本申请涉及一种点阵推扫光谱共聚焦装置，包括光斑发射组件，成像组件、分光棱镜、探测组件；所述光斑发射组件用于输出点阵状光斑；所述成像组件包括依次设置的第一准直镜头、色差物镜，点阵状光斑穿过所述第一准直镜头与色差物镜，用于对所述光斑发射组件发出的点阵状光斑进行成像；所述探测组件包括依次设置的探测点阵、第二准直镜头、衍射光栅、第三准直镜头、探测器，用于接收经所述分光棱镜反射的光线。本发明通过检测点错位设计，避免串扰，解决了线光谱共焦存在单点光斑弥散影响与周围检测点串扰问题；本发明的振荡反射镜高频率周期

  (19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 114720393 A (43)申请公布日 2022.07.08 (21)申请号 4.5 (22)申请日 2022.04.08 (71)申请人 聚时科技（上海）有限公司 地址 200090 上海市杨浦区杨树浦路2300 号3B层B02-59室 (72)发明人 董兆国 (74)专利代理机构 武汉天领众智专利代理事务 所(普通合伙) 42300 专利代理师 刘诚 (51)Int.Cl. G01N 21/25 (2006.01) G01N 21/01 (2006.01) G01B 11/06 (2006.01) G01B 11/00 (2006.01) 权利要求书1页 说明书5页 附图7页 (54)发明名称 一种点阵推扫光谱共聚焦装置 (57)摘要 本申请涉及一种点阵推扫光谱共聚焦装置， 包括光斑发射组件，成像组件、分光棱镜、探测组 件；所述光斑发射组件用于输出点阵状光斑；所 述成像组件包括依次设置的第一准直镜头、色差 物镜，点阵状光斑穿过所述第一准直镜头与色差 物镜，用于对所述光斑发射组件发出的点阵状光 斑进行成像；所述探测组件包括依次设置的探测 点阵、第二准直镜头、衍射光栅、第三准直镜头、 探测器，用于接收经所述分光棱镜反射的光线。 本发明通过检测点错位设计，避免串扰，解决了 线光谱共焦存在单点光斑弥散影响与周围检测 点串扰问题；本发明的振荡反射镜高频率周期震 A 荡，提高在非扫描轴的采样密度；本发明在扫描 3 方向运动硅片，以线扫相机高频率采样，提高产 9 3 0 率。 2 7 4 1 1 N C CN 114720393 A 权利要求书 1/1页 1.一种点阵推扫光谱共聚焦装置，其特征是，包括光斑发射组件，成像组件、分光棱 镜(4)、探测组件；所述光斑发射组件用于输出点阵状光斑；所述成像组件包括依次设置的 第一准直镜头(5)、色差物镜(7)，点阵状光斑穿过所述第一准直镜头(5)与色差物镜(7)，用 于对所述光斑发射组件发出的点阵状光斑进行成像；所述探测组件包括依次设置的探测点 阵(8)、第二准直镜头(9)、衍射光栅(10)、第三准直镜头(11)、探测器(12)，经所述分光棱镜 (4)反射的光线依次经过所述探测点阵(8)、所述第二准直镜头(9)、所述衍射光栅(10)、所 述第三准直镜头(11)及所述探测器(12)。 2.依据权利要求1所述的点阵推扫光谱共聚焦装置，其特征是，所述光斑发射组件包 括光源(1)、照明镜头(2)、投影点阵(3)，所述照明镜头(2)设置于所述光源(1)与所述投影 点阵(3)之间；所述光源(1)照射的光束经过所述照明镜头(2)的传导后，入射至所述投影点 阵(3)，所述投影点阵(3)将光束投影成点阵状光斑。 3.依据权利要求2所述的点阵推扫光谱共聚焦装置，其特征是，所述投影点阵(3)包 括遮光层(14)、透光孔(15)，所述透光孔(15)呈点阵状设置在所述遮光层(14)上。 4.依据权利要求3所述的点阵推扫光谱共聚焦装置，其特征是，所述透光孔(15)内径 不大于所述第一准直镜头(5)的艾里斑直径。 5.依据权利要求1所述的点阵推扫光谱共聚焦装置，其特征是，所述成像组件还包括 倾斜设置的振荡反射镜(6)，所述振荡反射镜(6)设置在所述第一准直镜头(5)与所述色差 物镜(7)之间。 6.依据权利要求5所述的点阵推扫光谱共聚焦装置，其特征是，所述振荡反射镜(6) 沿光轴中心周期振荡。 7.依据权利要求1所述的点阵推扫光谱共聚焦装置，其特征是，所述衍射光栅(10)为 振荡式衍射光栅，其沿光轴中心周期振荡。 8.依据权利要求1所述的点阵推扫光谱共聚焦装置，其特征是，所述第三准直镜头 (11)为汇聚镜头。 2 2 CN 114720393 A 说明书 1/5页 一种点阵推扫光谱共聚焦装置 技术领域 [0001] 本发明涉及光谱共聚焦装置技术领域，具体涉及一种点阵推扫光谱共聚焦装置。 背景技术 [0002] 白光由许多单色光组成的。光在不同介质中传播可能会出现角度偏差的现象产生， 而实际的白光照射下不同介质将有很多单线光的折射。光学材料对于不同单色光的折射率 是不同的，也就是折射角度不同波长愈短折射率愈大，波长愈长折射率愈小。同一薄透镜对 不同单色光，每一种单色光都有不同的焦距，按色光的波长由短到长，它们的像点离开透镜 由近到远地排列在光轴上，这样成像就产生了色差透镜错误。色差透镜错误使成像产生色 斑或晕环。光谱共焦测量方法利用这种物理现象的特点，利用特殊透镜，延长不一样的颜色 光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测产品到透镜的距离，会对应一 个精确波长的光聚焦到被测产品上。经过测量反射光的波长，就能够获得被测产品到透镜 的精确距离。 [0003] 光谱共焦技术是一种基于轴向色差和色彩编码技术的光学检测的新方法，将传感器发 射端发出的复色光色散为波长连续的光谱，通过色彩编码，将波长准确映射到被测产品，通 过测量反射光的波长，建立传感器距离与波长间的对应关系，获取被测产品的位置信息。 [0004] 如图1所示，光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，经过准直和色 散物镜聚焦后发生光谱色散，在像面上形成沿着光轴方向不同波长连续分布的单色光焦 点，且每个波长的单色光焦点到被测产品的距离都不同。当被测产品处于测量范围内某一 位置时，只有特定波长的光在被测面上是聚焦状态，该波长的光由于满足共焦条件，可以从 被测产品表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测产品面表面处于离 焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分其余波长的光线无 法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到回波光强最大处的波长值，从而测得被测产品对应的 距离值。由于采用了共焦技术，因此该方法拥有非常良好的层析特性，提高了分辨力，并且对被 测产品特性和环境杂光不敏感。 [0005] 光谱共焦技术主要使用在于3C/半导体领域的三维形貌、平整度、粗糙度的测量及检 测，如手机面板玻璃轮廓度及边缘检测，电路缺陷检验测试，精密结构件尺寸检测，芯片封装外 观检测，芯片焊珠共面性检测，晶圆检测等。 [0006] 但是，目前线光谱共焦传感器系统还存在以下设计难点：线光谱共焦技术中，经常 会出现单点光斑不能会聚于一点，形成一个扩散的光斑，出现弥散的现象。单点光斑弥散会 让其余周围检测点串扰，进而出现检测效率低，数据量大等问题。 发明内容 [0007] 本申请实施例提供一种点阵推扫光谱共聚焦装置，以解决以上问题。 [0008] 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是： [0009] 一种点阵推扫光谱共聚焦装置，包括光斑发射组件，成像组件、分光棱镜、探测组 3 3 CN 114720393 A 说明书 2/5页 件；所述光斑发射组件用于输出点阵状光斑；所述成像组件包括依次设置的第一准直镜头、 色差物镜，点阵状光斑穿过所述第一准直镜头与色差物镜，用于对所述光斑发射组件发出 的点阵状光斑进行成像；所述探测组件包括依次设置的探测点阵、第二准直镜头、衍射光 栅、第三准直镜头、探测器，经所述分光棱镜反射的光线依次经过所述探测点阵、所述第二 准直镜头、所述衍射光栅、所述第三准直镜头及所述探测器。 [0010] 一些实施例中，所述光斑发射组件包括光源、照明镜头、投影点阵，所述照明镜头 设置于所述光源与所述投影点阵之间；所述光源照射的光束经过所述照明镜头的传导后， 入射至所述投影点阵，所述投影点阵将光束投影成点阵状光斑。 [0011] 一些实施例中，所述投影点阵包括遮光层、透光孔，所述透光孔呈点阵状设置在所 述遮光层上。 [0012] 一些实施例中，所述透光孔内径不大于所述第一准直镜头的艾里斑直径。 [0013] 一些实施例中，所述成像组件还包括倾斜设置的振荡反射镜，所述振荡反射镜设 置在所述第一准直镜头与所述色差物镜之间。 [0014] 一些实施例中，所述振荡反射镜沿光轴中心周期振荡。 [0015] 一些实施例中，所述衍射光栅为振荡式衍射光栅，其沿光轴中心周期振荡。 [0016] 一些实施例中，所述第三准直镜头为汇聚镜头。 [0017] 本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：(1)本发明通过检测点错位设计，避 免串扰，解决了线光谱共焦存在单点光斑弥散影响与周围检测点串扰问题；(2)本发明的振 荡反射镜高频率周期震荡，提高在非扫描轴的采样密度。 附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技方案，下面将对实施例描述中所需要用 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，还能够准确的通过这些附图获得其他的 附图。 [0019] 图1为本发明现有光谱共焦技术结构示意图； [0020] 图2为本发明线扫光谱共焦检测的第一结构示意图； [0021] 图3为本发明投影点阵第一结构示意图； [0022] 图4为本发明振荡反射镜推扫过程结构示意图； [0023] 图5为本发明被测产品采样点分布结构示意图； [0024] 图6为本发明探测器检测到的点阵光谱信息结构示意图； [0025] 图7为本发明线扫光谱共焦检测的第二结构示意图； [0026] 图8为本发明投影点阵第二结构示意图； [0027] 图9为本发明振荡衍射光栅推扫过程结构示意图； [0028] 图10为本发明光谱随衍射光栅振荡调制经过探测器结构示意图； [0029] 图11为本发明第一时刻检测光斑光谱在探测面分布结构示意图； [0030] 图12为本发明被测产品采样点结构示意图。 [0031] 图中：1、光源；2、照明镜头；3、投影点阵；4、分光棱镜；5、第一准直镜头；6、振荡反 射镜；7、色差物镜；8、探测点阵；9、第二准直镜头；10、衍射光栅；11、第三准直镜头；12、探测 4 4 CN 114720393 A 说明书 3/5页 器；13、被测产品；14、遮光层；15、透光孔。 具体实施方式 [0032] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是 本申请的一部分实施例，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 员在没做出创造性劳动的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。 [0033] 请参考图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图11和图12所示，本实施例提供了一 种点阵推扫光谱共聚焦装置，包括光斑发射组件，成像组件、分光棱镜4、探测组件；所述光 斑发射组件用于输出点阵状光斑；所述成像组件包括依次设置的第一准直镜头5、色差物镜 7，点阵状光斑穿过所述第一准直镜头5与色差物镜7，用于对所述光斑发射组件发出的点阵 状光斑进行成像；所述探测组件包括依次设置的探测点阵8、第二准直镜头9、衍射光栅10、 第三准直镜头11、探测器12，经所述分光棱镜4反射的光线及所述探测器12用于接收经所述分光 棱镜4反射的光线] 一些实施例中，所述光斑发射组件包括光源1、照明镜头2、投影点阵3，所述照明镜 头2设置于所述光源1与所述投影点阵3之间；所述光源1照射的光束经过所述照明镜头2的 传导后，入射至所述投影点阵3，所述投影点阵3将光束投影成点阵状光斑。 [0035] 一些实施例中，所述投影点阵3包括遮光层14、透光孔15，所述透光孔15呈点阵状 设置在所述遮光层上。 [0036] 一些实施例中，所述透光孔15内径不大于所述第一准直镜头5的艾里斑直径。 [0037] 一些实施例中，所述成像组件还包括振荡反射镜6，所述振荡反射镜6设置在所述 第一准直镜头5与所述色差物镜7之间。 [0038] 一些实施例中，所述振荡反射镜6沿光轴中心周期振荡。 [0039] 一些实施例中，所述衍射光栅10为振荡式衍射光栅，其沿光轴中心周期振荡 [0040] 一些实施例中，所述第三准直镜头11为汇聚镜头。 [0041] 实施例1 [0042] 如图2、图3、图4、图5、图6所示，本实施例展示了一种利用振荡反射镜6、错位点阵、 高频线扫相机来提高线光谱共焦采样密度、避免串扰、提高产率的方案。 [0043] 本实施例的工作原理为：照明光路照射在投影点阵3上，经过色差物镜7投影到被 测产品13上，含有高度信息的光谱信息被色差物镜7成像到探测点阵8上，不同高度聚焦的 波长不同，形成权重不同的波长信息，根据波长权重可以计算出被测点高度。 [0044] 为避免检测光谱相互串扰，相邻检测点的光谱在探测面错开。为提高因错开而降 低的采样，通过被测产品13沿点阵短边方向运动，振荡反射镜6使检测点沿被测产品13非运 动方向扫描，得到高密度采样。 [0045] 图2为线扫光谱共焦检测的结构示意图，光源1经过照明镜头2照射在投影点阵3上 形成点阵光斑，点阵光斑穿过所述分光棱镜4，且所述点阵光斑经过所述第一准直镜头5，并 经过所述振荡反射镜6的反射穿过所述色差物镜7，之后成像在被测产品13上。携带物面高 度信息的点阵光斑经所述被测产品13的物面反射再经过所述色差物镜7和第一准直镜头5 5 5 CN 114720393 A 说明书 4/5页 成像，由所述分光棱镜4反射进入所述探测点阵8。被测产品13物面位置对应聚焦的光谱可 以完美透过达到最高能量，经过所述第二准直镜头9平行照射在衍射光栅10上，再由所述第 三准直镜头11成像在探测器12上。所述第三准直镜头11为汇聚镜头。 [0046] 图3为投影点阵3的一个实施例示意图，透光孔15大小不大于所述第一准直镜头5 的艾里斑直径，除点阵状透光孔15，其余区域为遮光层14，透光孔15间隔满足在探测面两两 分离，进而实现采样点间不相互串扰。 [0047] 图4为振荡反射镜推扫过程示意图，振荡反射镜6沿光轴中心高频周期振荡，使探 测点阵8沿点阵分布方向周期震荡，探测点阵8经过被测产品13物面反射被所述色差物镜7 准直后再次经过振荡反射镜6，此时光轴倾斜被补偿，经过第一准直镜头5和分光棱镜4后， 检测光斑不偏离的照射在所述探测点阵8上。振荡反射镜6为起始位置，振荡反射镜6后，检 测光束发生倾斜，检测点阵发生一定偏移。 [0048] 图5为被测产品13采样点分布示意图，随着振荡反射镜6周期倾斜震动，扫描点沿 扫描方向周期变化，被测产品13沿共交方向挪动，形成高密度采样。 [0049] 图6为探测器12检测到的点阵光谱信息示意图，检测点的光谱信息两两分离，第一 检测点光谱随被测高度变化能量分布发生明显的变化。 [0050] 实施例2 [0051] 本实施例的工作原理为：光源1照射在呈点阵状设置的透光孔15上，经过所述色差 物镜7投影到被测产品13上，含有高度信息的光谱信息被所述色差物镜7成像到所述探测点 阵8上，不同高度聚焦的波长不同，形成权重不同的波长信息，根据波长权重可以计算出被 测点高度。探测点光谱扩散方向沿所述探测器12短边方向，通过振荡的衍射光栅10使光谱 在探测器12短边周期振荡，从而探测到全光谱信息。将探测点阵8列错开布局使检测位置等 间距、无串扰。再匀速移动被测产品13，得到被测产品13高度的高密度采样信息。 [0052] 图7为第二实施例线扫光谱共焦检测的示意图，光源1经过照明镜头2照射在投影 点阵3上形成点阵光斑，点阵光斑经过第一准直镜头5和色差物镜7成像在被测产品13上，携 带物面高度信息的点阵光斑经物面反射再经过色差物镜7和准直镜头成像，由分光棱镜4反 射进入探测点阵8，物面位置对应聚焦的光谱可以完美透过达到最高能量，经过准直镜头平 行照射在衍射光栅10上，再由第三准直镜头11成像在探测器12上。所述第三准直镜头11为 汇聚镜头。光谱色散方向与线扫相机短边方向一致。 [0053] 图8为投影点阵3的一个实施例，透光孔15内径不大于准直镜头的艾里斑直径，除 呈点阵状设置的透光孔15，其余区域为遮光层14，透光孔15层间隔满足在探测面两两分离。 实现采样点间不相互串扰。长边方向分布满足等间距，即为采样密度。 [0054] 图9为振荡衍射光栅10推扫过程结构示意图，衍射光栅10沿光轴中心高频周期振 荡，使探测面光谱阵沿投影点阵3短边方向周期震荡，探测器12接收到的能量随衍射光栅10 姿态发生明显的变化， [0055] 图10为光谱随衍射光栅10振荡调制经过探测器示意图，第一时刻光谱分布未经过 探测器12，第二时刻光谱分布正经过探测器12，第三时刻光谱分布逐渐远离探测器12，由此 单个像元探测到的能量随时间变化，读出峰值对应波长，就能读出检测点的高度 [0056] 图11为第一时刻检测光斑光谱在探测面分布示意图。检测点阵的光谱在探测面两 两分离，随着衍射光栅10振荡，各探测点光谱逐步进入探测器12。 6 6 CN 114720393 A 说明书 5/5页 [0057] 图12为被测产品采样结构示意图，衍射光栅10振荡半个周期可以检测一个点阵对 应的被测产品13表面位置，被测产品13沿着点阵短边方向匀速移动，就可以生成等间距、高 密度的采样点，去除开始和结束位置由于点阵布局无法检测的区域，就能够获得被测产品 13高度的高密度高度分布。 [0058] 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 所指的装置或元件一定要有特定的方位、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，也能够最终靠中间媒介间接相连，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，能够准确的通过详细情况理解上述术语在本申请中的具体含义。 [0059] 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 之间有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。 [0060] 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。 7 7 CN 114720393 A 说明书附图 1/7页 图1 图2 8 8 CN 114720393 A 说明书附图 2/7页 图3 9 9 CN 114720393 A 说明书附图 3/7页 图4 10 10 CN 114720393 A 说明书附图 4/7页 图5 图6 11 11 CN 114720393 A 说明书附图 5/7页 图7 图8 12 12 CN 114720393 A 说明书附图 6/7页 图9 图10 图11 13 13 CN 114720393 A 说明书附图 7/7页 图12 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