一种基于散射光飞行时间差的表面细微缺陷重建方法技术

本发明专利技术属于光学表面缺陷检测技术领域，具体为一种基于散射光飞行时间差的表面细微缺陷重建方法。本发明专利技术针对目前暗场散射缺陷检测系统光场多维度信息利用率低，无法直接测量缺陷尺寸及对缺陷进行分类、无法避免入射光在表面产生的二次或多次反射而被影响的串扰等问题，提出了一种基于散射光飞行时间的表面细微缺陷几何特征重建的计算方法以及相应的三维重建模型。本发明专利技术依据光源

【技术实现步骤摘要】
一种基于散射光飞行时间差的表面细微缺陷重建方法


[0001]本专利技术涉及光学表面缺陷检测
，具体涉及一种基于散射光飞行时间差的表面细微缺陷重建方法。

技术介绍

[0002]暗场散射法是一种表面缺陷检测的常用技术。基于暗场的照明系统比明场照明系统具有更高的检测灵敏度，使用明场的检测系统最小可检缺陷尺寸接近系统自身的分辨率，而使用暗场则可以检测到尺寸远小于分辨率的缺陷，且该优势是由光学成像系统本身的性质决定的。成像系统都是衍射受限系统，因此必定存在像差和光学衍射效应，这会使得物方的发光点在像面上出现弥散和展宽，对于明场系统，发光点是缺陷周围的正常表面区域，在展宽后会将缺陷信号淹没；而对于暗场系统，发光点是缺陷本身，探测器接收的是缺陷的散射光，故展宽效应则会使其在图像上更加明显，进而得到高对比度的图像。
[0003]然而，当前主流暗场散射检测技术仍然停留在基于缺陷散射光强度的空间分布来识别缺陷种类和尺寸，其中一个常用方法便是采用电磁学仿真获取已知缺陷类型的远场衍射强度分布形成数据库，再与实际实验获取的图像进行间接地比对，从而达到识别缺陷种类与尺寸的目的。目前暗场散射缺陷检测系统光场多维度信息利用率低，无法直接测量缺陷尺寸及对缺陷进行分类、无法避免入射光在表面产生的二次或多次反射而被影响的串扰等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对目前暗场散射缺陷检测系统光场多维度信息利用率低，无法直接测量缺陷尺寸及对缺陷进行分类、无法避免入射光在表面产生的二次或多次反射而被影响的串扰等问题，提出了一种基于暗场散射飞行时间的表面细微缺陷几何特征重建的计算方法和三维重建模型。该计算方法依据多路光源
‑
表面缺陷几何关系和单路表面缺陷
‑
探测器采样点的相对位姿关系，巧妙的运用散射光飞行时间差这一信息来避开对光束从缺陷至探测器这一复杂传播过程的讨论，将缺陷的特征信息锁定在光源至表面缺陷这一线性传播路径中，进而提高了暗场散射检测系统对表面缺陷几何特征的检测能力。
[0005]本专利技术的技术方案具体介绍如下。
[0006]本专利技术提供一种基于散射光飞行时间差的表面细微缺陷重建方法，其基于暗场散射光飞行时间测量系统对待测样品的表面进行缺陷重建，其将两路入射光束经过时域调制后照明于待测样品的表面并被细微缺陷散射，再经过单路光学显微系统进入光电探测器获取信号，通过收集待测样品不同空间点的散射光信号，分析多路光束散射光信号的飞行时间并计算飞行时间差，以求出三维空间下待测样品的表面梯度进而重建表面形貌；具体步骤如下：
[0007]1)对每路光源进行周期性时域调制，光源的时域信号表示为I
s
；
[0008]2)将其中2路光源时域调制辐射下采集到不同空间点的光信号数据整理为矩阵形
式，信号数据被视作2个规格为[W,H,n]的数据立方体，其空间分辨率为W
×
H，W,H,n由光电探测器参数和实际实验拍摄时长确定，光电探测器长H个像素，宽W个像素，每个空间分辨点有n帧数据：
[0009][0010]每个数据立方体的最后一维数据表示光电探测器第i个像素的散射光信号时域分布i∈(1,W*H)，将其与邻域空间点的散射光信号时域分布作互相关运算，一路光束散射到相差一个像素点的间隔的相邻空间点的两个信号间的时间延迟τ
l
定义为取互相关函数最大值：
[0011][0012]根据惠更斯衍射定律，散射光束的飞行时间t
l
包含两个过程，其一为光源到物体的过程，其二为物体到观察点的过程，分别为和而对于同一空间点的2路光束入射方向，由于观察点与待测样品相对空间位置不变，因此为一定值，而则由入射光源的入射方向和入射位置决定，所以2路光束求取的时间延迟τ
l1
、τ
l2
和它们各自过程中第一个过程即光源到物体待测表面第一接触点所对应的飞行时间满足：
[0013][0014]其中τ
l1
，τ
l2
由公式(3)求解，分别表示两路光束中两个相邻空间点的时间延迟；
[0015]进而，定义2路光束照射下相邻两空间点的散射光飞行时间差
[0016][0017]二维笛卡尔坐标空间中，一路光束中第一过程即光源到物体第一接触点对应的时间延迟与两空间点对应表面的几何特征满足以下约束关系：
[0018][0019]其中α为光源入射的时间调制等相面与待测样品宏观表面法线的夹角，当光源视为平面波入射时，空间中各点的等相面视作一个空间平面；c为光速；为光束自光源到物体表面第一接触点的飞行时间和横向方向偏移的比率；为相邻空间点纵向深度对横向方向偏移的比率，当横向偏移足够小时，该比率也被称为表面梯度；
[0020]为了应用于三维笛卡尔坐标空间，对二维笛卡尔坐标空间中散射光飞行时间差和待测样品几何形貌的约束关系进行一定的拓展，具体为：
[0021]①
在三维空间中，具有方向(cosθ
x
,cosθ
y
,cosθ
z
)的入射光线可能不会位于XZ截面，尽管它们落在该截面上；这表明对应于相移的能量传输长度是而不是即：
[0022][0023]②
相应入射角度参量α被修正为：
[0024][0025]③
在处理YZ截面时，θ
y
和θ
x
交替之前的位置；
[0026]因此将式(7)、式(8)代入式(6)，飞行时间差与待测样品表面梯度的三维空间关系式表示为：
[0027][0028]进而，将公式(4)，(5)代入公式(9)，依据2个入射光束的飞行时间差求出三维空间下待测样品的表面梯度：
[0029][0030]其中Δt表示2路光束照明下相邻两空间点的散射光飞行时间差，由公式(3)、(4)、(5)求解获得，(cosθ
x1
,cosθ
y1
,cosθ
z1
)，(cosθ
x2
,cosθ
y2
,cosθ
z2
)分别为两路光束的入射方向余弦，Δx为待测样品沿横向的偏移，Δz为待测样品沿纵向深度的偏移；
[0031]3)基于获取的表面梯度通过梯度积分的方式重建表面形貌。
[0032]本专利技术中，步骤1)中，对每路光源进行余弦调制。
[0033]本专利技术中，入射光速替换为多于2路，当多于2路时，将光束分为2路光束为一组按照步骤2)进行计算并取加权平均，最终求出三维空间下待测样品的表面梯度。
[0034]本专利技术中，步骤3)中，使用最小二乘方法重建表面形貌。
[0035]和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0036]本专利技术依据光源
‑
缺陷
‑
探测点的相对空间位姿关系，将计算数据的来源聚焦于光束自光源出发与物体表面第一接触点这一过程，巧妙利用散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于散射光飞行时间差的表面细微缺陷重建方法，其特征在于，其基于暗场散射光飞行时间测量系统对待测样品的表面进行缺陷重建，其将两路入射光束经过时域调制后照明于待测样品的表面并被细微缺陷散射，再经过单路光学显微系统进入光电探测器获取信号，通过收集待测样品不同空间点的散射光信号，分析多路光束散射光信号的飞行时间并计算飞行时间差，以求出三维空间下待测样品的表面梯度进而重建表面形貌；具体步骤如下：1)对每路光源进行周期性时域调制，光源的时域信号表示为I
s
；2)将其中2路光源时域调制辐射下采集到不同空间点的光信号数据整理为矩阵形式，信号数据被视作2个规格为[W,H,n]的数据立方体，其空间分辨率为W
×
H，W,H,n由光电探测器参数和实际实验拍摄时长确定，光电探测器长H个像素，宽W个像素，每个空间分辨点有n帧数据：每个数据立方体的最后一维数据表示光电探测器第i个像素的散射光信号时域分布i∈(1,W*H)，将其与邻域空间点的散射光信号时域分布作互相关运算，一路光束散射到相差一个像素点的间隔的相邻空间点的两个信号间的时间延迟τ
l
定义为取互相关函数最大值：根据惠更斯衍射定律，散射光束的飞行时间t
l
包含两个过程，其一为光源到物体的过程，其二为物体到观察点的过程，分别为和而对于同一空间点的2路光束入射方向，由于观察点与待测样品相对空间位置不变，因此为一定值，而则由入射光源的入射方向和入射位置决定，所以2路光束求取的时间延迟τ
l1
、τ
l2
和它们各自过程中第一个过程即光源到物体待测表面第一接触点所对应的飞行时间满足：其中τ
l1
，τ
l2
由公式(3)求解，分别表示两路光束中两个相邻空间点的时间延迟；公式(4)阐明了时间延迟与散射光束飞行时间的内在关系，进而，定义相邻两空间点、2路光束照明下的散射光飞行时间差下的散射光飞行时间差二维笛卡尔坐标空间中，一路光束中第一过程即光源到物体第一接触点对应的飞行时间与两空间点对应表面的几何特征满足以下约束关系：其中α为光源入射的时间调制等...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令豹，唐鑫岚，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：