CN111044524A - 实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置及方法，该装置包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、第一组转像光学元件和半导体晶粒，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有第二组转像光学元件，半导体晶粒的两个侧面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。本申请解决了相对两侧面检测不等光程成像与不等照度照明的问题，实现了半导体晶粒相对两侧面的等光程成像与等照度照明的检测。通过适当的光程补偿（如在天面成像光路中插入一块与载物台一样的透明玻璃板），也可实现晶粒底面与天面相对两面的等光程成像与等照度照明的检测。

Description

实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置及 方法

技术领域：

本发明属于光学检测和机器视觉领域，尤其涉及一种实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置及方法。

背景技术：

传统的机器视觉光学检测装置主要包含相机、成像镜头、照明光源、图像处理算法软件、电气控制、机械结构、待测物体（如半导体晶粒）等；由光源照明物体，物体通过光学成像镜头在CCD探测器面上获得物体的像，经图像采集卡，A-D转换模块将图像传输至计算机，最后通过数字图像处理技术获得所需图像信息，根据像素分布，亮度，颜色等信息，进行尺寸、形状、颜色的判别与测量，进而控制现场的设备操作；如果要同时检测单个物体的两个面，目前通用的检测方法都是一个相机占用一个工位检测一个面，如果需要同时检测两个面或以上，就需要采用多个相机占用多个工位检测，这样就造成机构安装空间大，同时需要多套机构安装模组，多套电路模组，增加了安装复杂性，降低了系统可靠性。

基于单镜头单面检测技术的传统机器视觉光学检测装置存在检测效率、性价比、结构复杂等经济技术局限性，此外，在待测物体的在线检测中，由于物体在成像镜头光轴方向上的抖动，或许由于待测物体本身厚度的公差，造成不同的物体在CCD接收平面上像位置的变化而产生的清晰度的变化，通常采用有一定景深的物方远心成像镜头来解决这个问题。

申请人提出了半导体晶粒相邻或相对两个表面同时检测的光学装置与方法，它可以改进表面缺陷检测的效率、性价比、结构复杂性与可靠性。

如图1所示，提出一种同时对物体（半导体晶粒）天面与底面两个表面进行光学检测的装置及方法，包括：水平的透明玻璃载物台A4、设置在所述透明玻璃载物台下方的直角转像棱镜A5、以及设置在所述透明玻璃载物台上方的远心成像镜头A2、相机A1和内置同轴照明光源A6；所述直角转像棱镜的斜面朝向透明玻璃载物台且与透明玻璃载物台平行；所述直角转像棱镜、远心成像镜头和相机共轴，该方法主要采用直角转像棱镜的二次反射实现对同一待测晶粒的天面与底面的同时检测。

上述技术由于双面检测光学系统的两支光路使用不同数量的光学元件，两面检测成像光路的物方光程不相等，需要采用专门设计的大景深远心成像镜头，或特定的光程差补偿设计方案来获得待测晶粒的天面与底面两个表面均能清晰成像，或两者的结合来解决。

如图2所示，提出一种同时对物体（半导体晶粒）侧面与底面两个相邻表面进行光学检测的装置及方法，包括：水平的透明载物台B5、45°角的半透半反射分束器B3及其上方的相机B1和远心成像镜头B2、下方的直角转像棱镜B6，右方的照明光源B7；所述相机和远心成像镜头朝下设置于分光镜的上方；所述直角转像棱镜设置于透明玻璃载物台和分束器的下方，且其斜面与透明玻璃载物台平行并朝向透明玻璃载物台。

上述技术由于双面检测系统的两支光路虽然可以获得物方的等光程成像，但是由于两支光路经过不同数量的光学元件，不同次数的反射与折射，两支强度相等的光束到达待测晶粒表面时的照度将不同。

现有技术局限于：（1）一个相机与镜头对半导体晶粒相对两个面（天面与底面，或相对两个侧面）的同时检测；或（2）一个相机与镜头对半导体晶粒相邻两个面（侧面与天面，侧面与底面）的同时检测，但是在半导体晶粒的双面同时检测的实施中，通常遇到以下两个新问题：（1）双面检测不等光程问题：由于双面检测系统的两支光路使用不同数量的光学元件，两面检测光路的物方光程不相等，从而导致对成像镜头景深要求提高的问题；（2）双面检测不等照度问题：双面检测系统的两支光路虽然可以获得物方的等光程成像，但是由于两支光路经过不同数量的光学元件，不同次数的反射与折射，两支强度相等的光束到达晶粒待测表面时的照度将不同，晶粒待测两个表面的不等照度照明和成像给双面缺陷同时检测造成图像处理的困难。

发明内容：

针对上述问题，本发明提出了一种实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置及方法，该半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置可以实现半导体晶粒左侧面与右侧面双面同时检测的完全等光程成像与等照度照明。

本发明实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、第一组转像光学元件和半导体晶粒，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有第二组转像光学元件，半导体晶粒的两个侧面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。

进一步的，上述第一组转像光学元件包括两个第一直角转像棱镜，两个第一直角转像棱镜的一直角边垂直于光轴且朝向相机，两个第一直角转像棱镜的另一直角边相背且远离光轴。

进一步的，上述第一组转像光学元件包括两个垂直相交的平面反射镜，且两组垂直相交平面反射镜的开口朝向半导体晶粒，两个平面反射镜与光轴成45°夹角。

进一步的，上述第一组转像光学元件为一个第二直角转像棱镜，该第二直角转像棱镜的直角边与光轴成45°夹角，该第二直角转像棱镜的斜面垂直于光轴且朝向半导体晶粒，在第二直角转像棱镜的两个直角边上设有镀膜面。

进一步的，上述第二组转像光学元件包括两个第三直角转像棱镜，两个第三直角转像棱镜的斜面平行于光轴且相对其直角边更加靠近光轴。

进一步的，上述第二组转像光学元件包括两组分别垂直相交的平面反射镜，且两组垂直相交平面反射镜的开口相对，各平面反射镜均与光轴成45°夹角。

进一步的，上述装置设有照明光源，照明光源是内置同轴照明光源，或位于远心成像镜头和第一直角转像棱镜之间的外置照明光源，或以上两种光源的组合。

进一步的，上述外置照明光源为环形光源；其中心穿透区域未遮挡光路，上述相机为具有传感器CCD或CMOS的相机。

本发明实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、第一组转像光学元件和半导体晶粒，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的上、下两侧设有第二组转像光学元件，半导体晶粒的天面和底面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。

本发明实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的检测方法，其特征在于：所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、第一组转像光学元件和半导体晶粒，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有第二组转像光学元件，半导体晶粒的两个侧面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置；其中所述第一组转像光学元件包括两个第一直角转像棱镜，两个第一直角转像棱镜的一直角边垂直于光轴且朝向相机，两个第一直角转像棱镜的另一直角边相背且远离光轴；所述第二组转像光学元件包括两个第三直角转像棱镜，两个第三直角转像棱镜的斜面平行于光轴且相对直角边更加靠近光轴；采用内置同轴照明光源时，同轴照明光源发出的同轴照明光束，先经过一个第一直角转像棱镜转向90度，入射到第三直角转像棱镜斜面的上半孔径，经二次反射转向后照明待测半导体晶粒的左侧面；被照明的半导体晶粒的左侧面先后经过第三直角转像棱镜的两个直角面的180度转像，再经过第一直角转像棱镜的90度转像后，由远心成像镜头成像在相机传感器面的左半区域上；对于半导体晶粒的右侧面，经过另一个第三直角转像棱镜与第一直角转像棱镜后再由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上；从相机的成像面上也同时得到半导体晶粒的左侧面与右侧面的像，且半导体晶粒左侧面的像与半导体晶粒右侧面的像之间相隔一个小间距。

本申请提出半导体晶粒相对两表面（左侧面与右侧面，天面或底面）同时检测的新方法；由于晶粒的一个相对面的成像光路（或照明光路）与半导体晶粒另一个相对面的成像光路（或照明光路）完全相同（或接近相同），所以本申请提出的方法解决了双面检测不等光程成像与双面检测不等照度问题，基本上实现了半导体晶粒相对两表面的等光程成像与等照度照明的检测。

附图说明：

图1是现有同时对半导体晶粒天面与底面进行光学检测的装置；

图2是现有同时对半导体晶粒侧面与底面两个表面进行光学检测的装置；

图3是本发明一种实施例对半导体晶粒相对两个侧面同时进行完全等光程检测的装置；

图4是本发明对半导体晶粒天面与底面两个面同时进行等光程成像的检测装置；

图5是本发明一种实施例对半导体晶粒的相对两个侧面同时进行完全等光程的检测装置；

图6是本发明一种实施例对半导体晶粒的相对两个侧面同时进行完全等光程成像的检测装置；

图7是本发明一种实施例对半导体晶粒的相对两个侧面同时进行完全等光程成像的检测装置；

图8是本发明一种实施例对半导体晶粒的相对两个侧面同时进行完全等光程成像的检测装置；

图9是本发明一种实施例对半导体晶粒的相对两个侧面同时进行完全等光程成像的检测装置；

图10是本发明一种实施例对半导体晶粒的相对两个侧面同时进行完全等光程成像的检测装置。

具体实施方式：

本发明实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置包括在垂直光路方向上依次设置的相机1、远心成像镜头2、第一组转像光学元件3和半导体晶粒4，半导体晶粒4可以承置在载物台5上，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有第二组转像光学元件6，半导体晶粒的两个侧面分别通过第一组转像光学元件3、第二组转像光学元件6以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置，该第一组转像光学元件3、第二组转像光学元件6可以是棱镜、平面反射镜或覆着镀膜的棱镜等，下面具体说明其结构。

本申请中的光轴A定义为远心成像镜头2的光轴。

其中第一组转像光学元件一种实施例（如图3、7所示），上述第一组转像光学元件3包括两个第一直角转像棱镜3a、3b，两个第一直角转像棱镜的一直角边301垂直于光轴且朝向相机，两个第一直角转像棱镜的另一直角边302相背且远离光轴A，两个第一直角转像棱镜斜面形成的90度开口朝向半导体晶粒4，本文中的光轴即为相机、远心成像镜和半导体晶粒4的轴心线。

其中第一组转像光学元件一种实施例（如图5、8所示），上述第一组转像光学元件3包括两个垂直相交的平面反射镜3c，且两组垂直相交平面反射镜的开口朝向半导体晶粒，两个平面反射镜与光轴成45°夹角，该垂直相交的平面反射镜3c替代两个第一直角转像棱镜3a、3b，实现光路的90度转像。

其中第一组转像光学元件一种实施例（如图6、9所示），上述第一组转像光学元件3为一个第二直角转像棱镜3d，该第二直角转像棱镜的直角边303与光轴成45°夹角，该第二直角转像棱镜的斜面304垂直于光轴且朝向半导体晶粒，在第二直角转像棱镜的两个直角边303上设有镀膜面305（或者没有设置镀膜层，利用光线在直角边的全反射原理实现“转像”功能），该第二直角转像棱镜3d替代两个第一直角转像棱镜3a、3b，第二直角转像棱镜3d上的镀膜面305实现光路的90度转像。

其中第二组转像光学元件一种实施例（如图3、5、6所示），上述第二组转像光学元件6包括两个第三直角转像棱镜6a、6b，两个第三直角转像棱镜的斜面601平行于光轴且相对直角边更加靠近光轴，或者为第三直角转像棱镜的斜面601法向与两个第一直角转像棱镜的斜面法向成45°夹角，并分别朝向半导体晶粒的待测左侧面与右侧面，上述两种表述均如图3、5、6所示。

其中第二组转像光学元件一种实施例（如图7、8、9所示），上述第二组转像光学元件6包括两组分别垂直相交的平面反射镜6c、6d，且两组垂直相交平面反射镜的开口相对，各平面反射镜均与光轴成45°夹角。

上述各实施例装置设有照明光源7，照明光源7是内置同轴照明光源，或位于远心成像镜头和第一直角转像棱镜之间的外置照明光源，或以上两种光源的组合；上述外置照明光源可以为环形光源；其中心穿透区域未遮挡光路；上述相机为具有传感器CCD或CMOS的相机。

以图3为例，本发明实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的检测方法，所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、第一组转像光学元件和半导体晶粒，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有第二组转像光学元件，半导体晶粒的两个侧面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置；其中所述第一组转像光学元件包括两个第一直角转像棱镜，两个第一直角转像棱镜的一直角边垂直于光轴且朝向相机，两个第一直角转像棱镜的另一直角边相背且远离光轴；所述第二组转像光学元件包括两个第三直角转像棱镜，两个第三直角转像棱镜的斜面平行于光轴且相对直角边更加靠近光轴；采用内置同轴照明光源时，同轴照明光源发出的同轴照明光束，先经过一个第一直角转像棱镜转向90度，入射到第三直角转像棱镜斜面的上半孔径，经二次反射转向后照明待测半导体晶粒的左侧面；被照明的半导体晶粒的左侧面先后经过第三直角转像棱镜的两个直角面的180度转像，再经过第一直角转像棱镜的90度转像后，由远心成像镜头成像在相机传感器面的左半区域上；对于半导体晶粒的右侧面，经过另一个第三直角转像棱镜与第一直角转像棱镜后再由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上；从相机的成像面上也同时得到半导体晶粒的左侧面与右侧面的像，且半导体晶粒左侧面的像与半导体晶粒右侧面的像之间相隔一个小间距。

同样地，对于半导体晶粒天面与底面两相对表面的同时检测，也可以应用以上类似的检测装置，只是需要将第二组转像光学元件分别设置与半导体晶粒的天面与底面一侧，而相机1、成像镜头2及第一组转像光学元件则设置于半导体晶粒位于水平光路方向上，如图4所示，本发明实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置包括在垂直光路方向上依次设置的相机1、远心成像镜头2、第一组转像光学元件3和半导体晶粒4，半导体晶粒4承置在透明载物台5上，所述第一组转像光学元件3与半导体晶粒4之间的上、下两侧设有第二组转像光学元件6，即两个第三直角转像棱镜6a、6b的斜面分别对着半导体晶粒的天面和底面，半导体晶粒的天面和底面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。

对于半导体晶粒天面与底面两相对表面的同时检测的其它实施例，所使用的第一、二组转像光学元件以如图5-9所示同样方式设置（更为形象的表述为：在图5-9的图面中以半导体晶粒的中心点为圆心，除半导体晶粒和透明载物台外，其它部件均逆时针旋转90度），从而实现对半导体晶粒天面与底面两相对表面的同时检测。

由于半导体晶粒天面的成像光路（或照明光路）与半导体晶粒底面的成像光路（或照明光路）基本相同，唯一的差别是底面成像光路（或照明光路）需要通过有一定厚度的透明玻璃载物台，这个透明玻璃载物台产生的额外光程差以及表面反射产生的照度差别可以通过天面检测光路插入一块厚度相等的透明玻璃载物台来补偿平衡。

本申请检测装置与方法不局限于半导体晶粒的双面检测，也适用于其它物体的双面同时检测；同时本申请提出的检测装置与方法应用在半导体晶粒筛选机两个检测工位上可以实现对半导体晶粒四个表面（即天面与底面，左侧面与右侧面两个相对面）的同时检测的等光程成像与等照度照明。

第一直角转像棱镜3a、3b：光线由直角转像棱镜直角边垂直入射，在斜面上产生出射角为45度的一次反射后从另一直角边垂直出射，产生90度的转向，最后出射光线与入射光线相比，光路发生了90度的转向。

第三直角转像棱镜6a、6b：光线由直角转像棱镜斜边垂直入射，分别在两个直角边产生出射角为45度的反射，最后出射光线与入射光线相比，光路发生了180度的转向。

景深：是指摄影镜头或其它成像系统能够获得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。

同轴镜头：同轴照明光源与镜头一体，采用落射式照明方式。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、第一组转像光学元件和半导体晶粒，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有第二组转像光学元件，半导体晶粒的两个侧面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。

2.根据权利要求1所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：所述第一组转像光学元件包括两个第一直角转像棱镜，两个第一直角转像棱镜的一直角边垂直于光轴且朝向相机，两个第一直角转像棱镜的另一直角边相背且远离光轴。

3.根据权利要求1所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：所述第一组转像光学元件包括两个垂直相交的平面反射镜，且两组垂直相交平面反射镜的开口朝向半导体晶粒，两个平面反射镜与光轴成45°夹角。

4.根据权利要求1所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：所述第一组光学元件为一个第二直角转像棱镜，该第二直角转像棱镜的直角边与光轴成45°夹角，该第二直角转像棱镜的斜面垂直于光轴且朝向半导体晶粒，在第二直角转像棱镜的两个直角边上设有镀膜面。

5.根据权利要求1、2、3或4所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：所述第二组光学元件包括两个第三直角转像棱镜，两个第三直角转像棱镜的斜面平行于光轴且相对其直角边更加靠近光轴。

6.根据权利要求1、2、3或4所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：所述第二组转像光学元件包括两组分别垂直相交的平面反射镜，且两组垂直相交平面反射镜的开口相对，各平面反射镜均与光轴成45°夹角。

7.根据权利要求1所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：所述装置设有照明光源，照明光源是内置同轴照明光源，或位于远心成像镜头和第一直角转像棱镜之间的外置照明光源，或以上两种光源的组合。

8.根据权利要求7所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：所述外置照明光源为环形光源；其中心穿透区域未遮挡光路；所述相机为具有传感器CCD或CMOS的相机。

9.一种实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置，其特征在于：包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、第一组转像光学元件和半导体晶粒，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的上、下两侧设有第二组转像光学元件，半导体晶粒的天面和底面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。

10.一种实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的检测方法，其特征在于：所述实现半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、第一组转像光学元件和半导体晶粒，所述第一组转像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有第二组转像光学元件，半导体晶粒的两个侧面分别通过第一组转像光学元件、第二组转像光学元件以完全相同的成像光路成像在相机传感器面上不同的区域位置；其中所述第一组转像光学元件包括两个第一直角转像棱镜，两个第一直角转像棱镜的一直角边垂直于光轴且朝向相机，两个第一直角转像棱镜的另一直角边平行于光轴且远离光轴；所述第二组转像光学元件包括两个第三直角转像棱镜，两个第三直角转像棱镜的斜面平行于光轴且相对其直角边更加靠近光轴；采用内置同轴照明光源时，同轴照明光源发出的同轴照明光束，先经过一个第一直角转像棱镜转向90度，入射到第三直角转像棱镜斜面的上半孔径，经二次反射转向后照明待测半导体晶粒的左侧面；被照明的半导体晶粒的左侧面先后经过第三直角转像棱镜的两个直角面的180度转像，再经过第一直角转像棱镜的90度转像后，由远心成像镜头成像在相机传感器面的左半区域上；对于半导体晶粒的右侧面，经过另一个第三直角转像棱镜与第一直角转像棱镜后再由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上；从相机的成像面上也同时得到半导体晶粒的左侧面与右侧面的像，且半导体晶粒左侧面的像与半导体晶粒右侧面的像之间相隔一个小间距。

Images