一种大口径超精密表面的暗场缺陷检测装置及其测量方法与流程

本发明涉及材料检测领域，具体涉及一种大口径超精密表面的暗场缺陷检测装置及其测量方法。

背景技术：

金属元件或光学元件在切割、研磨、抛光、清洗过程中，不可避免地会在材料表面产生各种缺陷，这些缺陷在很大程度上影响各种元件的性能。

暗场成像法具有装置简单、测量速度快、确定性高的特点，在表面缺陷的检测中应用较为广泛。其原理是：相机垂直于待测样品，照明光源以特定的照明角度照射样品表面。当样品表面不存在缺陷时，光源发出的光线被样品镜面反射出去，没有光线进入相机镜头；当样品表面存在缺陷时，缺陷部分将光源发出的光线散射，使得一部分光线进入相机镜头，可以通过图像处理还原缺陷的位置和大小。

暗场成像法的照明方式对测量对比度有很大影响，目前的检测装置存在方向依赖的缺点，对于不同方向、不同界面的缺陷，检测效果有所差异。并且为了提高缺陷检测的分辨率，经常使用显微镜头对表面进行暗场成像，由于显微镜头的视场很小，测量中需进行人工干预，先找出大概的缺陷位置，再进行针对性的测量，其最大的缺点是效率低、无法自动测量整体表面的缺陷，不适合进行大口径超精密元件的表面缺陷检测。另外，由于透明元件具有一些与不透明元件不同的特点，测量中受到背景光影响较大，需做针对性的处理。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：现有暗场成像法存在效率低、无法自动测量整体表面的缺陷的问题，提供一种大口径超精密表面的暗场缺陷检测装置和测量方法，能够采用位移装置进行待测样品表面的全场扫描，并且具有结构简单、图像对比度高、全场自动化测量、材料种类适应性广等优点，因而本发明能够用于科学研究和工业制造中对大口径超精密表面缺陷的成像检测。

本发明通过下述技术方案实现：

一种大口径超精密表面的暗场缺陷检测装置，包括光源，样品固定架和成像显微镜，

所述成像显微镜位于样品固定架上方且与待测样品的待测表面垂直设置，样品固定架和成像显微镜之间设置有顶端开口的穹顶罩，所述光源固定在穹顶罩内侧壁上，光源发出的照明光倾斜照射到待测样品上，且待测样品上的主反射光反射到穹顶罩外侧，待测样品上的散射光经过穹顶罩的顶端开口进入到成像显微镜内。

本发明中，待测样品为大口径超精密表面，光源与成像显微镜的光轴重合，将成像显微镜垂直于大口径超精密表面放置，并令待检测区域与成像显微镜的成像面重合。光源发出的照明光斜入射到大口径超精密表面，主反射光倾斜反射到穹顶罩外侧。当大口径超精密表面存在缺陷时，该缺陷使得照明光产生散射光，这些散射光偏离了主反射光的传输路径，因此有一部分的散射光会经过穹顶罩顶端的开口进入到成像显微镜参与成像。由于主反射光不能参与成像，因此只有大口径超精密表面存在缺陷的地方才能激发散射光并成明亮的像；而没有缺陷的地方不能激发散射光，因此在图像上是黑色的。这样就在黑色的背景上形成了鲜明的缺陷图像，具有非常高的对比度。测量过程中，大口径超精密表面可在位移单元的驱动下移动，实现不同待检测区域的检测，使得每次测量的区域可以通过后续的拼接处理合成为整个表面的缺陷图像。

本发明通过结构的优化设置，能够有效用于大口径超精密金属元件或光学元件的暗场成像检测，满足光学制造和半导体工业等领域对材料表面缺陷的检测需求。并且，本发明具有结构简单、图像对比度高、全场自动化测量、材料种类适应性广等优点，效果十分显著。

进一步，所述成像显微镜的口径尺寸小于穹顶罩顶端开口的口径尺寸，以防止视场遮挡。

进一步，为了达到最佳的对比效果，所述光源发出的照明光为白色或蓝色。

进一步，所述样品固定架包括位移装置和设置在位移装置上用于放置待测样品的支撑装置，所述位移装置为在水平面上便于沿着x轴和y轴移动的位移机构。

为了适用于透明材质的大口径超精密表面缺陷的暗场显微成像测量，本发明中安装有支撑装置的位移装置上表面上设置有一层吸光层。所述吸光层与支撑装置上的待测样品之间具有空隙间隔层。

通过上述结构的设置能有效防止位移装置表面的散射光等背景光进入到镜头，避免背景光的干扰，提高检测准确度。上述吸光层和支撑装置在检测不透明的大口径超精密表面时，可以撤去也可以保留。

本发明还提供了一种大口径超精密表面的暗场缺陷检测装置的检测方法，包括：

第一步，将待测样品固定在支撑装置上，开启光源，调整光源的高度使光源发出的照明光倾斜照射到待测样品上，且待测样品上的主反射光反射到穹顶罩外侧，且调整成像显微镜，令待测样品的待检测区域与成像显微镜的成像面重合；

第二步，移动样品固定架测量待测样品的不同待检测区域；

第三步，将每次测量的区域通过后续的拼接处理合成为整个表面的缺陷图像。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明能够有效用于大口径超精密金属元件或光学元件的暗场成像检测，满足光学制造和半导体工业等领域对材料表面缺陷的检测需求；

2、本发明具有结构简单、图像对比度高、全场自动化测量、材料种类适应性广等优点，效果十分显著。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明测量装置测量不透明材质的待测样品时的结构示意图。

图2为本发明测量装置测量透明材质的待测样品时的结构示意图。

图3为待测样品为透明元件时的消除背景光原理示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-光源，2-位移装置，3-成像显微镜，4-支撑装置，5-待测样品，6-穹顶罩，7-照明光，8-主反射光，9-吸光层，10-空隙间隔层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种大口径超精密表面的暗场缺陷检测装置，如图1所示，用于检测不透明材质的待测样品，待测样品为大口径超精密表面。

本发明的检测装置包括：光源1，用于放置待测样品5的样品固定架，成像显微镜3和穹顶罩6，如图1所示。

本发明中光源1设置在穹顶罩6中，待测样品5固定在样品固定架上，成像显微镜3位于待测样品5上方，穹顶罩6位于待测样品5和成像显微镜3之间。

使用时，开启光源1，调整光源1的高度使光源1发出的照明光7倾斜照射到待测样品5上，且待测样品5上的主反射光8反射到穹顶罩6外侧，且调整成像显微镜3，令待测样品5的待检测区域与成像显微镜3的成像面重合。

当待检测区域存在缺陷时，待测样品5上会产生散射光，散射光经过穹顶罩6的顶端开口进入到成像显微镜3内形成亮色影像；当待检测区域不存在缺陷时，待测样品5上则不会产生散射光，仅仅只有主反射光8，由于主反射光8不会进入到成像显微镜3内成像，因而成像显微镜3中显示为黑色影像。移动样品固定架测量待测样品5的不同待检测区域；将每次测量的区域通过后续的拼接处理合成为整个表面的缺陷图像。

本发明中样品固定架为可以驱使待测样品5沿着x轴和y轴移动的位移机构。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例进一步优化了各部位结构的设置，能有效提高检测的效果，具体设置如下：

首先，优化了光源1的设置，本发明中光源1发出照明光7优选为白色或蓝色。其次，优化了成像显微镜3与穹顶罩6之间的设置，即，成像显微镜3的口径尺寸小于穹顶罩6顶端开口的口径尺寸。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中优化了样品固定架的结构，有效适用于检测透明材质的待测样品，即适用于大口径超精密表面为透明的元件，具体设置如下：

本实施例中的样品固定架包括位移装置2和设置在位移装置2上的支撑装置4。该位移装置2为在水平面上便于沿着x轴和y轴移动的位移机构，位移装置2上表面上设置有一层吸光层9，待测样品5在改支撑装置4上悬空放置，即，吸光层9与支撑装置4上的待测样品5之间具有空隙间隔层10，如图2所示。

本实施例与实施例1中光线的原理如图3所示，待测样品5上的部分透射光线经下表面反射后斜出射，另一部分透射光到达支撑装置4下的吸光层9，并被吸收，以防止背景光进入镜头。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。