CN111157535A - 基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置及方法 - Google Patents

基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置及方法 Download PDF

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颜少彬
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Abstract

本发明基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置及方法，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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的两个侧面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置,本发明以单一的合像光学元件取代两个独立的直角转像棱镜实现双面成像光路的合像功能，该方案装配结构简单，合像光路调试更简易方便，且双面合像精度更高。

Description

基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明 的检测装置及方法
技术领域：
本发明属于光学检测和机器视觉领域，尤其涉及一种基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置及方法。
背景技术：
本申请人此前的申请，名称：“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”申请号：“2019113692573，其中晶粒相对两面的像在CCD传感器的合成需要两块基于全反射的直角反射棱镜（如图1所示），或一块直角双面反射棱镜（如图2所示）；前者对直角反射棱镜的精密装配调试有较高的技术难度要求，后者因为需要镀制高反射反光膜及可靠性而不作为优先考虑的选项，另直角反射棱镜的45度棱边在加工过程中难免有破边缺角，相邻两个有缺陷的棱边将会影响双面像的识别与成像质量，因此寻找双面成像间隔可控且元件制造工艺性佳的方案成为必要。
另外，本申请人此前申请的两件专利，专利名称：“获得半导体晶粒相对两面光学检测完全等照度照明的方法”，专利申请号：“2019113692588；以及专利名称：“用于半导体晶粒双面缺陷同时检测装置的照明补偿新方法”，专利申请号：“201911315115.9，此两件专利申请提出的双面成像光路均需要在直角转像棱镜上增加设置特定的照明光学元件（光楔或直角分束棱镜）以获得双面成像等照度照明的目的，如图3，4，5所示，图3的照明光源系统需要一个光楔而增加了机械结构的复杂性；图4，5的照明光源系统需要一个直角分束棱镜因而产生50%的光能损失。
发明内容：
针对上述问题，本发明提出了一种基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置及方法，该半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置以单一的合像光学元件取代两个独立的直角转像棱镜实现双面成像光路的合像功能，结构简单、调试更简易方便，且双面合像精度更高。
本发明基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的两个侧面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。
本发明基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的上、下两侧设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的天面和底面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。
进一步的，上述合像光学元件靠近相机的天面为平面，为双光路的合像输出面，该合像光学元件天面垂直于相机光轴，合像光学元件左侧平面与右侧平面分别为双光路成像输入面，且平行于相机光轴，合像光学元件远离相机且垂直于光轴的底面孔径中心为互成90度的全反射面，互成90度的全反射面构成Ⅴ形槽内全反射面。
进一步的，上述合像光学元件为长方体状，其尺寸为20x10x20mm，其中底面的Ⅴ形槽内全反射面顶点到底面的高为5mm。
进一步的，调整合像光学元件沿相机光轴方向的位置，在输出面上晶粒双面成像之间的间隔为△≈d+a=3.3mm，其中晶粒双面成像相互靠近的边缘之间的间隔d=2mm，晶粒的尺寸a=1.3mm，在输入面上晶粒待测面中心到直角反射面顶点的距离为△/2。
进一步的，上述合像光学元件由玻璃或光学塑料模压成形，或是两块直角反射棱镜加工胶合拼接而成，或两拼接面用光胶合方法粘结为一体。
进一步的，上述梯形转像棱镜远离相机光轴一侧为小端，即为梯形转像棱镜的天面，靠近相机光轴一侧为大端，即为梯形转像棱镜的底面，梯形转像棱镜的天面与底面为光学面，两个斜面为全反射面，梯形转像棱镜底面孔径边缘的作用为转像功能，天面与底面的中间部分为照明光源的透过光路。
进一步的，上述装置设有照明光源，照明光源位于梯形转像棱镜远离相机光轴方向的一侧。
本发明基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测方法，其特征在于：所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的两个侧面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置；工作时，被照明的半导体晶粒的左侧面先后经过梯形转像棱镜两个斜面的180度转像，再经过合像光学元件的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，经过另一个梯形转像棱镜两个斜面与合像光学元件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。
本发明基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测方法，其特征在于：所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的上、下两侧设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的天面和底面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置；工作时，被照明的半导体晶粒的天面先后经过梯形转像棱镜两个斜面的180度转像，再经过合像光学元件的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；对于半导体晶粒的底面，经过另一个梯形转像棱镜两个斜面与合像光学元件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天面与底面的像，且半导体晶粒天面的像与半导体晶粒底面的像之间相隔一个小间距。
本发明技术优点如下:
①以单一的合像光学元件取代两个独立的直角转像棱镜实现双面成像光路的合像功能，该方案装配结构简单，合像光路调试更简易方便，且双面合像精度更高。
②合像光学元件仍然采用全反射实现转像功能，无需象单一直角双面反射棱镜那样，反射面需要镀制介质高反光膜或其它高反射膜。
③晶粒两面像之间的间隔可调可控，可通过合像光学元件沿光轴方向微调来实现。
④梯形转像棱镜的使用简化了照明光源系统，该方案比之前专利提出的含楔形折射棱镜或直角分束棱镜的照明光源系统（图3，4，5）结构更简单，装配调试更容易，能量利用率更高，且成本更低些。
附图说明：
图1、2、3、4、5是现有对半导体晶粒表面进行光学检测的装置；
图6、7是本发明对半导体晶粒两侧面进行光学检测的装置；
图8是合像光学元件的尺寸参数图；
图9是梯形转像棱镜的尺寸参数图。
具体实施方式：
本发明基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的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、合像光学元件3和半导体晶粒4，半导体晶粒4可以承置在载物台5上，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有梯形转像棱镜6，半导体晶粒的两个侧面401分别通过两个梯形转像棱镜6a、6b、合像光学元件3以双光路成像成像在相机1传感器面上不同的区域位置。
或者，本发明基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的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、合像光学元件3和半导体晶粒4，半导体晶粒4可以承置在载物台5上，所述合像光学元件3与半导体晶粒4之间的上、下两侧设有梯形转像棱镜6，半导体晶粒的天面402和底面403分别通过两个梯形转像棱镜6a、6b、合像光学元件3以双光路成像在相机1传感器面上不同的区域位置。
下面具体说明合像光学元件3、梯形转像棱镜6结构。
合像光学元件靠近相机的天面301为平面，为双光路的合像输出面，该合像光学元件天面垂直于相机光轴，合像光学元件左侧平面302与右侧平面303分别为双光路成像输入面，且平行于相机光轴K，合像光学元件远离相机且垂直于光轴K的底面孔径中心为互成90度的全反射面，互成90度的全反射面构成Ⅴ形槽内全反射面。
合像光学元件为长方体状，其尺寸为20x10x20mm，其中底面的Ⅴ形槽内全反射面顶点到底面的高为5mm；合像光学元件由玻璃或光学塑料模压成形，或是两块直角反射棱镜加工胶合拼接而成，或两拼接面用光胶合方法粘结为一体。
通过沿光轴方向移动合像光学元件3时，可以调节半导体晶粒两面在相机传感器上的像之间的间隔，该间隔大小的选择需要合理，太小不便于图像识别处理，太大又影响镜头的视场。
本申请具有双光路合像功能的光学棱镜组件放置在成像镜头之前的适当位置上，以便在成像镜头的传感器获得期待的双面像。
进一步的，调整合像光学元件沿相机光轴方向的位置，在输出面上晶粒双面成像之间的间隔为△≈d+a=3.3mm，其中晶粒双面成像相互靠近的边缘之间的间隔d=2mm，晶粒的尺寸a=1.3mm，在输入面上晶粒待测面中心到直角反射面顶点的距离为△/2。
梯形转像棱镜6远离相机光轴一侧为小端，即为梯形转像棱镜的天面601，靠近相机光轴一侧为大端，即为梯形转像棱镜的底面602，梯形转像棱镜的天面与底面为光学面，两个斜面603为全反射面，梯形转像棱镜底面孔径边缘的作用为转像功能，天面与底面的中间部分为照明光源的透过光路。
本申请装置设有照明光源7a、7b，照明光源位于梯形转像棱镜远离相机光轴方向的一侧；上述相机为具有传感器CCD或CMOS的相机。
以图6、7为例，本发明基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测方法，该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、合像光学元件3和半导体晶粒4，半导体晶粒4可以承置在载物台5上，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有梯形转像棱镜6，半导体晶粒的两个侧面401分别通过两个梯形转像棱镜6a、6b、合像光学元件3以双光路成像成像在相机1传感器面上不同的区域位置；工作时，被照明的半导体晶粒的左侧面先后经过梯形转像棱镜两个斜面的180度转像，再经过合像光学元件的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，经过另一个梯形转像棱镜两个斜面与合像光学元件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，只是需要将梯形转像棱镜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及合像光学元件3则设置于半导体晶粒位于水平光路方向上，如图7所示，本发明所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的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、合像光学元件3和半导体晶粒4，半导体晶粒4可以承置在载物台5上，所述合像光学元件3与半导体晶粒4之间的上、下两侧设有梯形转像棱镜6，半导体晶粒的天面402和底面403分别通过两个梯形转像棱镜6a、6b、合像光学元件3以双光路成像在相机1传感器面上不同的区域位置；工作时，被照明的半导体晶粒的天面先后经过梯形转像棱镜两个斜面的180度转像，再经过合像光学元件的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；对于半导体晶粒的底面，经过另一个梯形转像棱镜两个斜面与合像光学元件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天面与底面的像，且半导体晶粒天面的像与半导体晶粒底面的像之间相隔一个小间距。
本发明技术优点如下:
①以单一的合像光学元件取代两个独立的直角转像棱镜实现双面成像光路的合像功能，该方案装配结构简单，合像光路调试更简易方便，且双面合像精度更高。
②合像光学元件仍然采用全反射实现转像功能，无需象单一直角双面反射棱镜那样，反射面需要镀制介质高反光膜或其它高反射膜。
③晶粒两面像之间的间隔可调可控，可通过合像光学元件沿光轴方向微调来实现。
④梯形转像棱镜的使用简化了照明光源系统，该方案比之前专利提出的含楔形折射棱镜或直角分束棱镜的照明光源系统（图3，4，5）结构更简单，装配调试更容易，能量利用率更高，且成本更低些。
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)

1.一种基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的两个侧面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。
2.一种基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的上、下两侧设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的天面和底面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置。
3.根据权利要求1或2所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，其特征在于：所述合像光学元件靠近相机的天面为平面，为双光路的合像输出面，该合像光学元件天面垂直于相机光轴，合像光学元件左侧平面与右侧平面分别为双光路成像输入面，且平行于相机光轴，合像光学元件远离相机且垂直于光轴的底面孔径中心为互成90度的全反射面，互成90度的全反射面构成Ⅴ形槽内全反射面。
4.根据权利要求3所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，其特征在于：所述合像光学元件为长方体状，其尺寸为20x10x20mm，其中底面的Ⅴ形槽内全反射面顶点到底面的高为5mm。
5.根据权利要求3所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，其特征在于：调整合像光学元件沿相机光轴方向的位置，在输出面上晶粒双面成像之间的间隔为△≈d+a=3.3mm，其中晶粒双面成像相互靠近的边缘之间的间隔d=2mm，晶粒的尺寸a=1.3mm，在输入面上晶粒待测面中心到直角反射面顶点的距离为△/2。
6.根据权利要求3所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，其特征在于：所述合像光学元件由玻璃或光学塑料模压成形，或是两块直角反射棱镜加工胶合拼接而成，或两拼接面用光胶合方法粘结为一体。
7.根据权利要求1或2所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，其特征在于：所述梯形转像棱镜远离相机光轴一侧为小端，即为梯形转像棱镜的天面，靠近相机光轴一侧为大端，即为梯形转像棱镜的底面，梯形转像棱镜的天面与底面为光学面，两个斜面为全反射面，梯形转像棱镜底面孔径边缘的作用为转像功能，天面与底面的中间部分为照明光源的透过光路。
8.根据权利要求1或2所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测装置，其特征在于：所述装置设有照明光源，照明光源位于梯形转像棱镜远离相机光轴方向的一侧。
9.一种基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测方法，其特征在于：所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的两侧部设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的两个侧面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置；工作时，被照明的半导体晶粒的左侧面先后经过梯形转像棱镜两个斜面的180度转像，再经过合像光学元件的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，经过另一个梯形转像棱镜两个斜面与合像光学元件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。
10.一种基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的检测方法，其特征在于：所述基于合像光学元件的晶粒双面同时等光程成像且等照度照明的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、合像光学元件和半导体晶粒，所述合像光学元件与半导体晶粒之间的上、下两侧设有梯形转像棱镜，半导体晶粒的天面和底面分别通过梯形转像棱镜、合像光学元件以双光路成像在相机传感器面上不同的区域位置；工作时，被照明的半导体晶粒的天面先后经过梯形转像棱镜两个斜面的180度转像，再经过合像光学元件的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；对于半导体晶粒的底面，经过另一个梯形转像棱镜两个斜面与合像光学元件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天面与底面的像，且半导体晶粒天面的像与半导体晶粒底面的像之间相隔一个小间距。
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