CN115307569A - 一种基于双波段探测的双轴光谱线共焦传感器 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于双波段探测的双轴光谱线共焦传感器，属于三维面型测量技术领域。本发明包括：光源组件，用于提供系统测量所需的光辐射；照明组件，用于将照明光整形并使不同波长均匀聚焦在测量面上不同轴向位置；探测组件，用于收集反射光并提供与照明组件共轭的光路，滤除离焦波长；光谱解调组件，用于分离两个照明波段并分别记录两个波段包含被测样品表面轮廓信息的能量谱。本发明结合线性渐变滤光片和分波段探测技术，解决了色散系统与光谱解调系统结构复杂和光谱解调系统光谱范围与光谱分辨率矛盾的问题，实现了大量程、高轴向分辨力的光谱线共焦传感。

Description

一种基于双波段探测的双轴光谱线共焦传感器

技术领域

本发明涉及三维面型测量技术领域，尤其涉及一种基于双波段探测的双轴光谱线共焦传感器。

背景技术

近年来，随着集成电路行业的技术节点突破，电子产品的大批量生产中需要大量超精密表面测量设备来实现微小缺陷的非接触检测。

光谱共焦技术是对大区域亚微米级测量的一种重要手段，光谱线共焦技术将光谱共焦与激光线共焦结合，狭缝提供线光源照明，利用色散物镜将白光光源轴向色散，不同波长聚焦在不同轴向位置。反射光经过对称光路聚焦在探测狭缝处，此时只有在样品表面恰好聚焦的波长能在探测狭缝处聚焦并通过探测狭缝，其他波长的光焦斑大于狭缝尺寸，只有极少的一部分能量能够通过探测狭缝。对通过探测狭缝的反射光进行光谱成分的分析即可获取一条扫描线上的表面轮廓。虽然不同波长的光聚焦在不同轴向位置，但对于每个波长都构成完整的共焦系统。由于光谱共焦技术保留了共焦测量方法的光学层析能力，相比其他表面测量方法有轴向分辨力有显著的优势。

限制光谱共焦测量精度的主要是光谱解调系统的光谱分辨力。由于探测器像素的限制，光谱解调系统的光谱分辨力与光谱范围成反比，而光谱范围又决定了轴向位移的测量范围。在测量中一般尽可能地利用可见光波段，极大地限制了光谱解调系统的分辨力，只能通过峰值提取算法来提升轮廓定位的准确性。

另外，现有的光谱线共焦传感器普遍存在色散镜组、光谱解调系统结构复杂、尺寸较大的问题，难以适应复杂场合的测量任务。

发明内容

针对上述现有技术缺点，本发明提出了一种基于双波段探测的双轴光谱线共焦传感器，以解决技术上存在的光谱解调精度不足、结构复杂的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于双波段探测的双轴光谱线共焦传感器，包括：光源组件、照明组件、探测组件、光谱解调组件；其中：

光源组件中，LED光源发出宽谱照明光，进入光纤耦合器混合并传导至照明组件前。

照明组件中，狭缝发出的宽谱均匀线型照明光通过第一线性渐变滤光片被色散成按波长均匀分布的光带，再被第一色散物镜聚焦在不同的轴向位置，不同波长的焦线在测量面上均匀分布。

探测组件中，被测样品表面的反射光携带表面轮廓信息经过与第一色散物镜对称放置的第二色散物镜聚焦在探测狭缝平面，此时只有完美聚焦在样品表面的波长才能聚焦在与照明狭缝共轭的探测狭缝上，通过探测狭缝的能量最强，其他波长离焦，通过探测狭缝的能量按照离焦距离减弱。

光谱解调组件中，准直透镜将通过探测狭缝的光准直照射在二向色镜上，按照波长分为两束光分别照射在第二线性渐变滤光片和第三线性渐变滤光片上，通过第二线性渐变滤光片和第三线性渐变滤光片的光按波长分离，被放置在第二线性渐变滤光片后的第一CMOS相机和放置在第三线性渐变滤光片后的第二CMOS相机拍摄到按波长分布的能量谱，得到被测样品表面的轮廓信息。

优选地，所述的LED光源发出的光波长范围是λ₁～λ₂，为了抑制LED光源中包含的不同LED光谱重叠导致的光谱不均匀，可以使用陷波器加以抑制。

优选地，所述的光纤耦合器可以是点光纤阵列，也可以是其他形式的光波导器件，在照明狭缝前形成均匀的线阵列照明或线照明。

优选地，所述的照明狭缝发出均匀照度的宽谱照明。

优选地，所述的第一线性渐变滤光片光谱范围是λ₁～λ₂。

优选地，所述的第一线性渐变滤光片的色散特性为k nm/mm，在子午方向每毫米有k nm的波段均匀排列。

优选地，所述的第一线性渐变滤光片将测量用的波段λ₁～λ₂按照射的位置不同沿弧矢方向均匀分开为无数子波长，使不同波长的光传播的方向不同，实现弧矢方向的色散。

优选地，所述的第一色散物镜和第二色散物镜有较大的色焦移Δz，使不同波长的焦面在不同轴向深度，实现对轴向深度的光谱编码。

优选地，所述的第一色散物镜的光轴与测量面有一定夹角θ，该夹角θ与色散物镜色焦移、线性渐变滤光片色散参数匹配，确保不同波长的光都聚焦在垂直于被测样品表面的测量面上。

优选地，所述的第一色散物镜焦面上λ₁～λ₂波段对应轴向范围z₁～z₂。

优选地，所述的第一色散物镜和第二色散物镜由至少一片透镜组成。

优选地，所述的第二色散物镜和第一色散物镜关于测量面对称，恰好聚焦在被测样品表面的波长通过第二色散物镜后与照明组件中照明狭缝到第一色散物镜之间的光路对称，其他波长成分由于离焦不能保持对称光路。

优选地，所述的探测狭缝与照明狭缝长度相同，探测狭缝宽度等于或小于照明狭缝宽度。

优选地，所述的探测狭缝与照明狭缝共轭，只有恰好聚焦在被测样品表面的波长能够聚会聚在探测狭缝上，其他波长成分由于失对称性，投射在探测狭缝的光不是完全聚焦，光斑尺寸远大于探测狭缝宽度，通过探测狭缝的光强远小于恰好聚焦在被测样品表面的波长，实现了对准焦波长的筛选作用。

优选地，所述的准直透镜是消色差透镜，通过探测狭缝不同波长的光在探测透镜后都被整形为平行光。

优选地，所述的二向色镜二向色镜起分束作用，其法线与准直透镜光轴夹角为45°，λ₁～λ′波段的光透过二向色镜，传播方向不变；λ′～λ₂波段的光被二向色镜反射，离开二向色镜的方向与λ₁～λ′波段的光束垂直。

优选地，所述的二向色镜对不同波长的透过/反射率相同，以保证获得测量信号强度的一致性。

优选地，所述的第二线性渐变滤光片光谱范围是λ₁～λ′，离开二向色镜λ₁～λ′波段的光束照射在第二线性渐变滤光片上，沿弧矢方向色散，形成能量谱。

优选地，所述的第三线性渐变滤光片光谱范围是λ′～λ₂，离开二向色镜λ′～λ₂波段的光束照射在第三线性渐变滤光片上，沿弧矢方向色散，形成能量谱。

优选地，所述的第二线性渐变滤光片和第三线性渐变滤光片不同波长透过率相同，以保证获得测量信号强度的一致性。

优选地，所述的第一CMOS相机记录通过第二线性渐变滤光片λ₁～λ′波段的能量谱，提取能量最高的波长得到样品轴向范围z₁～z′的表面轮廓。

优选地，所述的第二CMOS相机记录通过第三线性渐变滤光片λ′～λ₂波段的能量谱，提取能量最高的波长得到样品轴向范围z′～z₂的表面轮廓。

本发明的有益效果在于，由于本发明结合线性渐变滤光片实现分光功能，简化了照明组件、探测组件和光谱解调组件的结构，简化了光路结构并有效缩减了光谱线共焦传感器的外形尺寸；使用双波段和光谱解调，解决了光谱解调组件光谱分辨力与光谱范围的矛盾，实现了大光谱范围、高光谱分辨率的光谱解调组件，提高光谱线共焦传感器的轴向测量范围和轴向分辨力。

附图说明

图1是基于双波段探测的双轴光谱线共焦传感器结构简图。

图2是照明组件结构简图。

图3是光谱解调组件结构简图。

图1中：100-光源组件、110-LED光源、120-光纤耦合器200-照明组件、210-照明狭缝、220-第一线性渐变滤光片、230-第一色散物镜、300-探测组件、310-探测狭缝、320-第二色散物镜、400-光谱解调组件、410-准直透镜、420-二向色镜、430-第二线性渐变滤光片、440-第一CMOS相机、450-第二CMOS相机、460-第二线性渐变滤光片；

图2中：210-照明狭缝、220-第一线性渐变滤光片、230-第一色散物镜；

图3中：410-准直透镜、420-二向色镜、430-第二线性渐变滤光片、440-第一CMOS相机、450-第二CMOS相机、460-第二线性渐变滤光片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。

如图1至图3所示，本发明实施样例中包括光源组件、照明组件、探测组件、光谱解调组件。

光源组件(100)中：LED光源(110)光谱范围是400nm～700nm，光纤耦合器(120)的进光路和第是芯径400μm的多模光纤。光纤耦合器(120)出光路为导光板，将光线引导至照明狭缝(210)前并在10mm×1mm的矩形区域内实现均匀连续的照明。

照明组件(200)中：照明狭缝(210)长为10mm，宽为20μm，紧贴光纤耦合器出光路(133)，发出均匀、连续的线型照明光。从照明狭缝(210)输出的光束数值孔径控制在0.1～0.15之间以匹配第一色散物镜(230)的物方孔径角。第一线性渐变滤光片(220)光谱范围是400nm～700nm，色散特性为30nm/mm，400nm～700nm对应线性渐变滤光片上子午方向10mm长的范围。照明狭缝(210)输出的光完全覆盖该范围，经滤光后不改变传播方向。第一色散物镜(230)将不同波长的光均匀聚焦在测量面上，对轴向位移进行光谱编码。其中400nm～550nm对应0～0.6mm的轴向位移；550nm～700nm对应0.6～1.2mm的轴向位移，实现1.2mm的轴向测量范围。

探测组件(300)中：第二色散物镜(320)与第一色散物镜(230)关于测量面对称放置，第二色散物镜(320)与第一色散物镜(230)结构完全相同，照射在被测样品表面的光返回第二色散物镜(320)，在样品表面恰好聚焦的波长经第二色散物镜(320)处理后的传播路径与从照明狭缝(210)到第一色散物镜(230)的传播路径完全对称，能够聚焦在与照明狭缝(210)共轭的探测狭缝(310)处，而没有聚焦在被测样品表面的波长不能对称地聚焦在探测狭缝(310)处。探测狭缝(310)长为10mm，宽为20μm，通过探测狭缝(310)能量最高的波长是恰好聚焦在被测样品表面的波长，被测样品表面轮廓的起伏体现为探测狭缝(310)不同位置通过波长的不同。

光谱解调组件(400)中：准直透镜(410)经过消色差设计，将通过探测狭缝(310)不同波长的光都整形为平行光，便于后续的处理。二向色镜(420)法线与准直透镜(410)的光轴夹角为45°，经准直的光投射到二向色镜(420)被分成两束，400nm～550nm的光不改变传播方向，照射在第二线性渐变滤光片(430)上，550nm～700nm的光被二向色镜(420)反射，投射在第三线性渐变滤光片(460)上，两束分开的光夹角为90°。第二线性渐变滤光片(430)光谱范围是400nm～550nm，为提高光谱分辨率，色散特性为10nm/mm，有效区域为15mm；第一CMOS相机(440)芯片尺寸长宽均大于15mm，像素不少于2048点，光谱响应曲线应覆盖测量光谱范围。为系统集成化设计，线性渐变滤光片可直接加工在CMOS芯片的玻璃盖板上。第三线性渐变滤光片(460)光谱范围是550nm～700nm，色散特性为10nm/mm，有效区域为15mm；第二CMOS相机(450)与第一CMOS相机(440)要求相同。同时，第二线性渐变滤光片(440)和第三线性渐变滤光片(460)对不同波长的透过率一致，以保证测量一致性。最后，根据CMOS相机采集到的能量谱可以分别得到0～0.6mm和0.6～1.2mm范围的被测样品表面轮廓，将两个相机得到的数据融合处理即可得到0～1.2mm全量程的被测样品表面轮廓。

Claims (10)

1.一种基于双波段探测的双轴线光谱共焦传感器，其特征在于所述装置包括：光源组件(100)、照明组件(200)、探测组件(300)、光谱解调组件(400)；

所述光源组件包括LED光源(110)、光纤耦合器(120)，将LED光源(110)发出的光混合并引导至照明组件(200)；

所述照明组件(200)包括照明狭缝(210)、第一线性渐变滤光片(220)和第一色散物镜(230)，将不同波长的光均匀投射在测量面上；

所述探测组件包括第二色散物镜(320)、探测狭缝(310)，关于被测表面共轭设置，使被测表面的反射光重新聚焦在探测狭缝(310)处，探测狭缝(310)用于遮挡不能聚焦在被测表面的波长，只允许恰好聚焦在被测表面的波长通过；

所述光谱解调组件包括准直透镜(410)、二向色镜(420)、第二线性渐变滤光片(430)、第三线性渐变滤光片(460)、第一CMOS相机(440)、第二CMOS相机(450)，将通过探测组件的光按两个波段分成两束分别解调其光谱成分，得到包含在光谱能量分布中的高度信息。

2.根据权利要求1所述的光源组件(100)，其特征在于LED光源(110)的波长范围是λ₁～λ₂，LED光源(110)的光谱分布连续、平滑。

3.根据权利要求1所述的光源组件(100)LED光源(110)包含LED的数量为1～2个，每个LED进入光纤耦合器(120)的能量相同，光谱范围总和覆盖λ₁～λ₂。

4.根据权利要求1所述的照明组件(200)，其特征在于照明狭缝(210)发出的照明光均匀一致。

5.根据权利要求1所述的照明组件(200)，其特征在于第一线性渐变滤光片(220)的光谱范围是λ₁～λ₂，将光源组件(100)发出的光谱范围全部包括在内。

6.根据权利要求1所述的照明组件(200)，其特征在于第一色散物镜(230)光轴与被测表面成一定角度，并产生轴向色散与第一线性渐变滤光片(220)产生的横向色散匹配，使不同波长光的焦线均匀分布在测量面上。

7.根据权利要求1所述的探测组件(300)，其特征在于第二色散物镜(320)与照明组件中的第一色散物镜(230)结构相同。

8.根据权利要求1所述的光谱解调组件(400)，其特征在于准直透镜(410)为消色差透镜组，不同波长的光通过准直透镜(410)后均整形为平行光束。

9.根据权利要求1所述的光谱解调组件(400)，其特征在于通过二向色镜(420)分束并照射在第二线性渐变滤光片(430)的光波长范围是λ₁～λ′，照射在第三线性渐变滤光片(460)的光波长范围是λ′～λ₂，第二线性渐变滤光片(430)的光谱范围是λ₁～λ′，第三线性渐变滤光片(460)的光谱范围是λ′～λ₂。

10.根据权利要求1所述的光谱解调组件(400)，其特征在于第一CMOS相机(440)、第二CMOS相机(450)光谱响应和像素数量、尺寸都相同。

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