CN102955228A - 一种机器视觉成像镜头结构 - Google Patents
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Abstract
一种机器视觉成像镜头，从物方至像方依次包括：成像前组、孔径光阑和成像后组，其中，成像前组包括正透镜、由负透镜和正透镜胶合而成的第一胶合透镜和由正透镜和负透镜胶合而成的第二胶合透镜；成像后组包括一负透镜和一正透镜。
Description
技术领域
本发明涉及光刻领域，尤其涉及用于光刻机的机器视觉成像镜头结构。
背景技术
在半导体封装光刻设备及平板显示光刻中，位置对准装置是非常重要的装置之一，其对准方式经常采用基于机器视觉技术的测量方法实现，其中成像镜头是机器视觉系统的核心部件之一，其光学性能的优劣将直接决定最终对准测量精度的高低。
一般地，高精度的测量光学系统在保证其图像锐利度和较大的放大倍率以外，其照明均匀性需要小于5％而畸变最好小于0.1％，当然如果该系统同时又是双远心系统的话，那么最后的测量精度将更能得到保证。
在申请号为201010242686.7的中国专利中给出了一种用于半导体行业的机器视觉成像镜头，特别用于硅片背面对准方面，该专利的缺陷是对现有市场上的光源功率考虑不足，要得到足够亮的近红外照明比较困难，需要重新考虑镜头的参数，另外装配也相对较复杂。
在美国专利6,639,653B2中，提出了一种双远心镜头结构，该专利的不足是运用于高倍率中等数值孔径的系统中，该结构过于复杂，增加了装校难度和成本。
在美国专利6,707,617B2中，提出了一种双远心测量镜头，相对来说镜头结构还是比较复杂，增加了加工和装配成本。
发明内容
本发明提出了一种机器视觉成像镜头，从物面至像面依次包括：成像前组、孔径光阑和成像后组，其中，
成像前组包括正透镜、由负透镜和正透镜胶合而成的第一胶合透镜和由正透镜和负透镜胶合而成的第二胶合透镜；
成像后组包括一负透镜和一正透镜。
其中，所述孔径光阑可为固定大小的光阑或者可调光阑。
其中，在所述成像后组中还具有一用于分担对系统畸变的控制的透镜。
其中，所述成像前组满足下列关系式：
n2n-n2ρ＞0.1
v2ρ-v2n＞25
n3n-n3ρ＞0.1
v3ρ-v3n＞25
0.6f1＜|R4|＜0.9f1
f1＜|R7|＜1.5f1
其中n2n为成像前组中第一胶合透镜中负透镜的材料折射率，n2ρ为成像前组中第一胶合透镜中正透镜的材料折射率，v2n为成像前组第一胶合透镜中负透镜材料的阿贝数，v2ρ为成像前组中第一胶合透镜中正透镜材料的阿贝数，n3n，v3n，n3ρ，v3ρ分别为成像前组中第二胶合透镜中负透镜的折射率和阿贝数、正透镜的折射率和阿贝数，R4和R7分别为第一和第二胶合透镜的胶合面的曲率半径；f1为成像前组的焦距。
其中，还具有一照明部分。
其中，在所述成像前组前方还具有一反射元件，在所述成像前组和所述孔径光阑之间还具有一分光元件，所述分光元件用于把从所述照明部分出射的照明光束转到所述物面并透射从所述物面过来的光。
其中，所述照明部分从一照明光源至所述分光元件依次具有光源接口、第一照明镜组、视场光阑、反射元件、第二照明镜组以及照明孔径光阑。
其中，所述照明光源可为光纤光源，LED光源，卤素灯，汞灯光源灯，或激光光源等。
其中，所述视场光阑和所述照明孔径光阑可为固定大小的光阑或者可调光阑。
其中，所述照明部分采用柯勒照明。
其中，所述成像前组满足下列关系式：
0.6f1＜|R4|＜0.9f1
f1＜|R7|＜1.5f1
其中，f1为成像前组的焦距，R4和R7分别为第一胶合透镜和第二胶合透镜的胶合面的曲率半径。
其中，所述成像镜头还包括一照明部分。
其中，在所述成像前组和所述孔径光阑之间还具有一分光元件，所述分光元件用于把从所述照明部分出射的照明光束转到物面并透射从物面过来的光。
其中，所述照明部分从至少两个照明光源至所述分光元件依次包括光源接口、第一照明镜组、反射元件、第二照明镜组以及照明孔径光阑。
其中，所述至少两个照明光源发出不同波段的光。
其中，所述至少两个照明光源发出的不同波段的光通过光纤耦合至所述光源接口。
其中，在所述像面处具有一用于采集图像的探测器，以及与所述探测器电性连接的控制器。
其中，所述照明光源是利用分光棱镜、分光平板或者滤光片获得不同波段的光形成。
利用上述镜头进行对准测量的方法，具有下述步骤：
步骤一：探测器采集图像；
步骤二：控制器判断由两种光源照明分别得到的图像质量；
步骤三：控制器根据图像质量结果确定打开相应光源；
步骤四：采集图像信息，进行对准。
用于硅片背面对准测量，能接收穿过所述硅片的近红外波段的光。
其中，所述硅片的厚度小于150um，所述光的波段为980-1050nm。
其中，所述硅片的厚度大于150um，所述光的波段为1050-1200nm。
其中，所述成像镜头的数值孔径为0.15-0.25，所述镜头的放大倍率为6-12。
本发明对于用在背面对准领域的测量镜头参数给出了较合理的范围；提出了一种相对比较简单的高倍率双远心中等数值孔径的镜头结构；还提出了一种利用轴上色差加大成像系统景深的镜头结构。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1所示为根据本发明第一实施例的成像镜头的结构示意图；
图2所示为根据本发明第一实施例的成像镜头的畸变图；
图3所示为根据本发明第一实施例的成像镜头的场曲图；
图4所示为根据本发明第二实施例的成像镜头的结构示意图；
图5所示为根据本发明第二实施例的成像镜头的照明均匀性图；
图6所示为根据本发明第三实施例的成像镜头的结构示意图；
图7所示为采用根据本发明第三实施例的成像镜头时的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
本发明涉及一种机器视觉成像镜头，该镜头的照明系统采用了照明均匀性好且照明孔径角和照明视场均可控制的柯勒照明系统，而成像系统则采用了非对称型的高倍率双远心系统。从而，本发明提供的机器视觉成像镜头可以得到比现有的成像镜头高的测量精度和较低的机械设计装配难度，并且能减少成像系统的成本。另外，在本发明中提出了一种利用光学系统的轴上色差，加大系统景深的方法，在一些使用场合中会得到方便。特别地，对用于半导体对准中穿透硅片面成像的光学系统参数做了一些深入思考，对该种镜头的镜头参数给出了合理地限制。
第一实施例
本实施例给出了一种结构简单的双远心中等数值孔径成像镜头。
图1所示为根据本实施例的双远心中等数值孔径成像镜头，该镜头的光学系统为双远心低畸变放大系统，从物方至像方依次包含成像前组G1，孔径光阑SA和成像后组G2；其中成像前组G1由三部分组成，分别为正透镜L1，还有由负透镜和正透镜胶合而成的胶合透镜L2，和由正透镜和负透镜胶合而成的胶合透镜L3，成像前组G1主要对物方接受到的光束进行会聚并消除系统中的轴上色差，球差等；孔径光阑SA，用于决定系统接受光线的孔径角，可为固定大小的光阑或者可调光阑；而成像后组G2，由负透镜L4和正透镜L5组成，对前面会聚的光束进行扩大，起到放大作用，另外控制整个系统的畸变；若在应用中对畸变的要求非常高，可在成像后组G2里面适当增加一个透镜来分担对系统畸变的控制。在像面的接收器可为CCD或者CMOS，也可作为二次成像面用。
其中成像前组G1满足下列关系式：
n2n-n2ρ＞0.1
v2ρ-v2n＞25
n3n-n3ρ＞0.1
v3ρ-v3n＞25
0.6f1＜|R4|＜0.9f1
f1＜|R7|＜1.5f1
其中n2n为成像前组G1胶合透镜L2中负透镜的材料折射率，n2ρ为成像前组G1胶合透镜L2中正透镜的材料折射率，v2n为成像前组G1胶合透镜负透镜材料的阿贝数，v2ρ为成像前组G1胶合透镜L2正透镜材料的阿贝数，n3n，v3n，n3ρ，v3ρ分别为成像前组G1中胶合透镜L3负透镜的折射率和阿贝数，正透镜的折射率和阿贝数。而R4和R7为两个胶合透镜的胶合面的曲率半径；f1为成像前组G1的焦距。该系统的数值孔径为0.2，倍率为10倍，波段为近红外波段，透镜的曲率中心相对于曲面位于像面一侧为正，位于物面一侧为负。
该镜头中各部件的具体数据如表1所示。
表1
| 面序号 | 曲率半径 | 厚度 | 折射率 | 阿贝数 |
| 1 | Infinity | 50 | ||
| 2 | 103.7564 | 4.488147 | 1.589128， | 61.24761 |
| 3 | -37.14108 | 0.3493741 | ||
| 4 | 92.89428 | 1.999674 | 1.846670， | 23.79124 |
| 5 | 24.9444 | 5.581172 | 1.589128， | 61.24761 |
| 6 | -102.4092 | 0.3497892 | ||
| 7 | 28.52254 | 6.000066 | 1.589128， | 61.24761 |
| 8 | -47.60038 | 5.000084 | 1.846670， | 23.79124 |
| 9 | 49.52816 | 19.8121 | ||
| SA | Infinity | 58.91984 | ||
| 11 | -14.61956 | 3 | 1.589128， | 61.24761 |
| 12 | 21.1483 | 50.00043 | ||
| 13 | -1287.532 | 4.5 | 1.755205， | 27.54744 |
| 14 | -46.17237 | 39.99971 |
该镜头的畸变和场曲如图2和图3所示。根据图2可知，该镜头的畸变被控制在0.01％以内。
由于成像波段为近红外波段，可穿透硅片，故可用于穿透硅片后进行精密测量的领域。通过实验和分析，得知这种用于半导体背面对准用途的镜头，物方远心是必须的，最好是物象方双远心结构；另外，考虑工艺适应性的要求，镜头的数值孔径保持在0.15-0.25之间比较合理；镜头的放大倍率考虑到现有近红外光源的功率和耦合效率，倍率控制在6-12倍之间较合理；镜头设计时候选用的波长，若硅片厚度在150um以下，则980-1050nm之间的波段是较合理的，若硅片厚度在150um以上，对准波段最好采用1050-1200nm的波段。
第二实施例
本实施例提供了另外一种带同轴照明的双远心低畸变成像镜头，其结构如图4所示。该镜头的成像部分从物方至像方依次包含反射元件L7，可为反射棱镜或者反射平板等；成像前组G1；分光棱镜L6，可由其他分光器件代替，比如分光平板，用于把照明光束转到物面并透过物面过来的光最后达到像面；孔径光阑SA，可为固定大小的光阑或者可调光阑；成像后组G2。其中成像前组G1由三部分组成，从物方至像方依次为正透镜，由负透镜和正透镜胶合而成的第一胶合透镜，和由正透镜和负透镜胶合而成的第二胶合透镜，成像前组G1主要对物方接受到的光束进行会聚并消除系统中的轴上色差，球差等。而成像后组G2，从物方至像方方向，依次具有一负透镜和一正透镜，对前面会聚的光束进行扩大，起到放大作用，另外控制整个系统的畸变；若在应用中对畸变的要求非常高，可在成像后组G2里面适当增加一个透镜来分担对系统畸变的控制。照明部分包含照明光源，图上未画出，可为光纤光源，LED光源，卤素灯，汞灯光源灯，激光光源等；所示LP面为与光源接口处，可为光纤端口，点光源口等，；第一照明镜组G4；视场光阑FA，可为固定大小的孔径或者可调光阑，也可适应装配后照明和成像不同轴引起的后果，即降低系统的分辨率等，另外也可以控制系统的杂光；反射元件L8，可为反射棱镜或者平面反射镜等能实现光线转向作用的元件；第二照明镜组G3；照明孔径光阑SA2，该孔径光阑可为固定大小光阑或者可调光阑，用于调整照明光束孔径角的大小，可控制杂光，也可适应装配后造成的成像和照明光轴不同轴引起的后果。
其中成像前组G1满足下列关系式：
n2n-n2ρ＞0.1
v2ρ-v2n＞25
n3n-n3ρ＞0.1
v3ρ-v3n＞25
0.6f1＜|R4|＜0.9f1
f1＜|R7|＜1.5f1
其中n2n为成像前组G1中第一胶合透镜中负透镜的材料折射率，n2ρ为成像前组G1中第一胶合透镜中正透镜的材料折射率，v2n为成像前组G1第一胶合透镜中负透镜材料的阿贝数，v2ρ为成像前组G1中第一胶合透镜中正透镜材料的阿贝数，n3n，v3n，n3ρ，v3ρ分别为成像前组G1中第二胶合透镜中负透镜的折射率和阿贝数、正透镜的折射率和阿贝数，R4和R7分别为第一和第二胶合透镜的胶合面的曲率半径；f1为成像前组G1的焦距。
本实施例采用的是柯勒照明，照明均匀性高且能控制照明孔径角和视场的大小，有利于进一步提高系统的性能和测量精度。
本实施例的镜头的照明均匀性分析图如图5。由图5可知，本实施例的照明方式能提供更高的照明均匀性；并由前面的分析可知，这种照明方式对于消杂光和适应不同使用工艺条件，保证光学系统的光学性能都有好处。
第三实施例
在半导体行业内，有一种离轴对准方式称为背面对准，该应用是利用近红外光可穿透一定厚度硅片的性质，设计一个近红外光学系统来实现精密对准；但是在实际使用的时候，可能会有不同厚度的硅片需要进行对准，范围可能在20-700um范围之内。
本实施例就是为了解决这个问题，利用光学材料会产生轴上色差这一性质，来变相加大光学系统的景深范围，从而提高系统的工艺适应性和节省成本。这种方法也可用于透明基底的对准领域。
本实施例的镜头的结构如图6所示，成像部分从物方至像方依次包括成像前组G1；分光棱镜，可由其他分光器件代替，比如分光平板，用于把照明光束转到物面并透过物面过来的光最后达到像面；孔径光阑SA，可为固定大小的光阑或者可调光阑；以及成像后组G2。其中成像前组G1由三部分组成，从物方至像方依次为弯月透镜，由负透镜和正透镜胶合而成的第一胶合透镜，和由正透镜和负透镜胶合而成的第二胶合透镜，成像前组G1主要对入射到物方的光束进行会聚并消除系统中的轴上色差，球差等。而成像后组G2，从物方至像方，依次具有一负透镜和一正透镜，对前面会聚的光束进行扩大，起到放大作用，另外控制整个系统的畸变；若在应用中对畸变的要求非常高，可在成像后组G2里面适当增加一个透镜来分担对系统畸变的控制。P1为探测器，可为CCD，CMOS，二次成像面等；P2为控制器，可用于控制打开哪个光源及控制电压，另外也可判断图像质量的好坏，以决定采用什么光源照明。
照明部分包含第一照明光源1和第二照明光源2，光源1和光源2具有不同的波段，可为LED光源、卤素灯光源、汞灯光源或者激光器光源灯等；从光源1和光源2发出的光经光纤传输至LP面，所述光纤是二合一光纤，当然也可以为三合一或多合一来实现多波段光照物面(也可用其他形式，比如分光棱镜、分光平板或者特殊的滤光片来实现多波段的照明)；LP面为与光源接口处，可为光纤端口，点光源口等，它所处的位置是孔径光阑SA沿分光面SP的镜像位置；第一照明镜组；视场光阑FA，可为固定大小的孔径或者可调光阑，也可适应装配后照明和成像不同轴引起的后果，即降低系统的分辨率等，另外也可以控制系统的杂光；反射元件，可为反射棱镜或者平面反射镜等能实现光线转向作用的元件；第二照明镜组；照明孔径光阑SA2，该孔径光阑可为固定大小光阑或者可调光阑，用于调整照明光束孔径角的大小，可控制杂光，也可适应装配后造成的成像和照明光轴不同轴引起的后果。
由于需要人为增大该成像系统的轴上色差，所以在成像前组G1中必须留下比较大的轴向色差，其中需满足的条件放宽如下：
0.6f1＜|R4|＜0.9f1
f1＜|R7|＜1.5f1
f1为成像前组G1的焦距，R4和R7分别为第一胶合透镜和第二胶合透镜的胶合面的曲率半径。
表2所示为本实施例的一组较佳的镜头数据：
表2
对于硅片标记大于6um的情形下，该系统可适应硅片50-600um的厚度变化范围；当硅片标记不小于10um的情形下，该系统可适应硅片厚度0-750um的变化范围。实际应用的时候，通过一定的图像像质算法，对两种不同波段得到的图像进行对比，有控制器自主控制开启哪个光源，从而实现对不同硅片厚度的对准测量。
测量的大致流程如图7所示，具有下述步骤：
步骤一：探测器P1采集图像；
步骤二：控制器P2判断由两种光源照明分别得到的图像质量；
步骤三：控制器P2根据图像质量结果确定打开哪个光源；
步骤四：采集图像信息，进行对准。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (23)
1.一种机器视觉成像镜头，从物面至像面依次包括：成像前组、孔径光阑和成像后组，其中，
成像前组包括正透镜、由负透镜和正透镜胶合而成的第一胶合透镜和由正透镜和负透镜胶合而成的第二胶合透镜；
成像后组包括一负透镜和一正透镜。
2.如权利要求1所述的成像镜头，其中，所述孔径光阑可为固定大小的光阑或者可调光阑。
3.如权利要求1所述的成像镜头，其中，在所述成像后组中还具有一用于分担对成像系统畸变控制的透镜。
4.如权利要求1中任意一个所述的成像镜头，其中，所述成像前组满足下列关系式：
n2n-n2ρ＞0.1
v2ρ-v2n＞25
n3n-n3ρ＞0.1
v3ρ-v3n＞25
0.6f1＜|R4|＜0.9f1
f1＜|R7|＜1.5f1
其中n2n为成像前组中第一胶合透镜中负透镜的材料折射率，n2ρ为成像前组中第一胶合透镜中正透镜的材料折射率，v2n为成像前组第一胶合透镜中负透镜材料的阿贝数，v2ρ为成像前组中第一胶合透镜中正透镜材料的阿贝数，n3n，v3n，n3ρ，v3ρ分别为成像前组中第二胶合透镜中负透镜的折射率和阿贝数、正透镜的折射率和阿贝数，R4和R7分别为第一和第二胶合透镜的胶合面的曲率半径；f1为成像前组的焦距。
5.如权利要求1所述的成像镜头，其中，还具有一照明部分。
6.如权利要求5所述的成像镜头，其中，在所述成像前组前方还具有一反射元件，在所述成像前组和所述孔径光阑之间还具有一分光元件，所述分光元件用于把从所述照明部分出射的照明光束转到所述物面并透射从所述物面过来的光。
7.如权利要求6所述的成像镜头，其中，所述照明部分从一照明光源至所述分光元件依次具有光源接口、第一照明镜组、视场光阑、反射元件、第二照明镜组以及照明孔径光阑。
8.如权利要求7所述的成像镜头，其中，所述照明光源可为光纤光源，LED光源，卤素灯，汞灯光源灯，或激光光源。
9.如权利要求7所述的成像镜头，其中，所述视场光阑和所述照明孔径光阑可为固定大小的光阑或者可调光阑。
10.如权利要求5所述的成像镜头，其中，所述照明部分采用柯勒照明。
11.如权利要求1所述的成像镜头，其中，所述成像前组满足下列关系式：
0.6f1＜|R4|＜0.9f1
f1＜|R7|＜1.5f1
其中，f1为成像前组的焦距，R4和R7分别为第一胶合透镜和第二胶合透镜的胶合面的曲率半径。
12.如权利要求11所述的成像镜头，其中，还包括一照明部分。
13.如权利要求12所述的成像镜头，其中，在所述成像前组和所述孔径光阑之间还具有一分光元件，所述分光元件用于把从所述照明部分出射的照明光束转到物面并透射从物面过来的光。
14.如权利要求13所述的成像镜头，其中，所述照明部分从至少两个照明光源至所述分光元件依次包括光源接口、第一照明镜组、反射元件、第二照明镜组以及照明孔径光阑。
15.如权利要求14所述的成像镜头，其中，所述至少两个照明光源发出不同波段的光。
16.如权利要求15所述的成像镜头，所述至少两个照明光源发出的不同波段的光通过光纤耦合至所述光源接口。
17.如权利要求16所述的成像镜头，其中，在所述像面处具有一用于采集图像的探测器，以及与所述探测器电性连接的控制器。
18.如权利要求14所述的成像镜头，其中，所述照明光源是利用分光棱镜、分光平板或者滤光片获得不同波段的光形成。
19.利用如权利要求17所述的镜头进行对准测量的方法，具有下述步骤：
步骤一：探测器采集图像；
步骤二：控制器判断由两种光源照明分别得到的图像质量；
步骤三：控制器根据图像质量结果确定打开哪个光源；
步骤四：采集图像信息，进行对准。
20.如权利要求1所述的方法，用于硅片背面对准测量，能接收穿过所述硅片的近红外波段的光。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述硅片的厚度小于150um，所述光的波段为980-1050nm。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述硅片的厚度大于150um，所述光的波段为1050-1200nm。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述成像镜头的数值孔径为0.15-0.25，所述镜头的放大倍率为6-12。
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