CN118443670A - 一种光学检测设备、光学检测自动聚焦系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光学检测设备、光学检测自动聚焦系统及方法，光学检测设备包括：成像系统，成像系统用于对被测样品进行扫描拍照；光谱共焦位移传感器，其安装于成像系统的一侧，光谱共焦位移传感器的中心轴线与成像系统的中心轴线间隔设置且位于同一平面，并且光谱共焦位移传感器与成像系统沿成像系统的中心轴线方向齐焦；控制单元，控制单元通过光纤连接线与光谱共焦位移传感器连接，控制单元用于控制光谱共焦位移传感器实时测量光谱共焦位移传感器与被测样品之间的距离V1。本申请通过在成像系统的一侧设置了光谱共焦位移传感器，可以实现前馈测量，使成像系统在拍照时聚焦至正常位置，且光谱共焦位移传感器较同轴激光测距传感器的造价低。

Description

一种光学检测设备、光学检测自动聚焦系统及方法

技术领域

本申请涉及光学检测技术领域，具体涉及一种光学检测设备、光学检测自动聚焦系统及方法。

背景技术

随着半导体和FPD(液晶面板)产业的不断发展，对于半导体器件和FPD光学检测的要求越来越高，高速、高精度扫描和拍照应用非常重要。

相关技术中，当前市面上用于光学检测设备的自动聚焦方式主要有两种方式，一是使用同轴激光测距传感器，二是使用三角测量方式的传感器如测距相机或PSD传感器(位置敏感检测器)，比较成熟的方式就是同轴激光测距传感器，通常都是采用反馈式PID控制。

但是，同轴激光测距传感器的造价高昂，且同轴激光传感器与三角测量方式的传感器，在半导体检测和FPD检测领域，无法应对产品表面因制程原因产生的信号突变，如切割道和镀铬线条等产生的信号异常值或极大值进行有效区分，导致聚焦至异常值位置，在扫描进入拍照、检测区域时，无法在10ms内快速回到正确的聚焦位，进而导致图像失焦，产生模糊图片，影响检出。

因此，有必要设计一种新的光学检测设备、光学检测自动聚焦系统及方法，以克服上述问题。

发明内容

本申请提供一种光学检测设备、光学检测自动聚焦系统及方法，可以解决相关技术中造价高昂，且检测时传感器聚焦至异常位置的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种光学检测设备，其包括：成像系统，所述成像系统用于对被测样品进行扫描拍照；光谱共焦位移传感器，其安装于所述成像系统的一侧，所述光谱共焦位移传感器的中心轴线与所述成像系统的中心轴线间隔设置且位于同一平面，并且所述光谱共焦位移传感器与所述成像系统沿所述成像系统的中心轴线方向齐焦；控制单元，所述控制单元通过光纤连接线与所述光谱共焦位移传感器连接，所述控制单元用于控制所述光谱共焦位移传感器实时测量所述光谱共焦位移传感器与所述被测样品之间的距离V1。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述成像系统安装有紧固机构，所述紧固机构安装有两个所述光谱共焦位移传感器，两个所述光谱共焦位移传感器对称分布于所述成像系统的相对两侧，两个所述光谱共焦位移传感器的中心轴线与所述成像系统的中心轴线间隔设置且位于同一平面，同时，两个所述光谱共焦位移传感器的焦点与所述成像系统的焦点位于同一直线上，且该直线垂直于所述成像系统的中心轴线。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述光学检测设备还包括Z轴驱动模组，所述成像系统安装于所述Z轴驱动模组，所述Z轴驱动模组用于基于所述光谱共焦位移传感器的焦点与所述被测样品的表面之间的面型高度差H实时调整所述成像系统在Z轴上的位置，其中，Z轴与所述成像系统的中心轴线平行。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述成像系统包括：相机，所述相机的一端固定有镜筒透镜，所述镜筒透镜远离所述相机的一侧同轴固定有物镜；同轴光源照明系统，所述同轴光源照明系统固设于所述镜筒透镜的一侧。

第二方面，本申请实施例提供了一种光学检测自动聚焦系统，其包括：装载机器运动平台，所述装载机器运动平台用于装载被测样品；以及光学检测设备，所述光学检测设备包括：成像系统，所述成像系统用于对被测样品进行扫描拍照；光谱共焦位移传感器，其安装于所述成像系统的一侧，所述光谱共焦位移传感器的中心轴线与所述成像系统的中心轴线间隔设置且位于同一平面，并且所述光谱共焦位移传感器与所述成像系统沿所述成像系统的中心轴线方向齐焦；

控制单元，所述控制单元通过光纤连接线与所述光谱共焦位移传感器连接，所述控制单元用于控制所述光谱共焦位移传感器实时测量所述光谱共焦位移传感器与所述被测样品之间的距离V1；

所述装载机器运动平台装载有数据处理控制器，所述数据处理控制器用于根据所述距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器的焦点与所述被测样品的表面之间的面型高度差H，并控制所述成像系统或被测样品沿Z轴移动，使所述成像系统自动聚焦至所述被测样品的表面。

第三方面，本申请实施例提供了一种利用上述的光学检测设备的光学检测自动聚焦方法，其包括以下步骤：

驱动被测样品沿当前扫描线朝向第一方向移动，并实时控制沿所述第一方向位于成像系统后方的所述光谱共焦位移传感器测量所述光谱共焦位移传感器与所述被测样品之间的距离V1；

根据距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器的焦点与所述被测样品的表面之间的面型高度差H，并基于所述面型高度差H控制所述成像系统或被测样品沿Z轴移动，使所述成像系统自动聚焦至所述被测样品。

结合第三方面，在一种实施方式中，所述根据距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器的焦点与所述被测样品的表面之间的面型高度差H，并基于所述面型高度差H控制所述成像系统或被测样品沿Z轴移动，使所述成像系统自动聚焦至所述被测样品，包括：

当接收到第一触发信号时，实时获取并记录所述距离V1，同时记录所述成像系统或被测样品的Z轴当前坐标V2，并根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H；

当接收到第二触发信号时，基于所述面型高度差H控制所述成像系统或被测样品沿Z轴移动，使所述成像系统自动聚焦至所述被测样品；

其中，第一触发信号与第二触发信号之间的间隔时间T＝S/V，S为所述光谱共焦位移传感器的中心轴线与所述成像系统的中心轴线之间的距离，V为被测样品的移动速度。

结合第三方面，在一种实施方式中，所述根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H，包括：

根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H；

连续记录多组面型高度差H，将多组面型高度差H写入先入先出数组H_Array，并利用移动平均算法计算数组H_Array中面型高度差H的平均值SMC；

根据平均值SMC和被测样品的限制值生成面型高度差H允许的最大值H_max和最小值H_min；

利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整。

结合第三方面，在一种实施方式中，所述利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整，包括：

判断面型高度差H是否大于等于最小值H_min且小于等于最大值H_max；

若是，则本次的面型高度差H为有效值，并输出面型高度差H的值；

若面型高度差H大于最大值H_max，则本次的面型高度差H为无效值，将本次的面型高度差H替换为最大值H_max；

若面型高度差H小于最小值H_min，则本次的面型高度差H为无效值，将本次的面型高度差H替换为最小值H_min。

结合第三方面，在一种实施方式中，所述利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整，还包括：

利用样条曲线插值算法对数组H_Array中的数据进行圆滑处理，并输出数组H_Array中的面型高度差H_T；其中，面型高度差H_T为接收到第二触发信号时计算出来的面型高度差H。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：

通过在成像系统的一侧设置了光谱共焦位移传感器，在进行检测时，可以利用光谱共焦位移传感器提前测量光谱共焦位移传感器与被测样品之间的距离，进而可以获知光谱共焦位移传感器聚焦至被测样品的表面需要调整的距离，由于光谱共焦位移传感器与成像系统沿成像系统的中心轴线方向齐焦，当光谱共焦位移传感器聚焦至被测样品的表面时，成像系统也会聚焦至被测样品的表面，可以使成像系统在拍照时聚焦至正常位置，且光谱共焦位移传感器较同轴激光测距传感器的造价低，解决了相关技术中造价高昂，且检测时传感器聚焦至异常位置的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光学检测设备的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光学检测设备另一视角的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的未经过处理的半导体样品面型的热力图；

图4为本申请实施例提供的被测样品与成像系统、光谱共焦位移传感器的位置示意图；

图5为图4的主视示意图；

图6为本申请实施例提供的一种光学检测自动聚焦方法的流程图；

图7为本申请实施例提供的光学检测自动聚焦方法对应的时序图。

图中：

1、成像系统；11、相机；12、镜筒透镜；13、物镜；14、同轴光源照明系统；

2、光谱共焦位移传感器；21、测头；

3、控制单元；4、光纤连接线；5、紧固机构；6、被测样品。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相关技术中，当前市面上用于光学检测设备的自动聚焦方式主要有两种方式，一是使用同轴激光测距传感器，二是使用三角测量方式的传感器如测距相机或PSD传感器，比较成熟的方式就是同轴激光测距传感器，通常都是采用反馈式PID控制。

相关技术中的方案的技术缺点如下：

1.同轴激光传感器因技术掌握在加拿大及德国少数公司手中，其造价高昂，增加了自动聚焦装置的成本。

2.同轴激光传感器，其可见光波段例如660nm激光会在光学系统成像，成像光路中需要使用的二向色镜也会影响相机光学系统的采图质量。

3.三角测量方式的传感器，其测距的重复精度只有1um，无法满足高精度、高速度光学拍照、检测的基本需要，目前只能用于5x镜头，检出缺陷为1um级别。

4.同轴激光传感器与三角测量方式的传感器，在半导体检测和FPD检测领域，无法应对产品表面因制程原因产生的信号突变，如切割道和镀铬线条等产生的信号异常值或极大值进行有效区分，导致聚焦至异常值位置，在扫描进入拍照、检测区域时，无法在10ms内快速回到正确的聚焦位，进而导致图像失焦，产生模糊图片，影响检出。因此其应用多局限于半导体的前制程Wafer，在FPD领域，则只能用于低精度例如1um缺陷检出或Pad尺寸7寸以上的面板。

目前的PID控制算法依赖于传感器反馈的实时性，控制上具有非常明显的滞后性(10-30ms)，无法做到前馈过滤，针对被测产品表面平整度不佳，避免控制滞后，只能大幅降低检测设备的扫描速度进行拍照、检测。单纯的使用测距传感器进行样品面型Mapping，因需要二次扫描，效率很低也不能满足高速扫描应用的需求。

本申请实施例提供了一种光学检测设备、光学检测自动聚焦系统及方法，其能解决相关技术中造价高昂，且检测时传感器聚焦至异常位置的技术问题。

首先，对本申请中的部分技术术语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解本申请。

前馈控制系统是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来工作的控制系统，其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。前馈控制系统运用得当，可以使被控变量的扰动消灭在萌芽之中，使被控变量不会因扰动作用或给定值变化而产生偏差，它较之反馈控制能更加及时地进行控制，并且不受系统滞后的影响。

前馈控制的好处是直接控制无滞后，可以提高系统的响应速率，但是需要比较准确地知道被控对象模型和系统特性。而PID控制属于反馈控制的优点是不需要知道被控对象的模型即可实现比较准确的控制，但是需要偏差发生之后才能进行调节，具有滞后性。

参见图1和图2所示，为本申请实施例提供的一种光学检测设备，主要应用在半导体、FPD光学检测行业，用于半导体晶圆、玻璃面板各制程阶段产生的缺陷进行自动光学检测，其中，光学检测设备可以包括：成像系统1，所述成像系统1用于对被测样品6进行扫描拍照；光谱共焦位移传感器2，其安装于所述成像系统1的一侧，所述光谱共焦位移传感器2的中心轴线与所述成像系统1的中心轴线间隔设置且位于同一平面，该平面为竖直面，此平面定义为X-Z平面，本实施例中，光谱共焦位移传感器2的中心轴线与成像系统1的中心轴线平行且均沿Z轴延伸，并且所述光谱共焦位移传感器2与所述成像系统1沿所述成像系统1的中心轴线方向齐焦；以及控制单元3，所述控制单元3通过光纤连接线4与所述光谱共焦位移传感器2连接，所述控制单元3用于控制所述光谱共焦位移传感器2实时测量所述光谱共焦位移传感器2与所述被测样品6之间的距离V1。

本实施例中，光谱共焦位移传感器2可以对被测样品6进行采样并将采样数据通过光纤连接线4传输至控制单元3，控制单元3可以对采样数据进行分析计算出光谱共焦位移传感器2的底端面(也即光谱共焦位移传感器2下端的测头21的底端面)与所述被测样品6的表面之间的距离V1。

本申请中通过在成像系统1的一侧设置了光谱共焦位移传感器2，在进行检测时，可以利用光谱共焦位移传感器2提前测量光谱共焦位移传感器2与被测样品6之间的距离，进而可以获知光谱共焦位移传感器2聚焦至被测样品6的表面需要调整的Z轴方向的距离，由于光谱共焦位移传感器2与成像系统1沿成像系统1的中心轴线方向齐焦，当将光谱共焦位移传感器2调整到聚焦至被测样品6的表面时，成像系统1也会聚焦至被测样品6的表面，可以使成像系统1在拍照时一直是聚焦至正常位置(也即聚焦至被测样品6的表面)，可以减少模糊图片的产生，且光谱共焦位移传感器2较同轴激光测距传感器的造价低，核心技术掌握在国内传感器厂商，解决了相关技术中造价高昂，且检测时传感器聚焦至异常位置的技术问题。同时本申请的光学检测设备采用非共光路设计(传统的同轴激光传感器和三角测量方式均采用共光路设计)，光谱共焦位移传感器2的光源不影响成像系统1的图像质量。

参见图1所示，一实施例中，所述成像系统1可以包括：相机11，本实施例中的相机11可以采用工业相机11，所述相机11的一端固定有镜筒透镜12，镜筒透镜12用于光学相机11成像光路，所述镜筒透镜12远离所述相机11的一侧同轴固定有物镜13，物镜13用于光学相机11成像光路，可选用5x、10x、20x、50x等不同倍率的物镜13，物镜13类型是远场校正长工作距离物镜13，各倍率物镜13工作距离不同，工作距离在6-34mm之间，各倍率可保证在Z向与光谱共焦位移传感器2基本齐焦；以及同轴光源照明系统14，所述同轴光源照明系统14固设于所述镜筒透镜12的一侧，本实施例的同轴光源照明系统14优选三色同轴光源照明系统14，用于光学相机11成像的照明。

参见图1所示，进一步，在一些可选的实施例中，所述成像系统1安装有紧固机构5，所述紧固机构5安装有两个所述光谱共焦位移传感器2，两个所述光谱共焦位移传感器2对称分布于所述成像系统1的相对两侧，两个所述光谱共焦位移传感器2的中心轴线与所述成像系统1的中心轴线间隔设置且位于同一平面，同时，两个所述光谱共焦位移传感器2的焦点与所述成像系统1的焦点位于同一直线上，且该直线垂直于所述成像系统1的中心轴线。本实施例中，光谱共焦位移传感器2通过紧固机构5安装至成像系统1，且光谱共焦位移传感器2优选设置两个，在成像系统1的左侧设置一个，右侧设置一个，且两个光谱共焦位移传感器2的焦点与成像系统1的焦点，三点的连线平行于X轴；通过设置对称的两个光谱共焦位移传感器2(也即采用双路传感器)，可以实现正反双向扫描的前馈测量，正反扫描使用不同的传感器光路，以创新的前馈方式实现扫描进行中实时进行数据采集、处理和Z轴的运动控制。

具体的，当采用两个光谱共焦位移传感器2检测时，整个成像系统1和光谱共焦位移传感器2可以固定不动，被测样品6从第一条扫描线的负向一端匀速运行到正向一端，此时其中一个光谱共焦位移传感器2参与工作，完成本次扫描线的扫描后；可以将被测样品6沿Y向移动一个增量，然后被测样品6开始下一扫描线的运行，在下一扫描线的扫描过程中，扫描方向相反，所以另一个光谱共焦位移传感器2参与工作。在上述实施例中，每个光谱共焦位移传感器2的测头21选用直径为7-15mm皆可兼容，测头21的工作距离可选，在5-10mm之间。且每个光谱共焦位移传感器2的底端面在Z轴方向的位置可调节，可以通过紧固机构5实现光谱共焦位移传感器2的底端面在Z向的调整，成像系统1中物镜13的焦点在Z向的位置也可调节，根据选型的工作距离，在5-10mm之间可调节，以保证两个光谱共焦位移传感器2与成像系统1的Z向齐焦，即光学焦距落在同一被测样品6平面上。

上述实施例中，两个光谱共焦位移传感器2通过两根光纤连接线4分别连接至同一控制单元3，使用一台双通道光谱共焦处理器(也即上述的控制单元3)，即可实现两个光谱共焦位移传感器2的控制，结构简化。

当然，在其他实施例中也可以在该光学检测设备中仅设置一个光谱共焦位移传感器2，也可以实现前馈测量。

在上述实施例中，在计算出光谱共焦位移传感器2与所述被测样品6之间的距离V1之后，可以根据距离V1实时计算光谱共焦位移传感器2的焦点与被测样品6的表面之间的面型高度差H。进一步，所述光学检测设备还可以包括Z轴驱动模组，所述成像系统1安装于所述Z轴驱动模组，所述Z轴驱动模组可以基于所述光谱共焦位移传感器2的焦点与所述被测样品6的表面之间的面型高度差H实时调整所述成像系统1在Z轴上的位置，其中，Z轴与所述成像系统1的中心轴线平行。本实施例中，对于较低精度检出的应用，可以采用光学检测设备移动模式，也即将光谱共焦位移传感器2和成像系统1安装在Z轴驱动模组上，实现光谱共焦位移传感器2和成像系统1沿Z轴的移动，此时被测样品6在Z轴方向上不运动，亦可以达到相同的控制结果。

在其他的实施例中，也可以不设置Z轴驱动模组，也即本申请中的光学检测设备在使用时可以是固定安装且不移动的，被测样品6可以搭载在可X、Y、Z三维度移动的装载机器运动平台上，使得被测样品6通过装载机器运动平台实现X、Y、Z三个方向上的移动，进而调整被测样品6与光学检测设备之间的相对位置。

本申请中，每个光谱共焦位移传感器2的中心轴线与成像系统1的中心轴线之间的距离为S，通过控制被测样品6移动的速度V以及在特定的时间控制成像系统1或被测样品6沿Z轴移动，可以实现在单个扫描线(Swath)扫描时，本条扫描线使用的光谱共焦位移传感器2(先于成像系统1的传感器)在被测样品6上的测量位置在经过时间T后恰好运行至成像系统1的正下方，并且经过调整后成像系统1自动聚焦至光谱共焦位移传感器2在被测样品6上的测量位置。以被测样品6匀速运行为例，间隔时间T＝S/V，也即从光谱共焦位移传感器2测量的位置开始经过时间T后，成像系统1也刚好位于被测样品6的该测量位置，通过调整成像系统1或被测样品6在Z轴上的位置可以使得在经过时间T后将成像系统1的焦点调整成聚焦至被测样品6的该测量位置。也即本申请拥有T时间来对光谱共焦位移传感器2的采样数据进行处理，以计算出面型高度差H并控制成像系统1或者被测样品6沿Z轴移动，以完成更优的自动聚焦。

关于切割道影响的说明，参见图3所示是未经过处理的半导体样品面型的热力图，横坐标为扫描线序号，纵坐标为切割道深度值，单位为um，从图3中可见明显的切割道，其深度大于3um，若采用传统的自动聚焦方式进行扫描采图，容易出现图片失焦、模糊，而采用本申请的技术，则可避免此现象，得到正常、清晰的图像。

本申请中的光学检测设备中使用的传感器应用光谱共焦技术，彻底避免了相关技术中基于三角测量原理的传感器带来的检测误差和信号突变，在测量样品表面的制程断差及制程间隙时，即使在多面反射的情况下也能够实现测距保真。

本申请实施例还提供了一种光学检测自动聚焦系统，其可以包括：装载机器运动平台，所述装载机器运动平台用于装载被测样品6；以及光学检测设备，所述光学检测设备包括：成像系统1，所述成像系统1用于对被测样品6进行扫描拍照；光谱共焦位移传感器2，其安装于所述成像系统1的一侧，所述光谱共焦位移传感器2的中心轴线与所述成像系统1的中心轴线间隔设置且位于同一平面，并且所述光谱共焦位移传感器2与所述成像系统1沿所述成像系统1的中心轴线方向齐焦；控制单元3，所述控制单元3通过光纤连接线4与所述光谱共焦位移传感器2连接，所述控制单元3用于控制所述光谱共焦位移传感器2实时测量所述光谱共焦位移传感器2与所述被测样品6之间的距离V1。本实施例中的光学检测设备可以采用上述任一实施例中的光学检测设备，在此不再赘述。

在上述实施例中，所述装载机器运动平台装载有数据处理控制器，所述数据处理控制器用于根据所述距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器2的焦点与所述被测样品6的表面之间的面型高度差H，并控制所述成像系统1或被测样品6沿Z轴移动，使所述成像系统1自动聚焦至所述被测样品6的表面。

本实施例中，被测样品6可以搭载在装载机器运动平台上，且装载机器运动平台可以带动被测样品6实现X、Y、Z三个维度上的移动，在使用时，光学检测设备可以是固定安装且不移动的。参见图4所示，指示了被测样品6与成像系统、光谱共焦位移传感器的位置示意图，图5指示了单个扫描线(Swath)的扫描起始位P1和扫描结束位P2，P1和P2的位置由被测样品6的尺寸决定，因选择的物镜13倍率不同，扫描速度V也不相同，其范围在50-300mm/s。在扫描起始位和扫描结束位，光谱共焦位移传感器2的聚焦点与样品边缘沿X方向仍需要保留一定的间隔，该间隔D为扫描速度由0加速至V所需的距离，根据运动轴性能有差异，通常小于5mm。

本实施例中的数据处理控制器可以实现如图6所示的运动控制。下面对图6所示的控制流程进行说明：

主流程即被测样品6的运行流程，装载机器运动平台搭载被测样品6沿X、Y轴运行至扫描起始位置P1，沿Z轴运行至预设聚焦位Z0，然后驱动被测样品6在X轴沿当前扫描线(Swath)进行匀速运行，直至运行至本Swath的结束位置P2，判断当前的Swath是否为本样品最后的Swath，若是结束扫描流程，若不是将Swath计数加1，返回至流程起始继续循环，此时新的Swath的Y轴扫描起始点是在原基础上偏移固定间隔Δ1(取决于成像的物面图像宽度，不同倍率物镜13是不同的)。

主流程中的关键环节“进入扫描匀速区”会产生2个触发信号(即第一触发信号Trigger1和第二触发信号Trigger2)，2个触发信号的间隔为前馈时间T，第一触发信号开启面型数据处理器子流程，第二触发信号开启光学检测子流程。对应的时序图如图7所示。

面型数据处理器子流程包括：接收到第一触发信号开启本子流程后，数据处理控制器以1ms为周期实时获取记录光谱共焦位移传感器2(本Swath使用的测头21)的测量值V1，同时记录被测样品6的Z轴当前坐标V2，然后计算面型高度差H；然后进行移动平均算法、峰值滤波算法以及样条曲线插值算法(该步骤在后续的方法中详细展开)，最后输出Z轴移动结果。

数据处理控制器还会根据面型处理子流程的输出结果对被测样品6的位置进行调整，使被测样品6沿Z轴进行运动。

在接收到第二触发信号后，开启光学检测子流程，同步开启扫描拍照和算法检测，扫描拍照是以固定的间隔Δ2(取决于成像的物面图像高度，不同倍率物镜13是不同的)相机11连续采图。

本申请中的光学检测自动聚焦系统应用了高精度的光谱共焦位移传感器2，光谱共焦位移传感器2的量测精度典型值0.2um，3σ值0.3um，光学检测设备搭配高精度的装载机器运动平台，要求装载机器运动平台的Z轴定位精度小于或者等于0.2um,可以保证扫描时自动聚焦结果在被测样品6表面处于各倍率镜头的景深之范围之内，20x及以下倍率镜头则可以控制到1/2景深。并且本申请能实现高精度、高扫描速度自动光学检测设备扫描检测所需的成像系统1自动聚焦功能，也可以用于高精度、高扫描速度自动光学拍照机，实现在移动中拍照时的光学成像系统1自动聚焦功能，能解决传统的基于激光位移传感器的自动聚焦系统对半导体晶圆后制程和FPD镀铬制程应用效果不佳的问题；在半导体晶圆制程检测领域，基于本申请前馈控制的能力，可以解决传统光学自动聚焦系统过度频繁移动Z轴位置，导致成像质量不稳定影响算法检测的问题。

本申请实施例还提供了一种利用上述的光学检测设备的光学检测自动聚焦方法，其包括以下步骤：

S1：驱动被测样品6沿当前扫描线朝向第一方向移动，并实时控制沿所述第一方向位于成像系统1后方的所述光谱共焦位移传感器2测量所述光谱共焦位移传感器2与所述被测样品6之间的距离V1。

S2：根据距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器2的焦点与所述被测样品6的表面之间的面型高度差H，并基于所述面型高度差H控制所述成像系统1或被测样品6沿Z轴移动，使所述成像系统1自动聚焦至所述被测样品6。

本实施例中，扫描线可以与X轴平行，第一方向可以是X轴的正方向，也可以是X轴的负方向，在进行扫描时光学检测设备是不动的，被测样品6可以通过装载机器运动平台来驱动其沿X轴匀速移动，当第一方向为X轴的负方向时，也即被测样品6朝向X轴的负向匀速移动，此时扫描方向与第一方向相反，朝向X轴的正向，且此时沿X轴的正向位于成像系统1前方的光谱共焦位移传感器2参与工作，在完成本次扫描线的扫描后，被测样品6沿Y方向位移一个增量Δ1，增量Δ1的大小取决于成像的物面图像宽度，不同倍率物镜13是不同的；Y方向移动后，被测样品6开始下一扫描线的运行，在下次扫描时，扫描方向反向，所以成像系统1另一侧的光谱共焦位移传感器2参与工作(此种情况适用于成像系统1的前后两侧均设置光谱共焦位移传感器2)。由于成像系统1两侧的光谱共焦位移传感器2总是先于成像系统1扫描被测样品6，故光谱共焦位移传感器2会比成像系统1领先一个前馈时间T扫描被测样品6，这个领先的时间前馈时间T根据扫描速度V的不同而不同，扫描速度V根据不同物镜13倍率而不同，扫描速度V的范围在50-300mm/s。T＝S/V，S为所述光谱共焦位移传感器2的中心轴线与所述成像系统1的中心轴线之间的距离。S的取值范围为30-35mm。

进一步，当仅在成像系统1的一侧设置光谱共焦位移传感器2，在成像系统1的另一侧未设置光谱共焦位移传感器2时，在扫描完一条扫描线后，可以将光学检测设备旋转180°并调整至合适的位置开始下一扫描线的扫描，也可以不旋转光学检测设备，可以调整被测样品6的位置，使被测样品6移动至光学检测设备对准下一扫描线，且沿着扫描方向工作的光谱共焦位移传感器2位于成像系统1的前方，以实现前馈测量。

进一步，一实施例中，所述根据距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器2的焦点与所述被测样品6的表面之间的面型高度差H，并基于所述面型高度差H控制所述成像系统1或被测样品6沿Z轴移动，使所述成像系统1自动聚焦至所述被测样品6，可以包括：

S21：当接收到第一触发信号时，实时获取并记录所述距离V1，同时记录成像系统1或被测样品6的Z轴当前坐标V2，并根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H。由于在整个扫描的过程中测量值V1受Z轴坐标V2影响，即光谱共焦位移传感器2或被测样品6安装在Z轴上，随Z轴运行调整聚焦。其中，面型高度差H＝V2+V0-V1，V0是光谱共焦传感器的距离参考值，其设定方式是被测样品6表面成像清晰时记录的光谱共焦传感器与被测样品6之间的距离值，V1是测量距离。

S22：当接收到第二触发信号时，基于所述面型高度差H控制所述成像系统1或被测样品6沿Z轴移动，使所述成像系统1自动聚焦至所述被测样品6。

其中，第一触发信号与第二触发信号之间的间隔时间T＝S/V，S为所述光谱共焦位移传感器2的中心轴线与所述成像系统1的中心轴线之间的距离，V为被测样品6的移动速度。本实施例中，由于被测样品6是沿X轴匀速运动的，在接收到第一触发信号时，光谱共焦位移传感器2刚好移动至被测样品6的某一测量位置，而经过时间T后成像系统1刚好也移动至该测量位置，通过调整成像系统1或者被测样品6沿Z轴移动，使得成像系统1移动至该测量位置时，成像系统1能够自动聚焦至被测样品6的该测量位置，实现光学自动聚焦。

进一步，一实施例中，所述根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H，可以包括：

S211：根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H。

S212：连续记录多组面型高度差H，将多组面型高度差H写入先入先出数组H_Array，并利用移动平均算法计算数组H_Array中面型高度差H的平均值SMC。

S213：根据平均值SMC和被测样品6的限制值生成面型高度差H允许的最大值H_max和最小值H_min。

S214：利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整。

本实施例中，可以连续记录T组面型高度差H的值，并写入先入先出数组H_Array，最新记录的为H₁，数组原有元素后移1位，最后移除旧值H_T，继续对数组H_Array进行移动平均算法求得平均值以平均值SMC的值为基准，加上不同被测样品6的限制值，生成设置允许的最大值H_max与最小值H_min，并可以结合峰值滤波算法，设置允许的最大值与最小值(设为H_max，H_min)，以对下一周期的面型高度差H进行判断和调整。

本方法采用了光谱共焦位移传感器2在扫描路径上提前记录光谱共焦位移传感器2反馈的位置，并利用差值算法得出被测样品6的面型平整度数据，利用移动平均和峰值滤波等技术，排除了切割道等异常值的影响，避免制程落差对采图的影响。

优选的，所述利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整，可以包括：判断面型高度差H是否大于等于最小值H_min且小于等于最大值H_max；若是，则本次的面型高度差H为有效值，并输出面型高度差H的值；若面型高度差H大于最大值H_max，则本次的面型高度差H为无效值，放弃面型高度差H，并将本次的面型高度差H替换为最大值H_max；若面型高度差H小于最小值H_min，则本次的面型高度差H为无效值，放弃面型高度差H，并将本次的面型高度差H替换为最小值H_min。

进一步，一实施例中，所述利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整，还可以包括：利用样条曲线插值算法对数组H_Array中的数据进行圆滑处理，并输出数组H_Array中的面型高度差H_T；其中，面型高度差H_T为接收到第二触发信号时(在第一触发信号后经过时间T)计算出来的面型高度差H。本实施例是对数组H_Array中的数据进行后处理，启用Spline(样条插值)样条曲线插值算法，即根据记录数组H_Array中的数据，使用软件拟合三次多项式，利用公式进行Spline插值，对原数组进行圆滑处理，也可以改变时间细分应对不同的控制周期。最后输出H_Array中的H_T值(应理解，经过时间T，成像系统1将恰好运行至H_T值)，然后根据输出的H_T值进行Z轴控制，以实现光学自动聚焦。本实施例中，采用三次多项式进行圆滑过渡，对面型进行修正，根据修正后的面型数据，再采用实时位置触发方式进行Z轴移动的控制，实现扫描自动聚焦且Z轴控制平滑稳定。本实施例可以避免传统自动聚焦的响应落后与异常点导致的Z向波动，极大提高成像系统1的采图质量。

本申请针对相关技术中的问题，引入了一种光学检测设备、光学检测自动聚焦系统及方法，摒弃了传统的同轴激光传感器与三角测量方式中共光路的设计，采用双路光谱共焦位移传感器2，实现正反双向扫描的前馈测量，利用本申请的光学检测设备搭配本方法，可以实现高精度、高速度的光学拍照和缺陷检出，在半导体光学检测领域，可以用于60-200nm及以上制程缺陷检出，在FPD光学检测领域，可以用于200nm-1um及以上制程缺陷检出。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光学检测设备，其特征在于，其包括：

成像系统(1)，所述成像系统(1)用于对被测样品(6)进行扫描拍照；

光谱共焦位移传感器(2)，其安装于所述成像系统(1)的一侧，所述光谱共焦位移传感器(2)的中心轴线与所述成像系统(1)的中心轴线间隔设置且位于同一平面，并且所述光谱共焦位移传感器(2)与所述成像系统(1)沿所述成像系统(1)的中心轴线方向齐焦；

控制单元(3)，所述控制单元(3)通过光纤连接线(4)与所述光谱共焦位移传感器(2)连接，所述控制单元(3)用于控制所述光谱共焦位移传感器(2)实时测量所述光谱共焦位移传感器(2)与所述被测样品(6)之间的距离V1。

2.如权利要求1所述的光学检测设备，其特征在于，

所述成像系统(1)安装有紧固机构(5)，所述紧固机构(5)安装有两个所述光谱共焦位移传感器(2)，两个所述光谱共焦位移传感器(2)对称分布于所述成像系统(1)的相对两侧，两个所述光谱共焦位移传感器(2)的中心轴线与所述成像系统(1)的中心轴线间隔设置且位于同一平面，同时，两个所述光谱共焦位移传感器(2)的焦点与所述成像系统(1)的焦点位于同一直线上，且该直线垂直于所述成像系统(1)的中心轴线。

3.如权利要求1所述的光学检测设备，其特征在于，

所述光学检测设备还包括Z轴驱动模组，所述成像系统(1)安装于所述Z轴驱动模组，所述Z轴驱动模组用于基于所述光谱共焦位移传感器(2)的焦点与所述被测样品(6)的表面之间的面型高度差H实时调整所述成像系统(1)在Z轴上的位置，其中，Z轴与所述成像系统(1)的中心轴线平行。

4.如权利要求1所述的光学检测设备，其特征在于，所述成像系统(1)包括：

相机(11)，所述相机(11)的一端固定有镜筒透镜(12)，所述镜筒透镜(12)远离所述相机(11)的一侧同轴固定有物镜(13)；

同轴光源照明系统(14)，所述同轴光源照明系统(14)固设于所述镜筒透镜(12)的一侧。

5.一种光学检测自动聚焦系统，其特征在于，其包括：

装载机器运动平台，所述装载机器运动平台用于装载被测样品(6)；

以及光学检测设备，所述光学检测设备包括：

成像系统(1)，所述成像系统(1)用于对被测样品(6)进行扫描拍照；

光谱共焦位移传感器(2)，其安装于所述成像系统(1)的一侧，所述光谱共焦位移传感器(2)的中心轴线与所述成像系统(1)的中心轴线间隔设置且位于同一平面，并且所述光谱共焦位移传感器(2)与所述成像系统(1)沿所述成像系统(1)的中心轴线方向齐焦；

控制单元(3)，所述控制单元(3)通过光纤连接线(4)与所述光谱共焦位移传感器(2)连接，所述控制单元(3)用于控制所述光谱共焦位移传感器(2)实时测量所述光谱共焦位移传感器(2)与所述被测样品(6)之间的距离V1；

所述装载机器运动平台装载有数据处理控制器，所述数据处理控制器用于根据所述距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器(2)的焦点与所述被测样品(6)的表面之间的面型高度差H，并控制所述成像系统(1)或被测样品(6)沿Z轴移动，使所述成像系统(1)自动聚焦至所述被测样品(6)的表面。

6.一种利用如权利要求1所述的光学检测设备的光学检测自动聚焦方法，其特征在于，其包括以下步骤：

驱动被测样品(6)沿当前扫描线朝向第一方向移动，并实时控制沿所述第一方向位于成像系统(1)后方的所述光谱共焦位移传感器(2)测量所述光谱共焦位移传感器(2)与所述被测样品(6)之间的距离V1；

根据距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器(2)的焦点与所述被测样品(6)的表面之间的面型高度差H，并基于所述面型高度差H控制所述成像系统(1)或被测样品(6)沿Z轴移动，使所述成像系统(1)自动聚焦至所述被测样品(6)。

7.如权利要求6所述的光学检测自动聚焦方法，其特征在于，所述根据距离V1实时计算所述光谱共焦位移传感器(2)的焦点与所述被测样品(6)的表面之间的面型高度差H，并基于所述面型高度差H控制所述成像系统(1)或被测样品(6)沿Z轴移动，使所述成像系统(1)自动聚焦至所述被测样品(6)，包括：

当接收到第一触发信号时，实时获取并记录所述距离V1，同时记录所述成像系统(1)或被测样品(6)的Z轴当前坐标V2，并根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H；

当接收到第二触发信号时，基于所述面型高度差H控制所述成像系统(1)或被测样品(6)沿Z轴移动，使所述成像系统(1)自动聚焦至所述被测样品(6)；

其中，第一触发信号与第二触发信号之间的间隔时间T＝S/V，S为所述光谱共焦位移传感器(2)的中心轴线与所述成像系统(1)的中心轴线之间的距离，V为被测样品(6)的移动速度。

8.如权利要求7所述的光学检测自动聚焦方法，其特征在于，所述根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H，包括：

根据所述距离V1和Z轴当前坐标V2计算面型高度差H；

连续记录多组面型高度差H，将多组面型高度差H写入先入先出数组H_Array，并利用移动平均算法计算数组H_Array中面型高度差H的平均值SMC；

根据平均值SMC和被测样品(6)的限制值生成面型高度差H允许的最大值H_max和最小值H_min；

利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整。

9.如权利要求8所述的光学检测自动聚焦方法，其特征在于，所述利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整，包括：

判断面型高度差H是否大于等于最小值H_min且小于等于最大值H_max；

若是，则本次的面型高度差H为有效值，并输出面型高度差H的值；

若面型高度差H大于最大值H_max，则本次的面型高度差H为无效值，将本次的面型高度差H替换为最大值H_max；

若面型高度差H小于最小值H_min，则本次的面型高度差H为无效值，将本次的面型高度差H替换为最小值H_min。

10.如权利要求8或9所述的光学检测自动聚焦方法，其特征在于，所述利用允许的最大值H_max和最小值H_min对面型高度差H进行判断和调整，还包括：

利用样条曲线插值算法对数组H_Array中的数据进行圆滑处理，并输出数组H_Array中的面型高度差H_T；其中，面型高度差H_T为接收到第二触发信号时计算出来的面型高度差H。