线阵图像传感器像素阵列及物体表面缺陷检测方法

摘要

本发明涉及一种线阵图像传感器像素阵列及物体表面缺陷检测方法，该像素阵列包括2‑3个像素阵列单元，每个像素阵列单元至少包含一行像素；其中至少有一个像素阵列单元由A类像素组成，其余像素阵列单元由B类像素组成；同一像素阵列的A类像素的微透镜同向横向偏移，偏移的距离不小于像素尺寸单边长的1/5，最大不超过像素尺寸单边长的一半；B类像素的微透镜与像素几何中心重合；采用上述线阵图像传感器像素阵列，通过判断同列像素角度响应灵敏度比值变化的范围、比例变化的程度，可以推定各列像素对应的主光线入射角度并还原被检物表面的形貌，实现对被测物表面不规则缺陷尺寸、类型、形貌等缺陷的精细检测。

说明书

技术领域

本发明属于线阵图像传感器设计领域，涉及一种线阵图像传感器像素阵列及物体表面缺陷检测方法。

背景技术

图像传感器感光像素结构捕获目标物体的辐射和反射光能量，将一定角度入射的主光线光子收集到像素耗尽区形成电子-空穴对，被后端电路采样、转换生成电信号，从而还原目标物的图像细节信息，像素及电路剖面架构如图1所示。

线阵图像传感器芯片以一行像素阵列作为成像单元，对物体运动的结果形成二维图像数据。线阵图像传感器器件可以排布多行像素阵列，每行像素阵列都可以单独成为像素单元，捕获图像数据。当物体垂直通过图像传感器像素线(一行像素阵列)时，线阵图像传感器与光学成像系统进行连续单线扫描，形成逐行的二维图像。由于线阵图像传感器只输出一行或几行(多行像素阵列排布，每行作为单独的成像单元)像素数据，所以线阵器件能够较容易地实现高行频、高分辨率，并且可以排布更复杂的电路实现更高集成度的电路功能，比如可编程增益放大电路模块、数字增益模块、模数转换模块、节温度传感器模块等等。

由于线阵图像传感器及其匹配的光学系统能够通过非接触方式获得物体运动形成的二维图像，其被广泛应用于精细工业检测、需求精准筛选的农业生产、国土资源调查和对地遥感侦察等民用、军事探测领域中。线阵图像传感器的基本功能模块架构示意图如图2所示。

如图3a、3b所示，现有的线阵图像传感器各像素微透镜与像素中心重合，在针对大批量检测或高速运动物体的检测时，单依赖被测目标物表面反射或发射光能量的差异导致的像素响应差异，不足以精细测试、测量、辨识目标物体表面不规则的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现被测物表面不规则缺陷精细检测的线阵图像传感器像素阵列及物体表面缺陷检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明的线阵图像传感器像素阵列包括2-3个像素阵列单元，每个像素阵列单元至少包含一行像素；其中至少有一个像素阵列单元由A类像素组成，其余像素阵列单元由B类像素组成；同一像素阵列的A类像素的微透镜同向横向偏移，偏移的距离不小于像素尺寸单边长的1/5，最大不超过像素尺寸单边长的一半；B类像素的微透镜与像素几何中心重合。

进一步，本发明的线阵图像传感器像素阵列包括三个像素阵列单元，第一个像素阵列单元由A1类像素组成，A1类像素为微透镜沿像素阵列行方向向左偏移的A类像素；第二个像素阵列单元由B类像素组成；第三个像素阵列单元由A2类像素组成，A2类像素为微透镜沿像素阵列行方向向右偏移的A类像素。

采用上述线阵图像传感器像素阵列对物体表面缺陷进行检测的方法，包括下述步骤：

步骤一、采集各A类像素和B类像素的响应信号强度；则根据公式(1)计算同列像素的角度响应灵敏度比值；

其中，为第i列像素的角度响应灵敏度比值；为第i列A类像素的角度响应灵敏度，为第i列B类像素的角度响应灵敏度；

步骤二、在图像传感器角度响应特性曲线中找到角度响应灵敏度比值对应的第i列像素的主光线入射角度R；

步骤三、根据各列像素对应的主光线入射角度响应特性还原被检物表面的形貌，实现对被测物表面不规则缺陷的精细检测；

所述图像传感器角度响应特性曲线通过下述方法获得：

(1)、采用平行光照射线阵图像传感器像素阵列，改变平行光入射角度，使其在-20°～+20°之间变化；每改变一个角度，采集各像素的响应信号强度，并根据公式(2)、(3)计算A类像素的角度响应灵敏度CRA(r)^D1和B类像素的角度响应灵敏度CRA(r)^D0；

其中s(r)^D1为平行光入射角度为r时A类像素的响应信号强度；S(r)^D0为平行光入射角度为r时B类像素的响应信号强度，S(max)^D1为平行光入射时A类像素的响应信号强度的最大值，S(max)^D0为平行光入射时B类像素的响应信号强度的最大值，对于B类像素的角度响应信号强度最大值即为平行光垂直入射时；O为像素本底偏置值；

(2)、根据公式(4)计算平行光入射角度r在测量范围内多个像素的角度响应灵敏度比值；

其中P(r)^D1为平行光入射角度为r时的角度响应灵敏度比值；

(3)、根据步骤(2)得到的多个平行光入射角度对应的灵敏度比值拟合出主光线入射角度-角度响应灵敏度比值关系曲线。

所述步骤一中，若经被测物表面反射的平行光入射角R小于0，则为第i列A2类像素的响应信号强度；若经被测物表面反射的平行光入射角R大于0，则为第i列A1类像素的响应信号强度；所述步骤(1)中其中当平行光入射角度r小于0时，S(r)^D1为A2类像素的响应信号强度；当平行光入射角度为r大于0时，S(r)^D1为A1类像素的响应信号强度。

进一步，本发明的线阵图像传感器像素阵列包括两个像素阵列单元，一个像素阵列单元由A1类像素组成或者由A2类像素组成，另一个像素阵列单元由B类像素组成；A1类像素为微透镜向左偏移的A类像素，A2类像素为微透镜向右偏移的A类像素。

采用上述线阵图像传感器像素阵列对物体表面缺陷进行检测的方法，包括下述步骤：

步骤一、采集各A类像素和B类像素的响应信号强度；则根据公式(1)计算同列像素的角度响应灵敏度比值；

其中为第i列像素的角度响应灵敏度比值，为第i列A类像素的角度响应灵敏度，为第i列B类像素的角度响应灵敏度；

步骤二、在图像传感器角度响应特性曲线中找到灵敏度比值对应的第i列像素的主光线入射角度R；

步骤三、根据各列像素对应的主光线入射角度还原被检物表面的形貌，实现对被测物表面不规则缺陷的精细检测；

所述图像传感器角度响应特性曲线通过下述方法获得：

(1)、所述的线阵图像传感器像素阵列包括两个像素阵列单元，一个像素阵列单元由A类像素组成，另一个像素阵列由B类像素组成；采用平行光照射线阵图像传感器像素阵列，改变平行光入射角度，使其在-20°～+20°之间变化；每改变一个角度，采集各像素的响应信号强度，并根据公式(2)、(3)计算A类像素的相对响应灵敏度CRA(r)^D1和B类像素的相对响应灵敏度CRA(r)^D0；

其中S(r)^D1为平行光入射角度为r时A类像素的响应信号强度，S(r)^D0为平行光入射角度为r时B类像素的响应信号强度，S(max)^D1为平行光入射时A类像素的响应信号强度的最大值，S(max)^D0为平行光入射时B类像素的响应信号强度的最大值，为平行光入射角度；

(2)、根据公式(4)计算平行光光源所在方向与微透镜偏移方向相反时-20°～0°范围内或者0°～+20°范围内多个平行光入射角度对应的角度响应灵敏度比值；

其中P(r)^D1为A类像素对平行光入射角度为r时的角度响应灵敏度比值；

(3)、根据步骤(2)得到的多个平行光入射角度对应的角度灵敏度比值拟合出主光线入射角度-角度响应灵敏度比值关系曲线。

所述步骤一中，所述的A类像素为微透镜向右偏移的A2类像素；经被测物表面反射的平行光入射角R小于0；所述步骤(1)中，经被测物表面反射的平行光入射角R小于0，为第i列A2类像素的响应信号强度。

所述步骤一中，所述的A类像素为微透镜向左偏移的A1类像素；经被测物表面反射的平行光入射角R大于0；所述步骤(1)中，经被测物表面反射的平行光入射角R大于0，为第i列A1类像素的响应信号强度。

当光强均匀、光线平行的光照条件照射被检物体时，经过被检物体反射后线阵照射图像传感器，A类像素与B类像素的角度响应灵敏度呈一定的比例关系。当被检物体表面平整(无缺陷)时，理论上不同的像素列均应符合这一比例关系；当被检物体的表面存在缺陷时，入射到缺陷区域的光线的反射角度发生变化，部分像素列A类像素与B类像素的角度响应灵敏度的比例关系会发生变化，不再与其他像素列相同。通过判断像素列变化的范围、比例变化的程度，可以推定各列像素对应的主光线入射角度并还原被检物表面的形貌，实现对被测物表面不规则缺陷尺寸、类型、形貌等缺陷的精细检测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是像素及电路(金属)剖面结构示意图。

图2是线阵图像传感器的典型架构。

图3a、图3b是现有技术的线阵图像传感器检测物体表面缺陷示意图。

图4是本发明的线阵图像传感器像素阵列实施例2的示意图。

图5是本发明的线阵图像传感器像素阵列及物体表面缺陷检测方法。

图6是像素主光轴示意图。

图7是线阵图像传感器B类像素的角度响应灵敏度特性曲线。

图8是线阵图像传感器A类像素的角度响应灵敏度特性曲线。

图9a、9b是B类像素和A类像素主光线入射示意图。

图10是A类像素和B类像素的角度响应灵敏度特性曲线。

图11是A类像素和B类像素角度响应灵敏度比例关系曲线图。

图12a、12b、12c为不同角度入射平行光照射线阵图像传感器的示意图。

1、线阵图像传感器；2、辅助强光光源(提供平行入射光)；3、被测物；4、缺陷；11、硅衬底；12、外延层；13、光电二极管；14、金属；15、微透镜；101、左偏移微透镜；102、无偏移微透镜；103右偏移微透镜。

具体实施方式

如图6所示，线阵图像传感器上微透镜15中心与像素中心重合，在入射光垂直于像素阵列表面入射(下称为主光轴)时，经过微透镜15后刚好可全部被像素感光区域接收，此时像素接受的光子转换为电子(光电转换效应)被像素感光单元(光电二极管13)吸收并最终转换为数字信号值(即响应信号强度)；当入射光相对于主光轴以一定的角度入射时，部分光线经过微透镜15后会偏离像素的感光区域照射到像素表面的金属14上形成反射，这些光子不会形成电子被感光单元吸收，所以像素输出的数字信号值与入射光相对于主光轴的入射角度有关，像素的角度响应灵敏度也与入射光相对于主光轴的入射角度有关，如图7所示。

对于微透镜相对于像素中心微位移的A类像素来说，微透镜会影响像素响应信号强度与入射光角度的关系，也同样影响像素角度响应灵敏度与入射光角度的关系，如图8所示。

通过A类像素和B类像素角度响应特性曲线的比例关系可以实现反推主光线的入射角度。如过被测物表面存在一个细微缺陷，缺陷会使入射光的角度相对于像素主光轴发生一定角度的偏移，通过A类像素和B类像素角度响应特性曲线的比例关系即可推定入射光的角度，根据入射光的角度还原被检物表面的形貌，即可实现对被测物表面不规则缺陷的精细检测。

实施例1

本发明的线阵图像传感器像素阵列排布三个像素阵列单元，三个像素阵列单元所包含的像素行数可以相等也可以不相等，并且三个像素阵列单元的像素行数均在1～10之间。第一个像素阵列单元由A1类像素组成，第二个像素阵列单元由B类像素组成，第三个像素阵列单元由A2类像素组成；A1类像素为微透镜向左偏移的A类像素；A2类像素为微透镜向右偏移的A类像素。

如图4所示，本实施例选择每个像素阵列单元包含一行像素；像素尺寸为5um x5um，微透镜顶点高度2um；中间行为B类像素，其微透镜102不偏移(微透镜与像素几何中心重合)，第一行为A1类像素，其微透镜101偏移-1um(即左偏移1um)，第三行为A2类像素，其微透镜103偏移+1um(即右偏移1um)。

本实施例采用下述方法获得角度响应特性曲线：

(1)、采用平行光照射线阵图像传感器像素阵列，改变平行光入射角度r，使其在-20°～+20°之间连续变化；如图12a、12b、12c所示(曲线中只画出了±16°的结果，但实际测试中入射光角度的范围可以更大)；，平行光入射角度r每增加2°，采集一次各像素的响应信号强度，并根据公式(2)、(3)计算A类像素的角度响应灵敏度CRA(r)^D1和B类像素的角度响应灵敏度CRA(r)^D0；根据所得到的各平行光入射角度r对应的A类像素的角度响应灵敏度CRA(r)^D1和B类像素的角度响应灵敏度CRA(r)^D0进行拟合可得到A类像素角度响应特性曲线和B类像素的角度响应特性曲线，如图7、8、10所示。其中曲线Ⅱ为微透镜偏移+1um(即右偏移1um)的A2类像素的角度响应特性曲线，曲线Ⅰ为B类像素的角度响应特性曲线，曲线Ⅲ为微透镜偏移-1um(即左偏移1um)的A1类像素的角度响应特性曲线；(图中仅示出了-16°～+16°范围内的角度响应特性曲线)

其中S(r)^D1为平行光入射角度为r时A类像素的响应信号强度，S(r)^D0为平行光入射角度为r时B类像素的响应信号强度，S(max)^D1为平行光入射时A类像素的响应信号强度的最大值，S(max)^D0为平行光入射时B类像素的响应信号强度的最大值，r为平行光入射角度；

(2)、根据公式(4)计算-16°～16°范围内多个平行光入射角度对应的角度响应灵敏度比值；

其中p(r)^D1为平行光入射角度为r时的角度响应灵敏度比值；

(3)、平行光入射角度r小于0时，根据曲线Ⅰ与曲线Ⅱ的比值拟合出光线入射角度-角度响应灵敏度关系曲线(左半部曲线)，平行光入射角度r大于0时，根据曲线Ⅰ与曲线Ⅲ的比值拟合出光线入射角度-角度响应灵敏度关系曲线(右半侧曲线)，最终得到线阵图像传感器角度响应灵敏度比例关系特性曲线。

采用上述线阵图像传感器像素阵列对物体表面缺陷进行检测的方法，包括下述步骤：

步骤一、采集三个像素阵列单元中各像素的响应信号强度，根据公式(1)计算同列像素的角度响应灵敏度比值；

其中为第i列像素的角度响应灵敏度比值，若经被测物表面反射的平行光入射角R小于0，则为第i列A2类像素的角度响应灵敏度；若经被测物表面反射的平行光入射角R大于0，则为第i列A1类像素的角度响应灵敏度；为第i列B类像素的角度响应灵敏度；

步骤二、在图像传感器角度响应灵敏度比例关系特性曲线中找到角度响应灵敏度比值对应的第i列像素的主光线入射角度R；

步骤三、根据各列像素对应的主光线入射角度还原被检物表面的形貌，实现对被测物表面不规则缺陷的精细检测。

所述步骤(3)中，还可以采用当平行光入射角度r小于0时，根据曲线Ⅰ与曲线Ⅱ的比值拟合出光线入射角度-角度响应灵敏度比例关系曲线(左右半部曲线)，平行光入射角度r大于0时，根据曲线Ⅰ与曲线Ⅲ的比值拟合出光线入射角度-角度响应灵敏度关系曲线(右半部曲线)，最终得到线阵图像传感器角度响应特性曲线；所述步骤(1)中其中当平行光入射角度r小于0时，S(r)^D1为A2类像素的响应信号强度；当平行光入射角度为r大于0时，S(r)^D1为A1类像素的响应信号强度。

例如第i列第一行A1类像素的响应信号强度为Sa＝2739DN，对应的角度响应灵敏度CRA(a)＝89％，第二行B类像素的响应信号强度为Sb＝3000DN，对应的角度响应灵敏度CRA(b)＝98％，第三行A2类像素的响应信号强度Sc＝2176DN，对应的角度响应灵敏度CRA(c)＝70％。所有像素的本底偏置值O(即暗场，最短曝光时间的获得的像素本底响应值)均为100DN；计算该列像素A1类像素的角度响应灵敏度CRA(a)与B类像素的角度响应灵敏度的比值

通过如图11所示的图像传感器角度响应特性曲线，可知灵敏度比值90.82％对应的主光线入射角度R为+2°或-2°，通过A1类像素比A2类像素的角度响应灵敏度值偏高可知，入射角度应大于0°，所以可以推测出主光线入射角度R为+2°，从而可以推测出被测物表面存在一个细微缺陷。

实施例2

本发明的线阵图像传感器像素阵列排布二个像素阵列单元，二个像素阵列单元所包含的像素行数可以相等也可以不相等，并且二个像素阵列单元的像素行数均在1～10之间。一个像素阵列单元由B类像素组成，另一个像素阵列单元由A类像素组成。

本实施例选择每个像素阵列单元包含一行像素；像素尺寸为5um x 5um，微透镜顶点高度2um；第一行为B类像素，其微透镜不偏移(微透镜与像素几何中心重合)，第二行为A2类像素，其微透镜偏移+1um(即右偏移1um)。

本实施例采用下述方法获得角度响应特性曲线：

(1)、采用平行光照射线阵图像传感器像素阵列，改变平行光入射角度r，使其在-16°～0°之间连续变化；如图12a、12b所示，平行光入射角度r每增加2°，采集一次各像素的响应信号强度，并根据公式(2)、(3)计算A2类像素的角度响应灵敏度CRA(r)^D1和B类像素的角度响应灵敏度CRA(r)^D0；根据所得到的各平行光入射角度r对应的A2类像素的相对响应灵敏度CRA(r)^D1和B类像素的相对响应灵敏度CRA(r)^D0进行拟合可得到A2类像素角度响应特性曲线的左半部分(曲线Ⅱ的左半部分)和B类像素的角度响应特性曲线的左半部分(曲线Ⅰ的左半部分)，如图7、8、10所示；

其中S(r)^D1为平行光入射角度为r时A2类像素的响应信号强度，S(r)^D0为平行光入射角度为r时B类像素的响应信号强度，S(r)^D1为平行光入射时A2类像素的响应信号强度的最大值，S(max)^D0为平行光入射时B类像素的响应信号强度的最大值，r为平行光入射角度，O为像素本底值(即像素在暗场条件下最短曝光时间响应的偏置值)；

(2)、根据公式(4)计算曲线Ⅰ与曲线Ⅱ的左半部分各平行光入射角度r的灵敏度比值；

其中P(r)^D1为平行光入射角度为r时的光响应灵敏度比值；

(3)、根据步骤(2)得到的各平行光入射角度r的灵敏度比值拟合出光线入射角度-角度灵敏度比例关系曲线(左半部曲线)。

采用上述线阵图像传感器像素阵列对物体表面缺陷进行检测的方法，包括下述步骤：

步骤一、采集两个像素阵列单元中各像素的响应信号强度，根据公式(1)计算同列像素的灵敏度比值；

其中为第i列像素的角度响应灵敏度比值，为第i列A2类像素的角度响应灵敏度，为第i列B类像素角度响应灵敏度；

步骤二、在图像传感器角度响应灵敏度比例关系特性曲线中找到角度响应灵敏度比值对应的第i列像素的主光线入射角度R；

步骤三、根据各列像素对应的主光线入射角度还原被检物表面的形貌，实现对被测物表面不规则缺陷的精细检测。

本发明不限于上述实施例，所述实施例2中还可以用A1类像素代替A2类像素。