测方法，采用第一方面提供的缺陷检测装置对待测物进行缺陷检测，该缺陷检测的方法包括：

利用所述缺陷检测装置中的光程补偿器，补偿所述待测物的表面反射的反射光束的光程差，所述待测物的至少部分表面呈弧面；

利用所述缺陷检测装置中的探测器，采集补偿后的所述反射光束形成的所述待测物表面的像；

利用计算机通过图像处理算法，在所述探测器采集的图像中识别所述待测物表面的缺陷。

本发明实施例公开了一种缺陷检测装置，缺陷检测装置包括光源、第一透镜组、光程补偿器组、第二透镜组和探测器，光程补偿器组包括至少一个光程补偿器，在缺陷检测时候，选取一个匹配的光程补偿器，光源出射的检测光束经待测物的表面反射形成反射光束，设定第一透镜组、光程补偿器、第二透镜组和探测器依次位于反射光束的传播路径上，同时设置光程补偿器位于第一透镜组对待测物的表面成像的焦深范围内；沿反射光束的传播方向，光程补偿器的厚度呈不均匀分布，光程补偿器可以补偿待测物的弧面引起的反射光束的光程差，使得补偿光程差后的反射光束经第二透镜聚焦成像在同一焦平面内，探测器采集第二透镜形成的清晰像。本装置解决了现有光学成像***对不平整表面以及有较大弧度的表面的待测材料难以准确识别和定位，难以获得清晰的图像的技术问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种缺陷检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种光程补偿器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种光程补偿器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光程补偿器组的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种缺陷检测方法的流程示意图。

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缺陷检测装置的结构示意图。本发明实施例提供的缺陷检测装置可用于硅片、玻璃等材料边缘存在圆弧面图像的定位、边缘缺陷识别等。如图1所示，该缺陷检测装置1包括光源11和光学***，光学***包括第一透镜组12、光程补偿器131、第二透镜组14和探测器15；光源11用于出射检测光束T，检测光束T经待测物2的表面反射形成反射光束R，待测物2的至少部分面呈弧面，如侧面，第一透镜组12、光程补偿器131、第二透镜组14和探测器15依次位于反射光束R的传播路径上；第一透镜组12用于传递反射光束R至光程补偿器131；光程补偿器131位于第一透镜组12的光束传播路径上；沿反射光束R的传播方向，光程补偿器131的厚度呈不均匀分布，光程补偿器131用于补偿待测物2的弧面引起的反射光束R的光程差；第二透镜组14用于传递补偿光程差后的反射光束R’；探测器15位于第二透镜组14的焦平面中，用于采集第二透镜组14所成的像。

示例性的，如图1所示，该缺陷检测装置1包括光源11和光学***，光学***包括第一透镜组12、光程补偿器131、第二透镜组14和探测器15。其中，光源11可以采用LED灯光或激光光源，第一透镜组12和第二透镜组14分别包括聚焦透镜，可对光信号进行收集并聚焦成像，载物台3用于承载待测物2。待测物2可以为硅片、玻璃等材料。光源11出射检测光束T照射到待测物2的表面，当检测光束T经待测物2的弧面被反射形成反射光束R，反射光束R透过第一透镜组12到达光程补偿器131。优选的，设置光程补偿器131位于缺陷检测装置的中间像面，使得反射光束R可以在光程补偿器131的表面对待测物2的弧面进行成像。由于待测物2的至少部分面呈弧面，到达光程补偿器131的反射光束R存在光程差，此时由于弧面导致的光程差的原因，反射光束R在光程补偿器131上的成像不在同一平面上，需要经过光程补偿131对光程进行补偿，使得探测器15采集的像清晰，提升缺陷检测成像效果。

进一步的，沿反射光束R的传播方向，设置光程补偿器131的厚度呈不均匀分布，光程补偿器131可以为透明材料，具有一定的折射率。当存在光程差的反射光束R到达光程补偿器131的表面后穿过光程补偿器131，光程补偿器131补偿待测物2的弧面引起的反射光束R的光程差，使得经光程补偿器131出射的反射光束R’光程差近乎为零；设置探测器15位于第二透镜组14的焦平面中，第二透镜组14将补偿光程差后的反射光束R’成像至探测器15，由于反射光束R’光程差的消除，提高了反射光束R’在探测器15上的成像清晰度。其中，探测器可以为CCD相机或其他的可进行图像采集成像的装置，探测器将光信号转化为数字信号，以图像的形式展示。

综上，本发明实施例公开了一种缺陷检测装置，该装置包括光源和光学***，光学***包括第一透镜组、光程补偿器、第二透镜组和探测器，在缺陷检测时候，选取一个匹配的光程补偿器，光源出射的检测光束经待测物的表面反射形成反射光束，设定第一透镜组、光程补偿器、第二透镜组和探测器依次位于反射光束的传播路径上，使得光束经光程补偿器补偿光程；沿反射光束的传播方向，光程补偿器的厚度呈不均匀分布，光程补偿器可以补偿待测物的弧面引起的反射光束的光程差，使得补偿光程差后的反射光束经第二透镜组聚焦成像在同一焦平面内，探测器位于第二透镜组的焦平面内，采集第二透镜组形成清晰像。本装置可以检测待测物的不平整表面以及有较大弧度的表面中难以准确识别和定位的缺陷，可以获得清晰的表面图像。

可选的，光程补偿器位于第一透镜组成像的焦深范围内。设置光程补偿器131位于第一透镜组成像的焦深范围内，当第一透镜组12传递反射光束R至光程补偿器131上，反射光束R可以在光程补偿器131成像，有利于光程补偿器131对反射光束R的光程差进行补偿。

可选的，反射光束R包括第一反射光束R1和第二反射光束R2，待测物2的弧面边缘位置处反射第一反射光束R1且到达光程补偿器131的第一表面，待测物2的弧面中心位置处反射第二反射光束R2且到达光程补偿器的第二表面，第一反射光束R1和第二反射光束R2的光程差为L；沿反射光束的传播方向，第一表面和第二表面的厚度差H满足公式(1)：L＝H(n-1)；其中，n为光程补偿器的折射率。

示例性的，继续参照图1所示，以待测物2的弧面边缘位置处的A点和中心位置处的B点为例进行说明。当光源11出射的检测光束T照射到待测物2的表面A点和B点，经弧面边缘位置处的A点反射得到第一反射光束R1，经中心位置处的B点反射得到第二反射光束R2。沿反射光束R2的传播方向上，由于待测物2侧面呈弧面，第一反射光束R1和第二反射光束R2的存在光程差L，当第一反射光束R1经过第一透镜组12后到达光程补偿器131的第一表面A’点，第二反射光束R2经过第一透镜组12后到达光程补偿器131的第二表面B’点，设置光程补偿器131的厚度呈不均匀，A’点所在的第一表面和B’点所在的第二表面存在厚度差H(平行于光轴方向)，如图1所示，通过调整光程补偿器131的折射率n，使得光程补偿器131的第一表面和第二表面厚度差H满足公式(1)：L＝H(n-1)，从而可以根据A点和B点的光程差L设置光程补偿器131对应像面的厚度差H，进而使得第一反射光束R1和第二反射光束R2分布从A’点和B’点穿过光程补偿器131后，消除第一反射光束R1和第二反射光束R2之间的光程差，起到对第一反射光束R1和第二反射光束R2光程差进行补偿的作用。当以待测物2弧面的中心位置处的B点为参考点，确定待侧物2的弧面位置处的任一点进行光程差L确定后，可根据厚度差H满足的公式，设计出满足该待测物2的光程差L补偿的光程补偿器131。

在实际缺陷检测中，需要预先设定一些标准尺寸的光程补偿器，根据不同的待测物选择合适的光程补偿器，以适应不同待测弧面，实现光程差最优补偿，从而提高缺陷检测的定位、识别边缘缺陷等。

可选的，图2是本发明实施例提供的一种光程补偿器的结构示意图。如图2所示，光程补偿器131至少包括两个同心的环状阶梯。

示例性的，如图2所示，可设置光程补偿器131至少包括两个同心的环状阶梯，图中示出了5个环状阶梯。通过设定多个环状阶梯的形式，使得经过光程补偿器131的反射光束R’的光程差L近乎为零。其中，设置光程补偿器131的结构有多种形式，图3是本发明实施例提供的另一种光程补偿器的结构示意图。如图3所示，光程补偿器131的侧壁面与待测物的结构一致的弧面结构。

可选的，光程补偿器的环状阶梯的数量N满足公式(3)：N＝Lmax/(DOF/k)；其中，沿反射光束的传播方向，Lmax为待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的最大光程差，DOF为光学***的焦深，k为正整数，k≥2；(DOF/k)为光程补偿器中任意相邻的两个环状阶梯的光程补偿量。

示例性的，继续参考图2所示，设定光程补偿器131的环状阶梯1311的数量为N，N为正整数。当检测标准规格的待测物，例如，硅片，通常待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的最大光程差Lmax为已知，若待测物为非标品，也可通过距离探测器等装置获得待检物的最大光程差Lmax。已知光学***的焦深DOF，光程补偿器131相邻环状阶梯1311环的高度补偿值设为焦深DOF的1/k，则光程补偿器13相邻环状阶梯1311环的高度差dh满足公式(2)：(DOF/k)/(n-1)，根据公式(1)的变形：Lmax＝dh*N*(n-1)，则光程补偿器的环状阶梯的数量N满足公式(3)：N＝Lmax/(DOF/k)，k为正整数，k≥2，当K足够大时，N的数量足够多，可以无限接近如图3所示的光滑坡面结构；且需要根据实际的光程差补偿效果、缺陷检测成像效果设定光程补偿器的环状阶梯的数量N。其中，在N满足的公式中，设定(DOF/k)为光程补偿器中任意相邻的两个环状阶梯的光程补偿量，进一步精确计算反射光束的光程补偿量，提高光程补偿器的补偿精度。

可选的，光程补偿器的折射率为n，1.4≤n≤2。当选用折射率n足够大的透明材料作为光程补偿器的主体，一方面可以减小任意相邻的两个环状阶梯环的高度差dh，另一方面可以减薄光程补偿器的厚度，缩小体积。

可选的，任意相邻的两个环状阶梯的宽度差dw满足公式(4)：dw＝W/N*Mag；其中，W为待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的视场宽度，Mag为第一透镜组的放大倍率。

示例性的，继续参照图2所示，进一步的，设定任意相邻的两个环状阶梯的宽度差dw满足公式(4)：dw＝W/N*Mag，其中，W为待测物2的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的视场宽度，Mag为第一透镜组12的放大倍率。当待测物2和第一透镜组12确定，W和Mag为确定值，当光程补偿器131的环状阶梯的数量N足够大时，任意相邻的两个环状阶梯环的宽度差dw足够小，使得反射光束R经光程补偿器131后可以得到精细补偿，第二透镜组14传递补偿光程差后的反射光束R’，探测器15采集第二透镜组14所成的像。。

例举一个具体的实施例，例如，当待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的最大光程差Lmax为100μm，视场宽度W为300μm，DOF为50μm，第一透镜组的最大倍率Mag为2，k值为4，光学补偿器的折射率为1.5，经公式(2)-(4)计算可得，光学补偿器131的环状阶梯数N＝100/(50/4)＝8，任意相邻的两个环状阶梯环的高度差dh＝(50/4)/(1.5-1)＝25μm，任意相邻的两个环状阶梯环的宽度差dw＝300/8*2＝75μm。

图4是本发明实施例提供的一种光程补偿器组的结构示意图。如图4所示，可选的，光程补偿器1311为多个且设置在转盘机构132上，转盘机构132的旋转中心轴L与反射光束R的光轴平行，多个光程补偿器131围绕转盘机构132的旋转中心轴L呈圆周均匀排布；在转盘机构132旋转过程中，多个光程补偿器131依次位于第一透镜组12的成像视场中。

示例性的，如图4所示，在实际缺陷探测***中，可在中间像面放置一转盘机构132，可以切换不同规格的光程补偿器131，转盘机构132和多个光程补偿器131形成光程补偿器组13。如图4所示，光程补偿器组13包含6个光程补偿器131，根据待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的最大光程差Lmax参数，获得具有不同N、dh和dw组合，以适应不同待测弧面检测。具体的，提供一个转盘机构132，将多个光程补偿器131围绕转盘机构132的旋转中心轴L呈圆周均匀排布的，当进行待测物缺陷检测的时候，保证转盘机构132的旋转中心轴L与反射光束R的光轴平行，保证在转盘机构132旋转过程中，多个光程补偿器131依次位于第一透镜组12的成像视场中，优选的，光程补偿器131位于第一透镜组12的焦深范围内。根据待测物的最大光程差参数，选择合适的光程补偿器131用于对待测物的缺陷进行检测。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种缺陷检测的方法，采用第一方面提供的缺陷检测装置对待测物进行缺陷检测。图4是本发明实施例提供的一种缺陷检测方法的流程示意图。如图4所示，该缺陷检测方法包括：

S01、利用缺陷检测装置中的光程补偿器，补偿待测物的表面反射的反射光束的光程差，待测物的至少部分面呈弧面。

具体的，继续参照图1所示，将待测物2放置在载物台3上，根据待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的最大光程差Lmax参数，确定满足补偿该最大光程差Lmax的光程补偿器的N、dh和dw的参数，旋转转盘机构132，选定满足参数要求的光程补偿器131。当进行缺陷检测时，光源11发出的检测光束T照射到待测物的表面反射形成反射光束R，反射光束R经第一透镜组汇聚成像到光程补偿器131，光程补偿器131对补偿反射光束R的光程差，第二透镜组14汇聚补偿光程差后的反射光束R’并对待测物2的弧面进行成像。

S02、利用缺陷检测装置中的探测器，采集补偿后的反射光束形成的待测物表面的像。

其中，继续参照图1所示，可以设置第二透镜组14的焦平面位于探测器15的焦深范围内，由于反射光束R’无光程差，使整个弧面能清晰成像到探测器15上，进而采集待测物2的弧面所成的像。

S03、利用计算机通过图像处理算法，在探测器采集的图像中识别待测物表面的缺陷。

其中，利用计算机通过图像处理算法，获取探测器的图像，通过图像处理算法，例如阈值分割，模板比较等方法，识别待测物的缺陷位置、形状、规格、种类等参数，进而输出缺陷尺寸、面积、位置等信息。

综上，本发明实施例提供的缺陷检测方法，使用上述实施例提供的缺陷检测***进行缺陷检测，可根据不同待测物选择匹配的光程补偿器，可准确识别、定位、获取待侧物的缺陷，得到清晰的缺陷图像信息。

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。

Claims (10)

1.一种缺陷检测装置，其特征在于，包括光源和光学***，所述光学***包括第一透镜组、光程补偿器、第二透镜组和探测器；

所述光源用于出射检测光束，所述检测光束经待测物的表面反射形成反射光束，所述待测物的至少部分面呈弧面，所述第一透镜组、所述光程补偿器、所述第二透镜组和所述探测器依次位于所述反射光束的传播路径上；

所述第一透镜组用于传递所述反射光束至所述光程补偿器；

沿所述反射光束的传播方向，所述光程补偿器的厚度呈不均匀分布，所述光程补偿器用于补偿所述待测物的弧面引起的所述反射光束的光程差；

所述第二透镜组用于传递补偿光程差后的所述反射光束至所述探测器；

所述探测器位于所述第二透镜组的焦平面中，用于采集所述第二透镜组所成的像。

2.根据权利要求1所述的缺陷检测装置，其特征在于，所述光程补偿器位于所述第一透镜组的焦深范围内。

3.根据权利要求1所述的缺陷检测装置，其特征在于，所述反射光束包括第一反射光束和第二反射光束，所述待测物的弧面边缘位置处反射第一反射光束且到达所述光程补偿器的第一表面，所述待测物的弧面中心位置处反射第二反射光束且到达所述光程补偿器的第二表面，所述第一反射光束和所述第二反射光束的光程差为L；

沿所述反射光束的传播方向，所述第一表面和所述第二表面的厚度差H满足公式：L＝H(n-1)；其中，n为所述光程补偿器的折射率。

4.根据权利要求1所述的缺陷检测装置，其特征在于，所述光程补偿器至少包括两个同心的环状阶梯。

5.根据权利要求4所述的缺陷检测装置，其特征在于，所述光程补偿器的环状阶梯的数量N满足公式：N＝Lmax/(DOF/k)；

其中，沿所述反射光束的传播方向，Lmax为所述待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的最大光程差，DOF为所述光学***的焦深，k为正整数，k≥2；(DOF/k)为所述光程补偿器中任意相邻的两个所述环状阶梯的光程补偿量。

6.根据权利要求4所述的缺陷检测装置，其特征在于，任意相邻的两个所述环状阶梯环的高度差dh满足公式：dh＝(DOF/k/(n-1)；

其中，DOF为所述光学***的焦深，k为正整数，k≥2；(DOF/k)为所述光程补偿器中任意相邻的两个所述环状阶梯的光程补偿量，n为所述光程补偿器的折射率。

7.根据权利要求3或6所述的缺陷检测装置，其特征在于，所述光程补偿器的折射率为n，1.4≤n≤2。

8.根据权利要求4所述的缺陷检测装置，其特征在于，任意相邻的两个所述环状阶梯的宽度差dw满足公式：dw＝W/N*Mag；

其中，W为所述待测物的弧面边缘位置处和弧面中心位置处的视场宽度，Mag为所述第一透镜组的放大倍率。

9.根据权利要求1所述的缺陷检测装置，其特征在于，所述光程补偿器为多个且设置在转盘机构上，所述转盘机构的旋转中心轴与所述反射光束的光轴平行，多个所述光程补偿器围绕所述转盘机构的旋转中心轴呈圆周均匀排布；

在所述转盘机构旋转过程中，多个所述光程补偿器依次位于所述第一透镜组的成像视场中。

10.一种缺陷检测方法，其特征在于，采用上述权利要求1-9任一项所述的缺陷检测装置进行缺陷检测，缺陷检测方法包括：

利用所述缺陷检测装置中的光程补偿器，补偿所述待测物的表面反射的反射光束的光程差，所述待测物的至少部分表面呈弧面；

利用所述缺陷检测装置中的探测器，采集补偿后的所述反射光束形成的所述待测物表面的像；

利用计算机通过图像处理算法，在所述探测器采集的图像中识别所述待测物表面的缺陷。

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