[发明专利]一种基于双波段探测的双轴光谱线共焦传感器

说明书

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。

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。