微纳器件三维缺陷快速检测装置和方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115219504A(43)申请公布日2022.10.21(21)申请号202210834881.1(22)申请日2022.07.15(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人屈玉福王昊静彭仁举魏双凤张湛舸任佳俊(51)Int.Cl.G01N21/88(2006.01)G01N21/95(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图4页(54)发明名称微纳器件三维缺陷快速检测装置和方法(57)摘要本发明提供了一种光学量测领域的微纳器件三维缺陷快速检测装置和方法。该装置和方法基于通焦扫描光学显微成像(TSOM)原理，具体涉及一种无机械轴向扫描的TSOM装置和快速量测几何尺寸、检测缺陷的TSOM方法。该TSOM装置利用色散物镜与衍射光栅组合，实现光学轴向扫描代替机械轴向扫描，在提高工作速度的同时，充分利用成像系统的光通量，解决了机械扫描带来的侧向偏移和振动干扰的影响。该方法建立了TSOM装置中成像系统的放大率、不同波长的光在探测器表面位置、以及光谱带宽等参数与系统元件参数的关系式，可通过调整系统元件参数以满足量测需求，保留了显微检测视场大的优点，工作速度快，适合在线检测和大批量生产应用。CN115219504ACN115219504A权利要求书1/2页1.一种微纳器件三维缺陷快速检测装置和方法，其特征在于：通焦扫描光学显微成像(TSOM)装置包括：照明模块，利用柱面镜等光学元件，产生一束条形结构的准直光，以照射色散模块；色散模块，利用色散物镜的色散功能，产生离焦照明，以实现TSOM光学轴向扫描；成像模块，利用衍射光栅的分光功能，将光按波长长短展开到探测器的整个成像面上；TSOM装置标定模块，利用激光测距仪进行测距，用于标定TSOM装置；快速采集图像模块，采集探测器上的图像并进行处理，得到实际采集的TSOM图像；尺寸量测及缺陷检测模块，对实际采集的TSOM图像进行数据处理，反演匹配得到微纳器件三维几何尺寸或缺陷。2.根据权利要求1所述的微纳器件三维缺陷快速检测装置，其特征在于：所述色散物镜中的色散透镜具有色散功能，将不同波长的光聚焦在不同的色散焦点位置，因此对应于不同波长的多重焦平面互为共轭面，实现了离焦照明和TSOM光学轴向扫描。3.根据权利要求1所述的微纳器件三维缺陷快速检测装置，其特征在于：所述成像模块中的衍射光栅具有分光功能，将光按波长长短展开到探测器的整个成像面上，不同波长的光成像到探测器的不同列，而每一列又和色散物镜的不同波长的光色散焦点对应，由此实现TSOM光学轴向扫描的快速成像。4.一种微纳器件三维缺陷快速检测的方法，其特征在于：包括：搭建TSOM装置的步骤，使用照明模块、色散模块和成像模块组合，搭建TSOM装置；标定TSOM装置的步骤，使用激光测距仪标定搭建好的TSOM装置；快速采集图像的步骤，使用标定好的TSOM装置快速构建实际采集的TSOM图像；尺寸量测及缺陷检测的步骤，对实际采集的TSOM图像进行数据处理，包括TSOM图像库匹配和TSOM图像机器学习的数据处理方法，反演匹配得到微纳器件三维几何尺寸或缺陷。5.根据权利要求4所述的微纳器件三维缺陷快速检测的方法，其特征在于：在标定TSOM装置的步骤，只需要将搭建好的TSOM装置中所述色散物镜替换为高精度平面反射镜，即可通过平移所述高精度平面反射镜，利用所述双频激光测距仪的输出结果标定成像系统的放大率、不同波长的光经光学系统后落在所述探测器的表面位置、以及光谱带宽等参数与光栅常数、狭缝宽度、入射角、光谱级次和准直镜焦距等的关系，完成TSOM装置的标定。6.根据权利要求4所述的微纳器件三维缺陷快速检测的方法，其特征在于：在快速采集图像的步骤，标定好的TSOM装置一次成像获得待测工件在一个列平面位置的深度方向散射信息，然后根据标定结果，按列映射叠加散射信息，即可获得待测工件在某一个列平面位置的TSOM实际图像，同时沿垂直于列平面的延展方向相对移动待测工件，可获得待测工件垂直于不同列平面延展方向的某一列位置的待测工件散射信息，进而输出不同列位置的TSOM实际图像。7.根据权利要求4所述的微纳器件三维缺陷快速检测的方法，其特征在于：在尺寸量测及缺陷检测的步骤中的TSOM图像库匹配的数据处理方法包括：构建TSOM仿真图像库的步骤，使用计算机进行仿真，生成TSOM仿真图像库；TSOM图像比对及尺寸、缺陷提取的步骤，利用权利要求1所述的TSOM装置快速获取待测2CN115219504A权利要求书2/2页工件感兴趣几何表面区域的TSOM实际图像，与已存储好的匹配库中对应于几何尺寸不同取值的标准TSOM仿真图像进行比较，将最接近TSOM实际图像的TSOM仿真图像所对应的几何尺寸