CN115145128A - 一种调焦调平装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调焦调平装置与方法，装置包括：位移台，用于承载待测目标物；光学成像系统，位于待测目标物远离位移台的一侧；垂向位移传感器，用于测量待测目标物的面型；驱动机构，使位移台随横向轴和/或纵向轴移动；垂向轴以使光学成像系统随垂向轴移动；控制器分别与光学成像系统、垂向位移传感器和驱动机构连接，基于光学成像系统采集的待测目标物图像，计算待测目标物图像的模糊尺度，结合模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系，计算出反馈补偿离焦量，根据反馈补偿离焦量更新垂向轴的期望位置。以实现在线补偿离焦量。

Description

一种调焦调平装置与方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种调焦调平装置与方法。

背景技术

随着工业自动化、智能化的深入及普及，使用自动光学检测设备(Auto OpticalInspection,AOI)替代传统的人工目检，已成为技术发展趋势。AOI设备凭借其快速、精确的缺陷识别定位能力，在汽车、医药、交通、半导体等领域广泛使用。

在半导体集成电路制程中，晶圆要经过涂胶、曝光、显影、高温氧化、扩散等工序。随着摩尔定律的飞速发展，微电子器件的尺寸不断缩小，制程工艺越来越复杂，对于单步过程中完成的质量要求越来越高，需要对上述每一步的完成质量进行检测，反馈控制。AOI作为一种极其重要的检测手段，在上述的每一个工艺环节都起到了不可替代的作用。

由于微电子器件尺寸的不断缩小，AOI的水平向尺寸分辨率必须不断增加，才能对测量对象进行更好的解析。伴随着分辨率的增加，AOI的垂向焦深被不断压缩，从百微米量级降至几微米量级。同时由于不可避免的像散的存在，光学系统对于相互垂直的两个方向上线条，具有不同的解析能力。这对传统的垂向焦面控制方法提出了更高的要求，一方面需要找出对相互垂直方向线条同时具有较好解析能力的焦面位置，另一方面需要在动态拍照过程中具有准确地到达最佳焦面的能力。

检测设备中传统的调焦调平方法为，先离线对光学成像系统的最佳焦面确定；再在检测设备检测过程中，在线使用位移传感器对载于运动台上的目标物相对于最佳参考焦面的高度进行测量、计算离焦量；在运动检测过程中，通过运动执行机构对离焦量进行补偿。

上述方法由于焦面测量位置是在离线状态下进行的，与设备运行过程中实际的拍照位置，不是同一状态，对于离焦量的估计会引入误差，最终计算出的最佳成像位置也会引入测量误差；另外离焦量的补偿是通过运动执行机构进行的补偿，无法实现在线的实时评估和反馈控制。

发明内容

本发明提供了一种调焦调平装置与方法，以实现在线补偿离焦量，使得待测目标物的表面位于光学成像系统的最佳焦面处，以保证待测目标物图像的清晰度。

为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种调焦调平装置，包括：

位移台，所述位移台用于承载待测目标物；

光学成像系统，位于所述待测目标物远离所述位移台的一侧；

驱动机构，包括横向轴、纵向轴和垂向轴，所述横向轴和所述纵向轴分别与所述位移台连接，以使所述位移台随横向轴和/或纵向轴移动；所述垂向轴与所述光学成像系统连接，以使所述光学成像系统随所述垂向轴移动；

控制器，分别与所述光学成像系统和所述驱动机构连接，基于所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物图像的模糊尺度，结合所述模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系，计算出反馈补偿离焦量，以根据所述反馈补偿离焦量更新所述垂向轴的期望位置。

根据本发明的一个实施例，还包括：

垂向位移传感器，用于测量所述待测目标物的面型；

所述控制器用于基于所述待测目标物的面型和所述待测目标物中的标记的最佳焦面位置确定所述垂向轴的期望位置。

根据本发明的一个实施例，所述驱动机构还包括：横向轴调平装置和纵向轴调平装置，所述控制器还用于根据所述光学成像系统采集的所述待测目标物图像中至少三个不同直线的测量点，计算出所述待测目标物图像相对于所述待测目标物中的标记对应的最佳焦面的倾斜，并控制所述横向轴调平装置调平与其连接的所述横向轴，和/或控制所述纵向轴调平装置调平与其连接的所述纵向轴，以调平所述位移台。

根据本发明的一个实施例，所述标记包括空间周期性分布的多棱角标记、空间周期性分布的横向条形标记或空间周期性分布的纵向条形标记中的至少一种。

为实现上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种调焦调平方法，基于如前所述的调焦调平装置实现；所述调焦调平方法包括以下步骤：

根据所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物图像的模糊尺度，结合所述模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系，计算出反馈补偿离焦量，以根据所述补偿离焦量更新所述垂向轴的期望位置。

根据本发明的一个实施例，所述调焦调平装置还包括垂向位移传感器，在根据所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物图像的模糊尺度之前，还包括：

根据所述垂向位移传感器采集所述待测目标物的面型数据、所述待测目标物中标记的所处的最佳焦面位置确定所述垂向轴的期望位置。

根据本发明的一个实施例，在所述根据所述垂向位移传感器采集所述待测目标物的面型数据、所述标记对应的最佳焦面位置确定所述垂向轴的期望位置之前，包括：

控制所述垂向轴上下移动，控制所述光学成像系统对所述标记成像，获取所述标记对应的最佳焦面对应的所述垂向轴位置；

还包括：控制所述垂向轴不动，控制横向轴和/或纵向轴以控制所述位移台沿横向和/或纵向移动，控制所述垂向位移传感器采集位于所述位移台上的所述待测目标物不同位置处的面型数据。

根据本发明的一个实施例，所述根据所述垂向位移传感器采集所述待测目标物的面型数据、所述待测目标物中标记对应的最佳焦面位置确定所述垂向轴的期望位置包括：

根据所述面型数据与所述标记对应的最佳焦面位置计算前馈补偿离焦量；

根据所述最佳焦面位置与所述前馈补偿离焦量确定所述垂向轴的期望位置。

根据本发明的一个实施例，在所述根据所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物图像的模糊尺度之前还包括：

控制所述横向轴和/或纵向轴以控制所述位移台沿横向和/或纵向移动，以使所述光学成像系统对准所述待测目标物中的至少一个标记；

控制所述垂向轴上下移动，控制所述光学成像系统对所述待测目标物至少一个所述标记成像，获取至少一个所述标记对应的参考图像；

根据图像处理算法获取各所述所述参考图像对应的所述模糊尺度和离焦量；

对所述模糊尺度与所述离焦量之间进行拟合，获取所述模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系。

根据本发明的一个实施例，还包括：

根据所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物表面相对于最佳焦面的倾斜，以控制所述横向轴调平装置调平与其连接的所述横向轴，和/或所述纵向轴调平装置调平与其连接的所述纵向轴，以调平所述位移台。

根据本发明实施例提出的调焦调平装置与方法，其中装置包括：位移台，位移台用于承载待测目标物；光学成像系统，位于待测目标物远离位移台的一侧；驱动机构，包括横向轴、纵向轴和垂向轴，横向轴和纵向轴分别与位移台连接，以使位移台随横向轴和/或纵向轴移动；垂向轴与光学成像系统连接，以使光学成像系统随垂向轴移动；控制器，分别与光学成像系统和驱动机构连接，基于光学成像系统采集的待测目标物图像计算待测目标物图像的模糊尺度，结合模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系，计算出反馈补偿离焦量，以根据反馈补偿离焦量更新垂向轴的期望位置。以实现在线补偿离焦量，使得待测目标物的表面位于光学成像系统的最佳焦面处，以保证待测目标物图像的清晰度。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提出的调焦调平装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提出的调焦调平装置的中待测目标物的结构示意图；

图3是本发明实施例提出的调焦调平方法的流程图；

图4是本发明一个实施例提出的调焦调平方法的流程图；

图5是本发明一个具体的实施例提出的调焦调平方法的流程图；

图6是本发明一个具体的实施例的效果示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是本发明实施例提出的调焦调平装置的结构示意图。如图1所示，该调焦调平装置100，包括：

位移台101，位移台101用于承载待测目标物102；

光学成像系统103，位于待测目标物102远离位移台101的一侧；

驱动机构105，包括横向轴x、纵向轴y和垂向轴z，横向轴x和纵向轴y分别与位移台101连接，以使位移台101随横向轴x和/或纵向轴y移动；垂向轴z与光学成像系统103连接，以使光学成像系统103随垂向轴z移动；

控制器106，分别与光学成像系统103和驱动机构105连接，基于光学成像系统103采集的待测目标物图像计算待测目标物图像的模糊尺度，结合模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系，计算出反馈补偿离焦量，以根据反馈补偿离焦量更新垂向轴z的期望位置。

可以理解的是，图1给出了调焦调平装置的示意图，除所必需的电气、框架支撑组件，主要包括光学成像采集系统用来对待测目标进行成像，图像采集和计算处理；承载光学成像系统进行垂向运动的Z轴，用于进行焦面补偿；用于承载测试目标物，进行水平向运动的X、Y轴；用于探测物料高度，进行粗测离焦量的垂向位移传感器。

该装置的工作原理如下：位移台101承载待测目标物102随x轴和/或y轴移动，以使光学成像系统103可以对待测目标物102进行成像，从而对待测目标物进行检测。在光学成像系统103对待测目标物102进行成像过程中，比如光学成像系统103对待测目标物102上的第一区域进行成像，成像之后，控制器106可以根据该图像计算第一区域的模糊尺度，并根据预存在控制器106中的模糊尺度与离焦量的实际映射关系，获取与该第一区域的模糊尺度对应的离焦量，即获取反馈补偿离焦量，并通过该反馈补偿离焦量更新垂向轴z的期望位置，重新对第一区域进行成像，重复上述过程，直至获取第一区域的清晰的像，再控制驱动机构105移动横向轴和/或纵向轴，移动至下一区域。

其中，模糊尺度与离焦量的实际映射关系可以提前通过拟合算法来获取。需要说明的是，正常情况下，当被测对象处于成像系统的最佳焦面时，图像采集系统可以获得一个清晰、锐利的高品质图像信息，可以对被测量对象高保真度的解析、测量。当被测对象与成像系统的最佳焦面不重合时，即产生了离焦，此时成像将会变模糊，被测对象的空间高频信息将会丢失，从而降低了检测系统的缺陷解析能力。对于离焦引起的图像模糊，可以使用下面的数学表达式进行描述，Image_Detection(u,v)＝Image_ideal(u,v)*PSF(u,v)+Noise(u,v)；其中(u,v)表示图像坐标系中的横向和纵向坐标，Image_Detection表示成像系统经过光学系统实际所采集到的图像信息，Image_ideal表示处于光学成像系统最佳焦面时被测对象的图像信息，PSF是表示光学成像系统特性的点扩散函数，Noise表示由于照明、环境、图像传感器、以及光学成像系统等因素所产生的噪声。实际使用过程中，检测系统实际所采集的图像信息Image_Detection是包含着噪声Noise的Image_ideal与PSF的卷积。

一般情况下，当被测对象离焦以后，图像的模糊PSF可以用下面的数学表达式进行描述，

其中，模糊尺度ρ表示模糊的大小，是离焦量的函数。

由此，在实时对焦的前期可以获取不同高度的标记的参考图像，从而可以根据相应的参考图像获取点扩散函数的模糊尺度，最终，根据不同垂向高度标记的参考图像，以及相应参考图像计算的模糊尺度进行拟合，获取模糊尺度与垂向高度之间的对应关系，进而获取模糊尺度与离焦量之间的对应关系，预存在控制器106中。

另外，在同一的光学成像系统中可以获取标记的图像，通过计算图像的模糊尺度，结合模糊尺度与离焦量的对应关系，可以计算反馈补偿离焦量，而与驱动机构本身并不直接发生联系，进而在计算反馈补偿离焦量之后，可以更新垂向轴的期望位置。

因此，上述实施例实现了实时在线补偿离焦量，提升了成像的质量。

根据本发明的一个实施例，还包括：垂向位移传感器104，用于测量待测目标物102的面型；

控制器106用于基于待测目标物的面型和待测目标物中的标记的最佳焦面位置确定垂向轴的期望位置。

也就是说，在测得待测目标物102的面型之后，可以根据垂向位移传感器104的坐标系中的最佳焦面，来估计前馈补偿离焦量，最终根据垂向位移传感器104的坐标系中的最佳焦面和前馈补偿离焦量来确定垂向轴的期望位置。

在确定垂向轴的期望位置之后，再通过光学成像系统103中的模糊尺度和离焦量之间的实际映射关系，来确定反馈补偿离焦量，以修正垂向轴的期望位置。

根据本发明的一个实施例，驱动机构105还包括：横向轴调平装置和纵向轴调平装置，控制器106还用于根据光学成像系统103采集的待测目标物图像中至少三个不同直线的测量点，计算出待测目标物图像相对于标记对应的最佳焦面的倾斜，并控制横向轴调平装置调平与其连接的横向轴，和/或纵向轴调平装置调平与其连接的纵向轴，以调平位移台101。

也就是说，在对待测目标物102成像之后，可以根据图像处理算法来计算该平面与标记对应的最佳焦面的倾斜，从而可以控制横向轴调平装置和/或纵向轴调平装置上下移动，来调整位移台101的倾斜。举例来说，横向轴调平装置可以为电动升降机构，位于横向轴的末端，纵向轴调平装置可以为电动升降机构，位于纵向轴的末端，在计算出倾斜角度之后，可以根据三角函数等位置关系计算出升降距离，从而控制横向轴调平装置和/或纵向轴调平装置上下移动。由此，可以提升后续的成像质量。

根据本发明的一个实施例，标记107包括空间周期性分布的多棱角标记、空间周期性分布的横向条形标记或空间周期性分布的纵向条形标记中的至少一种。

可以理解的是，标记107设置在待测目标物102上，为了拟合不同离焦量与模糊尺度之间的对应关系，标记107的种类越多越好，越能使拟合的模糊尺度与离焦量的实际映射关系更加贴近实际。举例来说，图2表示一种用于垂向控制性能进行测试的目标物，左侧表示整个目标物由相同的图案重复遍历产生；右侧表示一种重复的图案构成，主要包含横向和纵向两种线条，所使用的线条与成像系统的分辨率相匹配，可选地满足但不限于符合MIL-STD-150A标准的分辨力测试图案，主要原则是包含尽可能多的棱角。

图3是本发明实施例提出的调焦调平方法流程图。该方法基于如前的调焦调平装置实现；如图3所示，调焦调平方法包括以下步骤：

S101，根据光学成像系统采集的待测目标物图像计算待测目标物图像的模糊尺度，结合模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系，计算出反馈补偿离焦量；

S102，根据补偿离焦量更新垂向轴的期望位置。

可以理解的是，位移台承载待测目标物沿x轴和/或y轴移动，以使光学成像系统可以对待测目标物进行成像，从而对待测目标物进行检测。在光学成像系统对待测目标物进行成像过程中，比如光学成像系统对待测目标物上的第一区域进行成像，成像之后，控制器可以根据该图像计算第一区域的模糊尺度，并根据预存在控制器中的模糊尺度与离焦量的实际映射关系，获取与该第一区域的模糊尺度对应的离焦量，,获取反馈补偿离焦量，并通过该反馈补偿离焦量更新垂向轴的期望位置，重新对第一区域进行成像，重复上述过程，直至获取第一区域的清晰的像，再控制驱动机构移动横向轴和/或纵向轴，移动至下一区域。

其中，模糊尺度与离焦量的实际映射关系可以提前通过拟合算法来获取。因此，上述实施例实现了实时在线补偿离焦量，提升了成像的质量。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，调焦调平装置还包括垂向位移传感器，在S101根据光学成像系统采集的待测目标物图像计算待测目标物图像的模糊尺度之前，还包括：

S100，根据垂向位移传感器采集待测目标物的面型数据、待测目标物中标记的所处的最佳焦面位置确定垂向轴的期望位置。

也就是说，可以最开始就将垂向轴的期望位置设定为最佳焦面的位置(垂向位移传感器坐标系中的最佳焦面)。这样，在后续对焦过程中，可以更快速的进行对焦，提升了对焦的效率。

根据本发明的一个实施例，在S100根据垂向位移传感器采集待测目标物的面型数据、标记对应的最佳焦面位置确定垂向轴的初始位置之前，包括：

控制垂向轴上下移动，控制光学成像系统对标记成像，获取标记对应的最佳焦面对应的垂向轴位置；

还包括：控制垂向轴不动，控制横向轴和/或纵向轴以控制位移台沿横向和/或纵向移动，控制垂向位移传感器采集位于位移台上的待测目标物不同位置处的面型数据。

根据本发明的一个实施例，S100根据垂向位移传感器采集待测目标物的面型数据、标记对应的最佳焦面位置控制垂向轴的初始位置包括：

根据面型数据与标记对应的最佳焦面位置计算前馈补偿离焦量；

根据最佳焦面位置与前馈补偿离焦量确定垂向轴的期望位置。

也就是说，通过垂向轴上下移动，可以获取标记对应的最佳焦面的对应的垂向轴位置，以获取待测目标物表面的最佳焦面位置，那么可以将最佳焦面位置直接设定为垂向轴的期望位置，以缩短对焦时间。在获取模型数据之后，可以以最佳焦面位置和面型数据来确定垂向轴的期望位置。

根据本发明的一个实施例，在S101根据光学成像系统采集的待测目标物图像计算待测目标物图像的模糊尺度之前还包括：

控制横向轴和/或纵向轴以控制位移台沿横向和/或纵向移动，以使光学成像系统对准所述待测目标物中的至少一个标记；

控制垂向轴上下移动，控制光学成像系统对至少一个标记成像，获取至少一个标记对应的最佳焦面的参考图像；

根据图像处理算法获取各参考图像对应的模糊尺度和离焦量；

对模糊尺度与离焦量之间进行拟合，获取模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系。

其中，模糊尺度与离焦量的实际映射关系可以提前通过拟合算法来获取。需要说明的是，正常情况下，当被测对象处于成像系统的最佳焦面时，光学成像采集系统可以获得一个清晰、锐利的高品质图像信息，可以对被测量对象高保真度的解析、测量。当被测对象与成像系统的最佳焦面不重合时，即产生了离焦，此时成像将会变模糊，被测对象的空间高频信息将会丢失，从而降低了检测系统的缺陷解析能力。对于离焦引起的图像模糊，可以使用下面的数学表达式进行描述，Image_Detection(u,v)＝Image_ideal(u,v)*PSF(u,v)+Noise(u,v)；其中(u,v)表示图像坐标系中的横向和纵向坐标，Image_Detection表示成像系统经过光学系统实际所采集到的图像信息，Image_ideal表示处于光学成像系统最佳焦面时被测对象的图像信息，PSF是表示光学成像系统特性的点扩散函数，Noise表示由于照明、环境、图像传感器、以及光学成像系统等因素所产生的噪声。实际使用过程中，检测系统实际所采集的图像信息Image_Detection是包含着噪声Noise的Image_ideal与PSF的卷积。

一般情况下，当被测对象离焦以后，图像的模糊PSF可以用下面的数学表达式进行描述，

其中，模糊尺度ρ表示模糊的大小，是离焦量的函数。

由此，在实时对焦的前期可以获取不同高度的标记的参考图像，从而可以根据相应的参考图像获取点扩散函数的模糊尺度，最终，根据不同垂向高度标记的参考图像，以及相应参考图像计算的模糊尺度进行拟合，获取模糊尺度与垂向高度之间的对应关系，进而获取模糊尺度与离焦量之间的对应关系，预存在控制器中。

另外，在同一的光学成像系统中可以获取标记的图像，通过计算图像的模糊尺度，结合模糊尺度与离焦量的对应关系，可以计算反馈补偿离焦量，而与驱动机构本身并不直接发生联系，进而在计算反馈补偿离焦量之后，可以更新垂向轴的期望位置。

因此，上述实施例实现了实时在线补偿离焦量，提升了成像的质量。

根据本发明的一个实施例，还包括：

根据光学成像系统采集的待测目标物图像计算待测目标物表面相对于最佳焦面的倾斜，以控制横向轴调平装置调平与其连接的横向轴，和/或纵向轴调平装置调平与其连接的纵向轴，以调平位移台。

也就是说，在对待测目标物成像之后，可以根据图像处理算法来计算该平面与标记对应的最佳焦面的倾斜，从而可以控制横向轴调平装置和/或纵向轴调平装置上下移动，来调整位移台的倾斜。举例来说，横向轴调平装置可以为电动升降机构，位于横向轴的末端，纵向轴调平装置可以为电动升降机构，位于纵向轴的末端，在计算出倾斜角度之后，可以根据三角函数等位置关系计算出升降距离，从而控制横向轴调平装置和/或纵向轴调平装置上下移动。由此，通过在对焦之后，对位移台进行调平，使得后续的对焦更加精准，成像质量更高。

更具体地，如图5所示，该调焦调平方法包括：

S1，上载待测目标物；即在图1的机械电气都能够正常工作后，上载待测目标物至运动台上面；其中，待测目标物可以是硅片或者掩模版等。

S2，单点自动调焦；

S21，选择图2所示的测校标记，或者多棱角的标记，运动至光学成像系统的中心位置；

S22，Z轴上下运动，大致找到焦面的范围，从上到下运动，同时拍照，记录每张照片的Z轴位置以及与每张照片在相应Z轴位置时对应的垂向位移传感器FLS的测量值；

S23，利用图像处理算法，找出线条最清晰、锐利的图片，并找出对应的Z轴位置和垂向位移传感器FLS的测量值，记录为最佳焦面的位置，Z_BF，FLS_BF，此时的图片被记录为Image_ideal，作为参考图像。

更进一步地，可以对横向和纵向线条分别计算出成像系统对于其成像最佳的位置，记录为横向线条的最佳焦面Z_BF_H、FLS_BF_H，纵向线条的最佳焦面Z_BF_V、FLS_BF_V，此时对应的图片被记录为Image_ideal_H、Image_ideal_V，作为参考图像。

更进一步地，可以选择图像的不同区域进行最佳焦面计算，得到Z_BF_V(u,v)、FLS_BF_H(u,v)、Image_ideal_H(u,v)、Image_ideal_V(u,v)。

S24，以参考图像计算，计算点扩散函数的模糊尺度。对于不同的高度，和不同的线条，可以得到不同的ρ(z_i)，ρ(z_i)_H，ρ(z_i)_V，更进一步地，可以对得到的模糊尺度进行更高位置精度的拟合。

更进一步地，可以选择横、竖线条，图像的不同区域进行模糊尺度计算，可以得到待测目标不同高度位置处(x_i,y_i)的模糊尺度数值ρ(z_i,x_i,y_i)，ρ(z_i,x_i,y_i)_H，ρ(z_i,x_i,y_i)_V，进一步可以得到模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系。

S3，面型测量；

S31，Z轴不动，X\Y轴在水平面内承载着待测目标运动，利用垂向位移传感器FLS测量待测目标不同位置(x,y)处的面型高度FLS_Substrate(x,y)。

S32，利用下面的公式，大致估计离焦量，进行补偿。Defocus_FLS(x,y)＝FLS_BF-FLS_Substrate(x,y)。

S4，运动拍照；

S41，根据S3测出的面型，计算离焦量，设定Z轴的位置：Z_Set(x,y)＝FLS_BF-Defocus_FLS(x,y)。

S42，X\Y承载待测目标，在水平面内运动，同时进行拍照，并记录此时的水平向位置(x,y)。

S5，计算离焦量；

S51，在采集到图片后，可计算图片的模糊尺度ρ(x_i,y_i)；更进一步地，对于不同的图像区域，和不同的线条，可以分别得到对应的模糊尺度，ρ(x_i,y_i)，ρ(x_i,y_i)_H，ρ(x_i,y_i)_V从而可以计算此位置拍照时，对应的离焦拍照位置，如下所示：

Z(x,y),＝ρ^-1(z_i,x,y)；

其中ρ(z_i,x,y)为离焦为z_i时，对应的模糊程度，(x,y)为待测目标的水平向位置。

S52，根据S24中得到模糊尺度与高度的关系，可以更精确地反演出离焦量。

Defocus(x,y)＝Z(x,y)-Z_BF；其中Z(x,y)表示(x,y)位置所拍的图片，根据模糊尺度反演计算出的成像位置。

更进一步地，对于不同的图像区域，和不同的线条，可以分别得到Defocus_H(x,y)、Defocus_V(x,y)；

更进一步地，针对于图像的不同区域(3个以上不在同一线上的测量点)，通过拟合

Kx*X+Ky*Y+Kz*Z+C＝0；

可以计算出待测表面相对于最佳焦面的倾斜。通过X_Z和Y_Z的微动调节，可以更进一步地补偿掉Kx，Ky，Kz。

S6，判断成像是否满足要求；若否，则执行S7，若是，则执行S8；

S7，反馈补偿离焦量；

判断是否满足成像要求，如果不满足焦面控制性能要求。需要重新设定Z轴位置，

Z_Set_update(x,y)＝Z_Set(x,y)-Defocus(x,y)；

重复S4、S5、S6步直至满足成像控制要求。

S8，前馈补偿离焦量；

当离焦量满足成像控制要求时，记录下此时的垂向运动轴设定Z_Set_update(x,y)，此时为运动台运动过程中拍照的最佳位置。

更进一步地，还可以通过X_Z和Y_Z的微动调节，可以更进一步地补偿掉Kx，Ky，Kz。

图6给出了利用本发明方案，利用前馈补偿后，对300mm范围内的离焦空间分布。在目前的机械结构中，焦面探测器与光机中心距离大约为10cm左右，导轨的姿态变化在100urad左右，由此带来的焦面测量误差大约在10um左右。当使用目前的同轴的调焦方案之后，整个目标物范围内的离焦分布在2.5um范围内，相对于原有数据提高了4倍；其精度仅取决于离焦算法的处理精度，以及运动台的定位精度。

本发明基于图像处理技术，可以在线、实时、动态地对成像系统的最佳成像焦面位置和垂向控制效果进行评估，反馈控制；通过光学成像系统，基于在线实际获取的图像，利用图像处理的方法，对最佳成像位置进行判断，综合光机和运动误差影响，更符合实际情况；通过在线、动态地对离焦量进行测量，进而进行前馈补偿，可以使得焦面控制更精确。并且通过垂向位移传感器和光学成像系统的设置，两套离焦量补偿方式，解决了垂向位移传感器和光学成像系统不同轴造成的误差。

综上所述，根据本发明实施例提出的调焦调平装置与方法，其中装置包括：位移台，位移台用于承载待测目标物；光学成像系统，位于待测目标物远离位移台的一侧；驱动机构，包括横向轴、纵向轴和垂向轴，横向轴和纵向轴分别与位移台连接，以使位移台随横向轴和/或纵向轴移动；垂向轴与光学成像系统连接，以使光学成像系统随垂向轴移动；控制器，分别与光学成像系统、和驱动机构连接，基于光学成像系统采集的待测目标物图像计算待测目标物图像的模糊尺度，结合模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系计算出反馈补偿离焦量，以根据反馈补偿离焦量更新垂向轴的期望位置。以实现在线补偿离焦量，使得待测目标物的表面位于光学成像系统的最佳焦面处，以保证待测目标物图像的清晰度。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调焦调平装置，其特征在于，包括：

位移台，所述位移台用于承载待测目标物；

光学成像系统，位于所述待测目标物远离所述位移台的一侧；

驱动机构，包括横向轴、纵向轴和垂向轴，所述横向轴和所述纵向轴分别与所述位移台连接，以使所述位移台沿随横向轴和/或纵向轴移动；所述垂向轴与所述光学成像系统连接，以使所述光学成像系统随所述垂向轴移动；

控制器，分别与所述光学成像系统和所述驱动机构连接，基于所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物图像的模糊尺度，结合所述模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系，获取反馈补偿离焦量，以根据所述反馈补偿离焦量更新所述垂向轴的期望位置。

2.根据权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，还包括：

垂向位移传感器，用于测量所述待测目标物的面型；

所述控制器用于基于所述待测目标物的面型和所述待测目标物中的标记所处的最佳焦面位置确定所述垂向轴的期望位置。

3.根据权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述驱动机构还包括：横向轴调平装置和纵向轴调平装置，所述控制器还用于根据所述光学成像系统采集的所述待测目标物图像中至少三个不同直线的测量点，计算出所述待测目标物图像相对于所述待测目标物中的标记的所处的最佳焦面的倾斜，并控制所述横向轴调平装置调平与其连接的所述横向轴，和/或控制所述纵向轴调平装置调平与其连接的所述纵向轴，以调平所述位移台。

4.根据权利要求2或3所述的调焦调平装置，其特征在于，所述标记包括空间周期性分布的多棱角标记、空间周期性分布的横向条形标记或空间周期性分布的纵向条形标记中的至少一种。

5.一种调焦调平方法，其特征在于，基于如权利要求1-4任一项所述的调焦调平装置实现；所述调焦调平方法包括以下步骤：

根据所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物图像的模糊尺度，结合所述模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系，计算出反馈补偿离焦量，以根据所述补偿离焦量更新所述垂向轴的期望位置。

6.根据权利要求5所述的调焦调平方法，其特征在于，所述调焦调平装置还包括垂向位移传感器，在根据所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物图像的模糊尺度之前，还包括：

根据所述垂向位移传感器采集所述待测目标物的面型数据、所述待测目标物中标记的所处的最佳焦面位置确定所述垂向轴的期望位置。

7.根据权利要求6所述的调焦调平方法，其特征在于，在所述根据所述垂向位移传感器采集所述待测目标物的面型数据、所述待测目标物中标记的所处的最佳焦面位置确定所述垂向轴的期望位置之前，包括：

控制所述垂向轴上下移动，控制所述光学成像系统对所述标记成像，获取所述标记对应的最佳焦面对应的所述垂向轴位置；

还包括：控制所述垂向轴不动，控制横向轴和/或纵向轴以控制所述位移台沿横向和/或纵向移动，控制所述垂向位移传感器采集位于所述位移台上的所述待测目标物不同位置处的面型数据。

8.根据权利要求6所述的调焦调平方法，其特征在于，所述根据所述垂向位移传感器采集所述待测目标物的面型数据、所述待测目标物中标记的所处的最佳焦面位置确定所述垂向轴的期望位置包括：

根据所述面型数据与所述标记对应的最佳焦面位置计算前馈补偿离焦量；

根据所述最佳焦面位置与所述前馈补偿离焦量确定所述垂向轴的期望位置。

9.根据权利要求5所述的调焦调平方法，其特征在于，在所述根据所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物图像的模糊尺度，之前还包括：

控制所述横向轴和/或纵向轴以控制所述位移台沿横向和/或纵向移动，以使所述光学成像系统对准所述待测目标物中的至少一个标记；

控制所述垂向轴上下移动，控制所述光学成像系统对所述待测目标物中至少一个所述标记成像，获取至少一个所述标记对应的参考图像；

根据图像处理算法获取各所述所述参考图像对应的所述模糊尺度和离焦量；

对所述模糊尺度与所述离焦量之间进行拟合，获取所述模糊尺度与离焦量之间的实际映射关系。

10.根据权利要求5所述的调焦调平方法，其特征在于，还包括：

根据所述光学成像系统采集的待测目标物图像计算所述待测目标物表面相对于最佳焦面的倾斜，以控制所述横向轴调平装置调平与其连接的所述横向轴，和/或所述纵向轴调平装置调平与其连接的所述纵向轴，以调平所述位移台。

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