CN100347584C - 共轴小角度暗场光照 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共轴小角度暗场成像系统。本系统利用远心透镜，以对称的共轴小角度暗场照明来照明物体。该照明技术特别适合用于突出显示平面镜反射物体上细微的细节或疵点。光线通过远心透镜，反射回摄像机。就物体的平面镜反射部分反射的光线而言，这些光线被远心光阑阻挡。平面镜反射物体中的疵点或细节反射的光线，则通过摄像机光阑中的孔径。

Description

共轴小角度暗场光照

技术领域

本发明涉及成像的光学装置及有关的照明系统，具体说，是涉及一种设备，能向有至少一种疵点的平面镜反射物体，提供共轴小角度的暗场照明。

背景技术

有一大类半导体产品主要是平面的且镜反射的(平整并有光泽)，而且，常常需要对这些装置成像，使与平面及镜反射哪怕细微的偏离，也能以适当的反差成像。一类这种产品，除有其他记号外，还有指示晶片号码和制造商记号的半导体晶片。这些记号是在晶片表面的疵点，且通常是激光蚀刻坑的矩阵。本领域中，这些记号被称为“软标记”。必须对这些标记成像，以便在制造过程的各个步骤中，读出这些代码。

在这些装置已经被切开(一般用锯切割成个别的矩形装置)之后，可能需要检查小芯片的边缘和可能随时间传播并导致未完成的装置失效的裂纹。这些检查过程是自动的并使用与数字电子计算机结合的电子成像摄像机，该电子计算机被编程，执行必要的检查、测量、和识别。

一般说，暗场光照是一种本领域熟练人员熟知的技术，并对检查镜反射物体上的疵点特别有用。暗场光照的定义取决于照明光源的性质、照明光源相对于物体及观察者或摄像机的位置、和被照明物体的性质。为满足暗场光照的定义，入射物体上的照明的大部分，必须沿不进入观察者或摄像机光学孔径的一个方向或多个方向反射。暗场照明能够与亮场照明匹敌，在亮场照明中，光的大部分直接反射进摄像机中。

参照图1，暗场光照可以通过放置光源，使它与摄像机及物体之间的直线成一定角度照在物体上而获得。该角度必须大于物体漫射光的角度。如果物体一般有漫反射性质，那么该角度必须大于物体通过漫反射而分布入射照明的半角。如果物体是镜反射的，就是说，如果物体使入射照明在小的角度上或以非常低的效率或两者兼有地漫射，那么该角度将是非常小的。

理想的情形是使照明光源对称。在此情形中，光源可以制成环状的，并与光轴共轴地放置，或者把多个光源排列成环状。环的直径及环接近物体的程度，确定入射物体照明的角度范围。本领域熟练人员中，这种光被称为环形光，并构造成各种“高角度的”或“低角度的”环形光。

在使某些物体的成像中，希望突出显示要么基本是平面要么基本是镜反射表面中非常细微的细节。这些细微的细节，包括软标记和已切开的装置的边缘。为此，必须把照明光源尽量接近与成像系统同轴，不使照明光源直接反射进成像系统中，就是说，必须成小角度。要达到该目的的最有效方式，如目前所知，是借助隔板，并在照明光源、物体、隔板、和成像系统之间提供专门的对准。

这种方式的一种实施方案，可从共同授予的美国专利No.5,737,122中了解，该专利的标题为Illumination System for OCR ofIndicia on A Substrate(本文此后称为′122专利)。图2画出′122专利中的一个实施例。′122专利说明，摄像机的轴和光照模块的轴，按互余锐角对称地围绕镜反射物体的法线。小角度的暗场光紧靠光轴，并为防止暗场光被摄像机直接成像，通过置于成像光路中的隔板，避免暗场光的直接成像。隔板的位置限制了成像器的视场，但可以认为这是可接受的折衷。在这些设计中，小角度暗场光照由两排相对的侧光构成，且只有一重对称性。当对晶片上通常构成批代码和序列号的符号的圆形坑成像时，该一重对称性能够导致降质的像。

发明内容

本发明给出一种成像系统，用于使平面镜反射物体上的疵点成像。本系统包括有确定的轴和焦点的远心透镜。该远心透镜适合向摄像机提供该物体的像。精确放置的照明光源，用于沿远心透镜的轴照明该物体。对镜反射物体，其内包含孔径的远心光阑，阻挡从平面镜反射物体反射的光，同时让从疵点反射的光通过孔径。具有入射光瞳的第二透镜组，该入射光瞳放置在远心光阑和摄像机之间。其中第二透镜组即后部的透镜组。

按照本发明的另一方面，是提供光束分束器，以便使照明光源可以垂直于远心透镜的轴精确放置。

按照本发明的另一方面，是把远心光阑的孔径，精确放置在远心透镜的焦点附近。

按照本发明的另一方面，是提供后部的透镜组，该后部透镜组把疵点的像聚焦在摄像机上。

按照本发明的另一方面，是使照明光源包括圆形的LED组。

当结合附图，阅读实施本发明最佳模式的如下说明时，本领域熟练人员将能清楚本发明的其他应用。

附图说明

本文的说明是参照附图作出的，其中，这些视图始终以相同的参考数字指示相同的部件，附图有：

图1画出暗场照明概念的一般表示；

图2说明现有技术中包含隔板的照明系统；

图3按照本发明，画出第一优选实施例的局部图解的、局部截面的简图；

图4表示包括软标记的硅晶片；

图5是按照本发明使用的光源的平面视图；和

图6按照本发明，画出第二优选实施例的局部图解的、局部截面的简图。

具体实施方式

本发明针对的要求是，照明并形成主要是平面且镜反射表面的像，使与被成像物体的平面性或镜反射性的偏离，能以增强的反差再现。如下所述，本发明的实施例利用远心透镜，以对称的共轴小角度暗场照明来照明物体。这种照明技术特别适合突出显示平面镜反射物体上细微的细节或疵点。这类物体的具体例子，包括硅晶片，而这些疵点可以包括硅晶片上的软标记符号和/或在芯片尺度的装置上边缘的不规则性。

具体说，光源向远心透镜提供环形圆锥状光线。远心透镜向着基本是平面镜反射物体再引导光线，使光线平行并垂直于物体。平面镜反射物体的性质，是以与入射角互补的角度反射光，在本例子中，该入射角垂直于物体表面。在反射时，光线是生成像的光线。像的光线，将从基本是平面镜反射物体往回反射，并通过远心透镜的逆变换，到达它们始发的点。该系统提供远心光阑，上有与光源重合的中心孔径，使基本上没有到达摄像机的光通过。但是，如果在镜反射表面中有疵点，则光被干扰，并可能有一些部分的光，通过远心光阑的孔径，落在摄像机上。

现在参考图3，图上按照本发明，画出第一个优选的光学成像系统100局部图解的、局部截面的简图。图3画出平面物体102。平面物体102最好是硅晶片104，在图4中更详细画出该硅晶片。硅晶片104本性上是镜反射的。硅晶片104通常包括诸如软标记105等疵点。软标记105由激光蚀刻的坑的集合构成，并提供关于硅晶片104的信息。硅晶片104还包括多个半导体装置106。虽然本发明就检查硅晶片104方面，并具体就软标记105的成像方面进行说明，但应当指出，本发明同样可应用于其他平面物体的成像。例如，当半导体装置106被切开后，可以检查它们边缘上的疵点。

继续参考图3，光学成像系统100包括一对分别构成后部组108和远心场透镜110的透镜组。用于后部透镜组108和远心场透镜110两者的合适透镜来源，是Edmund Scientific。下面还要详细说明，后部透镜组108和远心场透镜110一起工作，把软标记105的像113引导到摄像机200。摄像机200最好是包括CCD或CMOS型传感器的数字摄像机。

后部透镜组108由校正的物镜集合定义，并包括入射光瞳109。后部透镜组108最好畸变要低，并有足够的补充摄像机200的分辨能力。应当指出，后部透镜组108可以根据使用的摄像机200类型而不同。

应当指出，远心场透镜110是作为远心场透镜工作的，它使物体的成像沿物体102的平面成为远心的。换句话说，光线在它们离开远心透镜110时是相互平行的，且最好垂直于物体102的平面。应当指出，当被光源118照明时，远心透镜110和透镜组108的工作，是在摄像机200上形成像113。远心透镜110有许多确定的特征，包括轴111和远心孔径或焦点112。如在图3所示，远心场透镜110的焦点112与后部透镜组108的入射光瞳109重合。轴111定义系统100的光轴，使后部透镜组108与摄像机共同沿轴111精确放置。

还提供照明光源118。精确放置照明光源118，以便给出与远心场透镜110的轴111共轴的小角度光照。图3画出光源118物理上沿轴111的第一优选定位。应当指出，并如下所述，光源118能够按光学上等价的方式，在物理上定位在远离轴111的位置。

远心光阑116位于后部透镜组108与远心场透镜110之间，并以远心场透镜110的轴111为中心。远心光阑116最好放在后部透镜组108的入射光瞳109附近。远心光阑116最好是包括中心孔径117的物理光阑。孔径117也定位在远心透镜110的焦点112附近。

优选的照明光源画在图5。参考图5，图上画出利用多个LED 120的环形光源，安装在印刷电路板121上。应当指出，印刷电路板121可以起远心光阑116的作用。印刷电路板121包括孔径121A，该孔径121A的大小，至少如远心光阑116中心孔径117那么大。在与远心光阑116一起使用可变光阑孔径的情形，孔径121A必须如设置的可用最大孔径那么大。图上画出的LED 120被组织成内部圆形组119A和外部圆形组119B。但应当指出，内部圆形组119A和外部圆形组119B向物体102提供稍有不同的小角度光照。内部和外部组119A、119B可以一起照明或交替照明，取决于物体102的质量。应当指出，可以提供附加的LED圆形组。

系统对疵点类型的灵敏度，主要由远心透镜110和光源直径之间的焦距比确定。本发明提供一种调整该灵敏度的方式。具体说，可以使用不同的环形光源119A和119B的直径，或者调整远心光阑116的孔径117的直径。通过使用可变光阑，孔径117可以是可调整的，从而为系统提供可调整的焦距比。

图6画出在光学上与图3所示实施例等价的第二优选实施例。如图6所示，第二优选实施例包括局部反射的反射镜或光束分束器132，精确沿远心场透镜110的轴111放置。光束分束器132能使光源118垂直于远心场透镜110的轴111放置。在该第二优选实施例中，光源118放置在等价于远心光阑116位置的位置上。

再参考图3，光源118使光线128和130向远心场透镜110投射，以便光线128和130聚焦在物体102附近，并保持基本平行。应当指出，光线128和130是作为环形圆锥投射的，在它们通过远心透镜110后变成平行。光线作为像的形成光线122、124、和126，从物体102反射。在光线128和130从物体102的镜反射部分反射的情形，像的形成光线122和126将落在远心光阑116上而不进入透镜组108。特别是像的光线122和126，将从基本平面的镜反射表面反射回去，产生环形的照明圆锥，该照明圆锥将作为镜反射像，返回它们的原点。但是，当光线128和/或130从疵点反射时，像的形成光线124将通过远心光阑116中的孔径117，被透镜组108聚焦，并在摄像机200上形成像113。

参考图6的第二优选实施例，该系统除光束分束器132以外，按与上述等价的方式工作。具体说，光束分束器132的作用，是降低最终通过远心光阑116孔径117的光的灵敏度。

本发明比现有技术有显著的优点。即，光轴与小角度暗场光照之间的角度，可以任意地小，以致必要时可以达到成为亮场光照的程度。另外，如上所述，可以通过选择不同的光照直径，或者通过调整远心光阑的孔径，来调整系统的灵敏度。另外，因为消除了现有技术要求的隔板，所以能够使用摄像机的全部视场。本系统还在整个视场上提供全圆形的对称性。

虽然已经结合目前认为最可实现和优选的实施例，说明了本发明，但应当指出，本发明不受公开的实施例限制，相反，本发明覆盖后附的权利要求书的精神和范围中各种变化及等价安排，该范围将按最广义的解释，以便涵盖法律所允许的所有这种变化及等价的结构。

Claims (14)

1.一种使平面镜反射物体上的疵点成像的成像系统，包括：

有确定的轴和焦点的远心透镜，该远心透镜适合向摄像机提供该物体的像；

照明光源，被放置用于沿远心透镜的轴照明该物体；

其内包含孔径的远心光阑，被放置用于阻挡从平面镜反射物体反射的光，同时让从疵点反射的光通过孔径；和

具有入射光瞳的第二透镜组，该入射光瞳放置在远心光阑和摄像机之间。

2.按照权利要求1的成像系统，其中的疵点是软标记。

3.按照权利要求1的成像系统，其中远心透镜的焦点，与第二透镜组的入射光瞳重合。

4.按照权利要求3的成像系统，其中的照明光源，包括至少一组通常为圆形的照明单元组。

5.按照权利要求4的成像系统，其中的远心光阑紧靠该圆形照明单元组放置。

6.按照权利要求3的成像系统，其中的照明光源包括多组同心的通常为圆形的照明单元组。

7.按照权利要求1的成像系统，还包括放置在远心光阑孔径中的可变光阑孔径，从而使远心透镜的焦比成为可调整的。

8.一种使平面镜反射物体上的疵点成像的成像系统，包括：

放置在物体附近的远心透镜，该远心透镜有确定的轴和焦点，适合向摄像机提供该物体的像；

沿远心透镜轴放置的光束分束器；

垂直于远心透镜轴放置的照明光源，并放置在把多束光线向光束分束器引导的位置，以便沿远心透镜轴照明物体；

其内包含孔径的远心光阑，该远心光阑沿远心透镜轴放置，以阻挡从平面镜反射物体反射的光，同时让从疵点反射的光通过孔径；和

具有入射光瞳的第二透镜组，该入射光瞳放置在远心光阑和摄像机之间。

9.按照权利要求8的成像系统，其中的疵点是软标记。

10.按照权利要求8的成像系统，其中远心透镜的焦点，与第二透镜组的入射光瞳重合。

11.按照权利要求8的成像系统，其中的照明光源，包括至少一组通常为圆形的照明单元组。

12.按照权利要求11的成像系统，其中的远心光阑紧靠该圆形照明单元组放置。

13.按照权利要求8的成像系统，其中的照明光源包括多组同心的通常为圆形的照明单元组。

14.按照权利要求8的成像系统，还包括放置在远心光阑孔径中的可变光阑孔径，从而使远心透镜的焦点成为可调整的。

Images