CN105987917A - 蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法和检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法和检测系统，其将相机的镜头垂直对准待检测蓝宝石的表面，控制所述相机对蓝宝石进行拍摄，并且在所述相机对所述蓝宝石进行拍摄时，利用光源向待检测的蓝宝石表面垂直投射一束经过所述相机镜头的平行光束，运用图像处理软件对拍摄得到的蓝宝石图像进行分析，进而判断出所述蓝宝石是否存在长晶缺陷或表面缺陷。本发明能够同时对蓝宝石晶体长晶过程中的缺陷以及后加工过程中所产生的表面缺陷予以全自动智能化检测，具有检测效率快、精度高、稳定性和统一性好的特点。

Description

蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法和检测系统

技术领域

本发明涉及光学检测技术应用领域，具体涉及一种蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法和光学检测系统。

背景技术

蓝宝石晶体在生长过程中，不可避免地受到不同程度的外界复杂因素的影响。因此，晶体不可能按理想的方式发育。在实际晶体的内部构造中，质点的排列并不严格地服从空间格子规律，而是存在各种缺陷，诸如气泡、裂纹、位错等。同时，蓝宝石晶体在加工成晶圆的过程中，也不可避免地引入其他类型的缺陷，比如研磨划伤、崩边等。

目前，检测蓝宝石晶体缺陷的主要技术手段是X射线衍射的方法。但此方法存在以下几个问题：

1、检测过程较为复杂，效率不高；

2、检测设备较为昂贵，且具有一定的危险性；

3、检测内容较为单一(只能检测长晶缺陷)，无法检测后加工过程中所引入的研磨划伤、崩边等缺陷。

而检测研磨划伤和崩边等后加工表面缺陷的方式主要由人工通过显微镜予以观察。但此方法也存在效率低下，检测准确性因人而异、统一性差等无法克服的缺点。

因此，在蓝宝石行业急需有一种可以同时检测长晶缺陷、研磨划伤以及崩边等各种前后段缺陷的技术手段。本发明中所涉及的光学检测方法即是专门为解决上述问题而设计。

发明内容

本发明目的是：针对上述问题，提供一种蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法和光学检测系统，以同时对蓝宝石晶体长晶过程中的缺陷以及后加工过程中所产生的表面缺陷予以全自动智能化检测，而且本发明具有检测效率快、精度高、稳定性和统一性好的特点。

本发明的技术方案是：一种蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法，将相机的镜头垂直对准待检测蓝宝石的表面，控制所述相机对蓝宝石进行拍摄，并且在所述相机对所述蓝宝石进行拍摄时，利用光源向待检测的蓝宝石表面垂直投射一束经过所述相机镜头的平行光束，运用图像处理软件对拍摄得到的蓝宝石图像进行分析，进而判断出所述蓝宝石是否存在长晶缺陷或表面缺陷。

作为优选，所述相机为CCD相机。

一种蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测系统，包括：

其上能够水平放置蓝宝石、且水平布置的xy位移平台，

布置在所述xy位移平台上方的相机，且该相机的镜头竖直朝向下布置而与所述xy位移平台相垂直，

与所述相机相连的光源，以及

设于所述相机内、且能够将所述光源发出的发散光束转换成经过所述镜头的平行光束的光路转换机构。

该装置还包括：

用于存放蓝宝石的样品盒，

用于将蓝宝石在所述样品盒和xy位移平台之间来回搬运的工业机器人，

与所述光源和相机均相连的光源控制器，

与所述相机、工业机器人和xy位移平台均相连的控制系统。

本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述xy位移平台包括：能够沿y轴方向水平移动的纵向移动平台、驱动该纵向移动平台沿y轴方向水平移动的第一伺服电机、设于所述纵向移动平台上方且能够沿x轴方向水平移动的横向移动平台、以及驱动该横向移动平台沿y轴方向水平移动的第二伺服电机，所述第一伺服电机和第二伺服电机均与所述控制系统相连。

所述xy位移平台还包括设置在所述横向移动平台上面的载台。

所述相机为CCD相机。

所述控制系统有主控制机和控制电柜构成。

所述光源为高亮点光源。

本发明的优点是：

1、能够同时检测出蓝宝石晶体所具有的长晶缺陷以及在后加工过程中所引入的表面缺陷；

2、检测效率快、精度高、稳定性与统一性好；

3、可按照检测结果对所检测的产品予以分类；

4、全自动智能化检测，安全环保，且能够节省大量人工。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明实施例中系统的结构简图；

图2是本发明实施例中系统的检测工艺原理图；

图3是本发明实施例中系统的工作流程框架图；

其中：1-控制电柜，2-光源控制器，3-主控制机，4-相机，5-镜头，8-光源，9-蓝宝石，10-蓝宝石上的缺陷区，11-载台，12-横向移动平台，13-第二伺服电机，14-纵向移动平台，15-第一伺服电机，16-工业机器人，17-样品盒，18-平行光束。

具体实施方式

参照图2所示，本实施例所提供的这种蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法如下：将相机的镜头垂直对准待检测蓝宝石的表面，控制所述相机对蓝宝石进行拍摄，并且在所述相机对所述蓝宝石进行拍摄前的瞬间，利用光源向待检测的蓝宝石表面垂直投射一束经过所述相机镜头的平行光束，运用图像处理软件对拍摄得到的蓝宝石图像进行分析，进而判断出所述蓝宝石是否存在长晶缺陷或表面缺陷。

如图1和图2所示，本实施例还公开了一种与上述检测方法相对应的光学检测系统，该装置包括：xy位移平台、相机4、光源8、样品盒17、工业机器人16、光源控制器2、和控制系统。其中，xy位移平台水平布置，且其上能够水平放置待检测的蓝宝石9。相机4为CCD相机，其布置在所述xy位移平台的上方，且该相机4的镜头5竖直朝向下布置而与所述xy位移平台相垂直，相机4其镜头5为高清镜头。光源8与所述相机4相连，本例中该光源8为高亮点光源，其能够发射高亮度的发散光束。所谓“高亮度”，是指其能够其光线强度比环境自然光强度高出五倍以上。所述相机4内设置有一光路转换机构，该光路转换机构能够将所述光源8发出的发散光束转换成经过所述镜头5的平行光束18。由于点光源的特性，光路是发散的，但光路经过相机内设置的光路转化机构的转化后，成竖直向下的平行光。对于光学领域普通技术人员来说，具有上述这种功能的光路转换机构，其具体结构形式有多种，且均为光学领域较为常规的技术，故在此不再详述。样品盒17主要用来存放蓝宝石9。工业机器人16用于将蓝宝石9在所述样品盒17和xy位移平台之间来回搬运。光源控制器2既与所述光源8相连，又与所述相机5相连。控制系统与相机4、工业机器人16和xy位移平台均相连。

本实施例，所述xy位移平台的具体结构如下：它包括能够沿y轴方向水平移动的纵向移动平台14、驱动该纵向移动平台14沿y轴方向水平移动的第一伺服电机15、设于所述纵向移动平台14上方且能够沿x轴方向水平移动的横向移动平台12、以及驱动该横向移动平台12沿y轴方向水平移动的第二伺服电机13，所述第一伺服电机15和第二伺服电机13均与所述控制系统相连。

为了方便待检测蓝宝石9在xy位移平台上的放置，本例还在所述横向移动平台12上面专门设置了载台11。

本例中，所述控制系统由控制电柜1和主控制机3构成，主要用来控制第二伺服电机13驱动横向移动平台12作横向定位以及位置反馈，同时控制第一伺服电机15驱动纵向移动平台14作纵向定位以及位置反馈。横向移动平台12与纵向移动平台14组合成二维工作台，可通过在控制系统中编写程序，以控制该二维工作台带动其上放置的待检测蓝宝石9在平面坐标系内任意移动定位。主控制机是一台采用高端配备的工控机，负责控制系统各个单元的执行与协调，运行操作软件及检测算法软件，并最终将检测结果按照要求进行处理或者报告。

再结合图1～图3所示，现将本实施例装置的工作原理简单介绍如下：工业机械手16将待检测的蓝宝石9从样品盒17取放至载台11上，控制系统根据蓝宝石9的形状及大小控制xy位移平台进行抓拍单张图片所需的视场大小的移动定位。当移动定位完成之后，控制系统的主控制机3马上发指令给与之相连的相机4，触发相机4进行高速抓拍，与此同时，在相机4真正抓拍图像之前的瞬间，相机4会发出高速频闪控制信号给与之线路的光源控制器2，光源控制器2接收到相机4发出的高速频闪控制信号就会立即点亮光源8，光源8发出的离散光线经过相机内设置的光路转换机构的转化后，将光路转化为竖直向下的高亮度平行光束18，该平行光会直接打向蓝宝石样品9而形成指向相机镜头的反射光，这样相机4就抓拍到了当前图像。由于蓝宝石9是表面抛光的镜面，采用垂直的平行光就可以将蓝宝石9的内部缺陷和表面缺陷全部打出来。没有缺陷的区域，在成像上会呈现出高的灰度值区域图像。而有缺陷的部位(图中附图标记10)，无论是外部表面还是内部，都会由于光的散射作用，把大多的光散射走，从而形成低灰度值的区域。如此便有利于检测软件对缺陷特征点作高精度提取识别。

系统在整个工作过程中，工业机器人16进行样品的取放工作，它与主控制机3连接通讯，通过软件来控制机器人16从样品盒17内拿取新样品到检测工位检测，检测完成之后，软件会根据检测结果来控制机器人16把检测完的样品放入对应的样品盒17内指定位置。如此实现了整个系统全流程闭环自动化。新的样品会通过机器人手臂取放至检测工位，然后是xy位移平台进行抓拍定位，每次定位一个相机视野大小，软件会控制xy位移平台按照相机视野大小走完整个蓝宝石片，从而确保将整个蓝宝石片全部成像。在每次抓拍定位完成之后，都要立即触发相机抓拍，同时控制光源曝光。抓拍完成之后相机会将图片传送至控制中心(控制系统)，控制中心获取到图像先进行预置处理，主要是去除一些干扰因素，进一步提高图像对比度。然后是特征提取，这一步会将无缺陷和有缺陷的部位分离出来，然后根据要求检测缺陷内容的特点经过算法处理分析将其精确识别出来。再将所检缺陷内容通过图表等方式标注出来，最后根据要求将蓝宝石片分类分档，并通过工业机器人将各类检测完的蓝宝石片放入对应位置。

镜头5的景深是根据本发明所检测蓝宝石9的厚度来计算确定的，可以将蓝宝石9的表面及内部图像全部成像出来，实现全面检测。另外，由于控制上光源8采用的是相机4发出的同步频闪触发信号控制方式，同时，光源控制器2生成瞬间的增压效应。这样就可以在曝光瞬间使相机最佳感光，从而得到清晰度及对比度非常高的图像。如此便实现了本发明所涉及到的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷检测的高检出率。

图3是整个系统的工作流程图，它明确了各个环节的工作顺序以及相互关系。如图，控制中心是所有单元的总控，负责所有单元的控制执行及协调工作，同时运行操作软件及检测算法软件，对检测结果做处理或报告。

综上所述，本发明通过一套全自动的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷检测系统，解决了蓝宝石前段长晶工艺引起的内部缺陷以及后段加工引起的表面缺陷的全面检测。而且这套全自动的检测系统，能够实现快速高效检测，节省人工成本和由于人工长时间疲劳检测带来的误检及漏检，具有稳定的高检出率。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法，其特征在于：将相机(4)的镜头(5)垂直对准待检测蓝宝石(9)的表面，控制所述相机(4)对蓝宝石(9)进行拍摄，并且在所述相机(4)对所述蓝宝石(9)进行拍摄时，利用光源(8)向待检测的蓝宝石(9)表面垂直投射一束经过所述相机镜头(5)的平行光束(18)，运用图像处理软件对拍摄得到的蓝宝石图像进行分析，进而判断出所述蓝宝石(9)是否存在长晶缺陷或表面缺陷。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测方法，其特征在于：所述相机(4)为CCD相机。

3.一种蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测系统，其特征在于该装置包括：

其上能够水平放置蓝宝石(9)、且水平布置的xy位移平台，

布置在所述xy位移平台上方的相机(4)，且该相机(4)的镜头(5)竖直朝向下布置而与所述xy位移平台相垂直，

与所述相机(4)相连的光源(8)，以及

设于所述相机(4)内、且能够将所述光源(8)发出的发散光束转换成经过所述镜头(5)的平行光束(18)的光路转换机构。

4.根据权利要求3所述的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测系统，其特征在于该装置还包括：

用于存放蓝宝石(9)的样品盒(17)，

用于将蓝宝石(9)在所述样品盒(17)和xy位移平台之间来回搬运的工业机器人(16)，

与所述光源(8)和相机(5)均相连的光源控制器(2)，

与所述相机(4)、工业机器人(16)和xy位移平台均相连的控制系统。

5.根据权利要求4所述的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测系统，其特征在于所述xy位移平台包括：能够沿y轴方向水平移动的纵向移动平台(14)、驱动该纵向移动平台(14)沿y轴方向水平移动的第一伺服电机(15)、设于所述纵向移动平台(14)上方且能够沿x轴方向水平移动的横向移动平台(12)、以及驱动该横向移动平台(12)沿y轴方向水平移动的第二伺服电机(13)，所述第一伺服电机(15)和第二伺服电机(13)均与所述控制系统相连。

6.根据权利要求5所述的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测系统，其特征在于所述xy位移平台还包括设置在所述横向移动平台(12)上面的载台(11)。

7.根据权利要求4所述的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测系统，其特征在于所述相机(4)为CCD相机。

8.根据权利要求4所述的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测系统，其特征在于所述控制系统有主控制机和控制电柜构成。

9.根据权利要求4所述的蓝宝石长晶缺陷及表面缺陷光学检测系统，其特征在于所述光源(8)为高亮点光源。