CN111157543A - 基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：包括在光路方向上依次设置的CMOS或CCD相机、远心成像镜头、前置棱镜转像子系统、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，通过相机不同时间点独立拍摄的半导体晶粒相邻面的像，来实现对半导体晶粒相邻面的完全等光程共焦成像检测。本发明检测方法在不同时间点的两次拍摄实现双面完全等光程共焦成像检测，双面成像检测光路工作距可根据需求灵活选择，整体结构简单便于装配调试。
Description
技术领域：
本发明属于光学检测和机器视觉领域，尤其涉及一种基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法。
背景技术：
晶粒相对面或相邻面同时缺陷检测的装置与方法需要解决的主要光学技术问题包括双面检测光路的等光程共焦成像，现有的授权专利与专利申请均采用大景深远心成像镜头来解决双面成像光路之间光程差引起的共焦与分辨率问题，如专利申请（申请号2019113692573、2020101330447）解决了晶粒相对面同时等光程共焦成像及等照度照明检测的方法，如图1，2所示，而图3提出的光学检测装置与方法很好地解决了晶粒相邻面同时准等光程共焦成像的方法，但是相邻双面成像光路之间仍然存在一个光程差△，如图3所示，这个光程差取决于晶粒的边长a及双面像之间的间距d，即△=a+d，对于较小的晶粒，其数值通常为2~3mm；这个不大的光程差可以通过选择相应景深的远心成像镜头来补偿，但当待检测晶粒尺寸增大时，光程差△及所需远心成像镜头的物方视场VOF=△+a也随之增大，必须使用大视场、大景深的远心成像镜头，这将会相应地增加远心成像镜头的成本；因此有必要寻找晶粒相邻面完全等光程共焦成像检测的新途径。
发明内容：
针对上述相邻面检测存在的问题，本发明申请提出一种基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，该方法有利于实现双面完全等光程共焦成像检测。
本发明基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：包括在光路方向上依次设置的CMOS或CCD相机、远心成像镜头、前置棱镜转像子系统、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，通过相机不同时间点独立拍摄的半导体晶粒相邻面的像，来实现对半导体晶粒相邻面的完全等光程共焦成像检测。
其中前置棱镜转像子系统包括立方分束器，以及在半导体晶粒与立方分束器之间的光路上分别设有的侧面直角转像棱镜和天面直角转像棱镜，侧面直角转像棱镜和天面直角转像棱镜分别位于半导体晶粒的正侧部和天面正上方，立方分束器与天面直角转像棱镜在同一水平高度；侧面直角转像棱镜和立方分束器位于远心成像镜头的正下方，侧面直角转像棱镜的第一直角面与立方分束器第一面相对，侧面直角转像棱镜的第二直角面与半导体晶粒侧面相对，侧面直角转像棱镜的斜面与远心成像镜头光轴倾斜设置，天面直角转像棱镜的两个直角面分别与半导体晶粒的天面和立方分束器的第二面相对；在天面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第一照明光源，在侧面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第二照明光源，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器在不同的时间点上以单光路等光程共焦成像在相机传感器面上，在CMOS或CCD相机上即以不同的时间点获取双面各自独立的像。
进一步的，上述第一照明光源和第二照明光源为同轴照明光源。
进一步的，上述第一照明光源、第二照明光源和CMOS或CCD相机与信号控制器电性连接，以实现对光源和相机的控制。
进一步的，上述天面直角转像棱镜的尺寸为15*15*15mm，侧面直角转像棱镜的尺寸为15*15*15mm，立方分束器的尺寸为15*15*15mm。
进一步的，上述半导体晶粒天面成像光路和侧面成像光路的工作距可根据远心成像镜头的工作距及载物台尺寸来确定。
进一步的，上述CCD或CMOS相机的帧频μ选取为大于半导体晶粒传送频率f的2倍，天面与侧面拍摄间隔△t满足
，相机物方视场VOF≥半导体晶粒边长a+△t*载物台传送速率υ；两个相邻面的像在垂直于远心成像镜头光轴A方向上完全重合，均从立方分束器端面中部输出，在前置棱镜转像子系统厚度方向上两像位置相差：△t*υ。
进一步的，第一照明光源频闪持续时间τ1满足:相机曝光时间ψ<τ1<△t。
进一步的，第二照明光源频闪持续时间τ2满足:相机曝光时间ψ<τ2<△t。
本发明基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法：
①不同时间点的两次拍摄实现双面完全等光程共焦成像检测，即△=0；
②双面成像检测光路工作距可根据需求灵活选择，整体结构简单便于装配调试；
③双面照明采用独立照明光源，可实现等照度照明；
④双面成像检测远心成像镜头的物方视场的增加等于两次连续曝光时间△t内晶粒的位移。
附图说明：
图1-3是现有半导体晶粒相邻面检测光学装置；
其中1为黑白相机、2为远心成像镜头、3a或3b为转像棱镜、3为合像光学元件、4为半导体晶粒、5为透明载物台、 6或6a或6b为转像棱镜、7或7a或7b光源；
图4是本发明装置的构造示意图；
图5是本发明装置的实施例示意图；
图6是信号控制器与第一、第二照明光源及相机的控制原理框图。
具体实施方式：
本发明基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，包括在光路方向上依次设置的CMOS或CCD相机1、远心成像镜头2、前置棱镜转像子系统K、半导体晶粒6和用于承置半导体晶粒的透明载物台5，通过相机1不同时间点独立拍摄的半导体晶粒相邻面的像，来实现对半导体晶粒相邻面的完全等光程共焦成像检测。
其中前置棱镜转像子系统K包括立方分束器3，以及在半导体晶粒6与立方分束器3之间的光路上分别设有的侧面直角转像棱镜4b和天面直角转像棱镜4a，侧面直角转像棱镜和天面直角转像棱镜分别位于半导体晶粒6的正侧部和天面正上方，立方分束器与天面直角转像棱镜在同一水平高度；侧面直角转像棱镜和立方分束器位于远心成像镜头的正下方，侧面直角转像棱镜的第一直角面01与立方分束器第一面03相对，侧面直角转像棱镜的第二直角面02与半导体晶粒侧面相对，侧面直角转像棱镜的斜面与远心成像镜头光轴A倾斜设置，天面直角转像棱镜的两个直角面分别与半导体晶粒的天面和立方分束器的第二面04相对；在天面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第一照明光源7，在侧面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第二照明光源8，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器在不同的时间点上以单光路等光程共焦成像在相机传感器面上，在CMOS或CCD相机上即以不同的时间点获取双面各自独立的像。
立方分束器3也可以称为立方分束器/合像器，其是一种常见的光学器件，可在一块直角棱镜的斜面上镀制透射与反射比为50%：50%的分光膜，两块直角反射棱镜的斜面胶合而成。
进一步的，为了设计合理，上述第一照明光源和第二照明光源为同轴照明光源。
进一步的，上述第一照明光源7、第二照明光源8和CMOS或CCD相机1与信号控制器9电性连接，以实现对光源和相机的控制，该控制方法是：待半导体晶粒进入相机物方视场时，信号控制器收到晶粒定位信号，然后发送触发信号使侧面同轴的第二照明光源频闪照明，照亮晶粒侧面并同时控制相机进行侧面成像拍照，然后将成像图片发送到工控机进行图像处理检测；在间隔△t后，此时晶粒沿前置棱镜转像子系统厚度方向传动一个小段位置（即图4中垂直于纸面方向）：△t*υ，信号控制器发送触发信号给天面同轴的第一照明光源频闪照明，照亮晶粒天面并同时控制相机进行天面成像拍照，然后将成像图片发送到工控机进行图像处理检测。
上述天面直角转像棱镜的尺寸为15*15*15mm，侧面直角转像棱镜的尺寸为15*15*15mm，立方分束器的尺寸为15*15*15mm，图5中给出了一种较佳实施例的参数，其中第一照明光源和第二照明光源的位置可根据实际需要来调整。
上述半导体晶粒天面成像光路和侧面成像光路的工作距可根据远心成像镜头的工作距及载物台尺寸来确定。
进一步的，上述CCD或CMOS相机的帧频μ选取为大于半导体晶粒传送频率f的2倍，天面与侧面拍摄间隔△t满足
，相机物方视场VOF≥半导体晶粒边长a+△t*载物台传送速率υ；两个相邻面的像在垂直于远心成像镜头光轴A方向上完全重合，均从立方分束器上端面05中部输出，在前置棱镜转像子系统厚度方向上（即图4中垂直于纸面方向）两像位置相差：△t*υ。
第一照明光源频闪持续时间τ1满足:相机曝光时间ψ<τ1<△t；第二照明光源频闪持续时间τ2满足:相机曝光时间ψ<τ2<△t。
本专利申请的检测方法与步骤如下：
①将前置棱镜转像子系统安装到透明载物台上方和侧方，通过调节前置棱镜转像子系统（包括立方分束器、侧面直角转像棱镜和天面直角转像棱镜）水平方向和垂直方向位置，使透明载物台静止时相邻面的双象均从立方分束器上端面05中心射出；
②将第一、第二照明光源的频闪信号控制线和相机拍摄触发信号线连接到信号控制器上；
③启动透明载物台传送半导体晶粒，待半导体晶粒进入相机物方视场时，信号控制器收到晶粒定位信号，然后发送触发信号使侧面同轴的第二照明光源频闪照明，照亮晶粒侧面并同时控制相机进行侧面成像拍照，然后将成像图片发送到工控机进行图像处理检测；
④在间隔△t后，此时晶粒沿前置棱镜转像子系统厚度方向传动一个小段位置：△t*υ，信号控制器发送触发信号给天面同轴的第一照明光源频闪照明，照亮晶粒天面并同时控制相机进行天面成像拍照，然后将成像图片发送到工控机进行图像处理检测；
⑤工控机完成天面图像处理检测后，将处理结果对应操作指令发送到信号控制器存储，待晶粒通过玻璃载物台传送到分选工位时，发送指令进行分选；
⑥重复③-⑤步骤对每一晶粒进行相邻面缺陷识别检测和分选。
假设晶粒的尺寸为2.10*1.32*1.32mm，传送频率为10Pcs/s，载物台传送速率为70mm/s，选用一台靶面尺寸为2/3”，帧频为50帧/秒的相机即可满足使用要求，假设双面拍摄时间间隔△t=25ms，则天面与侧面的拍摄时晶粒存在约1.75mm的位移。
天面与侧面的工作距分别为12.5与35（棱镜直角面到晶粒中心的距离）。
本发明基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法具有的优点：
①不同时间点的两次拍摄实现双面完全等光程共焦成像检测，即△=0；
②双面成像检测光路工作距可根据需求灵活选择，整体结构简单便于装配调试；
③双面照明采用独立照明光源，可实现等照度照明；
④双面成像检测远心成像镜头的物方视场的增加等于两次连续曝光时间△t内晶粒的位移。
半导体晶粒相邻面的双像形成在立方分束器上且双面像在水平方向（图4中垂直于远心成像镜头光轴A的方向）完全重合，即△=0；但是当玻璃转盘（透明载物台）上的半导体晶粒从前置棱镜转像子系统下方经过时，通过信号控制器，在△t时间间隔内先后控制侧面和天面对应的第一、第二照明光源，照亮晶粒表面并同时控制相机两次成像，这样依次快速进行两次拍摄实现对晶粒相邻面的缺陷检测。
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)
1.一种基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：包括在光路方向上依次设置的CMOS或CCD相机、远心成像镜头、前置棱镜转像子系统、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，通过相机不同时间点独立拍摄的半导体晶粒相邻面的像，来实现对半导体晶粒相邻面的完全等光程共焦成像检测。
2.根据权利要求2所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：其中前置棱镜转像子系统包括立方分束器，以及在半导体晶粒与立方分束器之间的光路上分别设有的侧面直角转像棱镜和天面直角转像棱镜，侧面直角转像棱镜和天面直角转像棱镜分别位于半导体晶粒的正侧部和天面正上方，立方分束器与天面直角转像棱镜在同一水平高度；侧面直角转像棱镜和立方分束器位于远心成像镜头的正下方，侧面直角转像棱镜的第一直角面与立方分束器第一面相对，侧面直角转像棱镜的第二直角面与半导体晶粒侧面相对，侧面直角转像棱镜的斜面与远心成像镜头光轴倾斜设置，天面直角转像棱镜的两个直角面分别与半导体晶粒的天面和立方分束器的第二面相对；在天面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第一照明光源，在侧面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第二照明光源，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器在不同的时间点上以单光路等光程共焦成像在相机传感器面上，在CMOS或CCD相机上即以不同的时间点获取双面各自独立的像。
3.根据权利要求2所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述第一照明光源和第二照明光源为同轴照明光源。
4.根据权利要求2所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述第一照明光源、第二照明光源和CMOS或CCD相机与信号控制器电性连接，以实现对光源和相机的控制。
5.根据权利要求2所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述天面直角转像棱镜的尺寸为15*15*15mm，侧面直角转像棱镜的尺寸为15*15*15mm，立方分束器的尺寸为15*15*15mm。
6.根据权利要求2所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述半导体晶粒天面成像光路和侧面成像光路的工作距可根据远心成像镜头的工作距及载物台尺寸来确定。
7.根据权利要求1所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述CCD或CMOS相机的帧频μ选取为大于半导体晶粒传送频率f的2倍，天面与侧面拍摄间隔△t满足
，相机物方视场VOF≥半导体晶粒边长a+△t*载物台传送速率υ；两个相邻面的像在垂直于远心成像镜头光轴A方向上完全重合，均从立方分束器端面中部输出，在前置棱镜转像子系统厚度方向上两像位置相差：△t*υ。
8.根据权利要求2所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：第一照明光源频闪持续时间τ1满足:相机曝光时间ψ<τ1<△t。
9.根据权利要求2所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：第二照明光源频闪持续时间τ2满足:相机曝光时间ψ<τ2<△t。
10.根据权利要求2所述的基于时间差分辨的晶粒双面完全等光程共焦成像检测方法，其特征在于：检测步骤具体如下：
①将前置棱镜转像子系统安装到透明载物台上方和侧方，通过调节前置棱镜转像子系统水平方向和垂直方向位置，使透明载物台静止时相邻面的双象均从立方分束器上端面中心射出；
②将第一、第二照明光源的频闪信号控制线和相机拍摄触发信号线连接到信号控制器上；
③启动透明载物台传送半导体晶粒，待半导体晶粒进入相机物方视场时，信号控制器收到晶粒定位信号，然后发送触发信号使侧面同轴的第二照明光源频闪照明，照亮晶粒侧面并同时控制相机进行侧面成像拍照，然后将成像图片发送到工控机进行图像处理检测；
④在间隔△t后，此时晶粒沿前置棱镜转像子系统厚度方向传动一个小段位置：△t*υ，信号控制器发送触发信号给天面同轴的第一照明光源频闪照明，照亮晶粒天面并同时控制相机进行天面成像拍照，然后将成像图片发送到工控机进行图像处理检测；
⑤工控机完成天面图像处理检测后，将处理结果对应操作指令发送到信号控制器存储，待晶粒通过玻璃载物台传送到分选工位时，发送指令进行分选；
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