CN111220627A - 基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置与方法 - Google Patents

基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置及方法，该装置包括在光路方向上依次设置的彩色CMOS或CCD相机、远心成像镜头、立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，在半导体晶粒与立方分束器之间的光路上分别设有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，立方分束器第二面相背的第四面旁侧设有同轴外置照明光源，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器以单光路双波长等光程共焦成像在相机传感器面上，本发明装置和方法有利于实现双面同时完全等光程共焦成像检测。

Description

基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的 装置与方法
技术领域：
本发明属于光学检测和机器视觉领域，尤其涉及一种基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置及方法。
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，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小光程差△，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足够景深的远心成像镜头来补偿，但当待检测晶粒增大时，光程差△及物方视场VOF=△+a也随之增大，必须使用大视场、大景深的远心成像镜头，从而大大增加了成本，因此有必要寻找晶粒相邻面同时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双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置及方法，该装置和方法有利于实现双面同时完全等光程共焦成像检测。
本发明基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置，其特征在于：包括在光路方向上依次设置的彩色CMOS或CCD相机、远心成像镜头、立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，在半导体晶粒与立方分束器之间的光路上分别设有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光轴上，同时侧面直角转像棱镜的第一直角面与立方分束器的第一面对齐并胶合，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立方分束器的第二面之间设有第一滤光镜，在侧面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第二滤光镜，立方分束器第二面相背的第四面旁侧设有同轴外置照明光源，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器以单光路双波长等光程共焦成像在相机传感器面上，以在彩色CMOS或CCD相机上获取双面各自独立的像。
进一步的，上述同轴外置照明光源为双波长同轴外置照明光源。
进一步的，上述同轴外置照明光源分别选为蓝光与绿光，或绿光与红光。
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，上述天面成像光路工作距WD=d/2，d为棱镜直角边长；立方分束器与侧面直角转像棱镜胶合且中心重合，侧面成像光路的工作距WD=D/2+d/2，D为玻璃载物转盘宽度。
本发明基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置包括在光路方向上依次设置的彩色CMOS或CCD相机、远心成像镜头、立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，在半导体晶粒与立方分束器之间的光路上分别设有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光轴上，同时侧面直角转像棱镜的第一直角面与立方分束器的第一面对齐并胶合，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立方分束器的第二面之间设有第一滤光镜，在侧面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第二滤光镜，立方分束器第二面相背的第四面旁侧设有同轴外置照明光源，使用时，具有双波长的同轴外置照明光源分别照明相邻的天面和侧面，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器以单光路双波长等光程共焦成像在相机传感器面上，在彩色CMOS或CCD相机上获取双面各自独立的像。
本发明检测新装置及方法的优点：
①双面同时完全等光程共焦成像检测，即△=0；
②可采用彩色相机分离两种不同颜色光源照明下采集的相邻面的像，无需采用大视场、大景深的远心成像镜头，有利于降低成本；
③双光路双色光源可实现等照度照明，且有利于提高照明效率；
④结构简单、紧凑且装配调试容易。
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。
具体实施方式：
本发明基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置，包括在光路方向上依次设置的彩色CMOS或CCD相机1、远心成像镜头2、立方分束器3、半导体晶粒6和用于承置半导体晶粒的透明载物台5，在半导体晶粒6与立方分束器3之间的光路上分别设有侧面直角转像棱镜4a和天面直角转像棱镜4b，侧面直角转像棱镜4a和天面直角转像棱镜4b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3与天面直角转像棱镜4b在同一水平高度；侧面直角转像棱镜4a和立方分束器3位于远心成像镜头的光轴A上，同时侧面直角转像棱镜4a的第一直角面01与立方分束器的第一面对齐并胶合，侧面直角转像棱镜4a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4a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4b的两个直角面分别与半导体晶粒的天面03和立方分束器的第二面04相对；在天面直角转像棱镜4b与立方分束器的第二面04之间设有第一滤光镜8，在侧面直角转像棱镜4a与半导体晶粒之间设有第二滤光镜9，立方分束器第二面相背的第四面05旁侧设有同轴外置照明光源7，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器以单光路双波长等光程共焦成像在相机传感器面上，以在彩色CMOS或CCD相机上获取双面各自独立的像。
本申请半导体晶粒6相邻面的双像在经过立方分束器3上后输出的图像从空间位置上完全重合，即△=0，而双面成像经过不同的滤光镜，使在彩色CMOS或CCD相机上可获取双面各自独立的像。
进一步的，为了实现更好的成像，上述同轴外置照明光源为双波长同轴外置照明光源；其中较佳的是，上述同轴外置照明光源分别选为蓝光与绿光，或绿光与红光。上述第一滤光镜8、第二滤光镜9的中心波长分别为入1、入2。
立方分束器3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；上述天面成像光路工作距WD=d/2，d为棱镜直角边长；立方分束器与侧面直角转像棱镜胶合且中心重合，侧面成像光路的工作距WD=D/2+d/2，D为玻璃载物转盘宽度。
本发明基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置包括在光路方向上依次设置的彩色CMOS或CCD相机、远心成像镜头、立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，在半导体晶粒与立方分束器之间的光路上分别设有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光轴上，同时侧面直角转像棱镜的第一直角面与立方分束器的第一面对齐并胶合，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立方分束器的第二面之间设有第一滤光镜，在侧面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第二滤光镜，立方分束器第二面相背的第四面旁侧设有同轴外置照明光源，使用时，具有双波长的同轴外置照明光源分别照明相邻的天面和侧面，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器以单光路双波长等光程共焦成像在相机传感器面上，在彩色CMOS或CCD相机上获取双面各自独立的像。
本发明检测新装置及方法的优点：
①双面同时完全等光程共焦成像检测，即△=0；
②可采用彩色相机分离两种不同颜色光源照明下采集的相邻面的像，无需采用大视场、大景深的远心成像镜头，有利于降低成本；
③双光路双色光源可实现等照度照明，且有利于提高照明效率；
④结构简单、紧凑且装配调试容易。
需要特别说明的是，彩色CMOS或CCD相机与黑白相机的技术都很成熟，成本几乎没有差别，但是为了校正大视场镜头的象差，光学镜头的结构将更为复杂，远心成像镜头的成本随视场的增大而明显地增加；远心镜头大景深的获得也依赖于镜头结构的复杂化及光阑的减小，也将增加镜头的成本。
如果光程差△不等于零，意味着相邻两个物面不在同一平面上，这样，当镜头对一个面调焦成清晰像时，另一个面在相机上就得不到清晰的像，无法共焦成像，这将影响两个面的同时成像检测，为消除这个影响，就必须选择大景深的远心成像镜头，当△增大时，远心成像镜头的成本就随之增大。
总之，在双面检测装置的光学设计上都希望满足△=0的条件，满足△=0的双面同时检测装置与方法有利于降低对远心成像镜头视场的要求，减小对远心成像镜头景深的要求，因此提高了检测系统的性能，也降低了检系统的成本。
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 (6)

1.一种基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置，其特征在于：包括在光路方向上依次设置的彩色CMOS或CCD相机、远心成像镜头、立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，在半导体晶粒与立方分束器之间的光路上分别设有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光轴上，同时侧面直角转像棱镜的第一直角面与立方分束器的第一面对齐并胶合，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立方分束器的第二面之间设有第一滤光镜，在侧面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第二滤光镜，立方分束器第二面相背的第四面旁侧设有同轴外置照明光源，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器以单光路双波长等光程共焦成像在相机传感器面上，以在彩色CMOS或CCD相机上获取双面各自独立的像。
2.根据权利要求1所述的基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置，其特征在于：所述同轴外置照明光源为双波长同轴外置照明光源。
3.根据权利要求1所述的基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置，其特征在于：所述同轴外置照明光源分别选为蓝光与绿光，或绿光与红光。
4.根据权利要求1所述的基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置，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。
5.根据权利要求1所述的基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置，其特征在于：所述天面成像光路工作距WD=d/2，d为棱镜直角边长；立方分束器与侧面直角转像棱镜胶合且中心重合，侧面成像光路的工作距WD=D/2+d/2，D为玻璃载物转盘宽度。
6.一种基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置包括在光路方向上依次设置的彩色CMOS或CCD相机、远心成像镜头、立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明载物台，在半导体晶粒与立方分束器之间的光路上分别设有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光轴上，同时侧面直角转像棱镜的第一直角面与立方分束器的第一面对齐并胶合，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立方分束器的第二面之间设有第一滤光镜，在侧面直角转像棱镜与半导体晶粒之间设有第二滤光镜，立方分束器第二面相背的第四面旁侧设有同轴外置照明光源，使用时，具有双波长的同轴外置照明光源分别照明相邻的天面和侧面，半导体晶粒的天面与侧面分别经直角转像棱镜、立方分束器以单光路双波长等光程共焦成像在相机传感器面上，在彩色CMOS或CCD相机上获取双面各自独立的像。
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