CN111307821A - 基于偏振分离成像法的晶粒双面同时完全等光程共焦成像检测的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全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CMOS或CCD偏振相机、远心成像镜头、偏振立方分束器、直角转像棱镜、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明玻璃载物台，本发明装置及方法的优点：可实现待测物体相邻双面同时完全等光程共焦偏振成像检测，即△=0，无需使用大景深远心镜头来补偿双面成像的光程差；相邻双面同时偏振成像检测装置结构简单紧凑且装配调试容易。

Description

基于偏振分离成像法的晶粒双面同时完全等光程共焦成像检 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，尤其涉及一种基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全等光程共焦成像检测的装置及方法。

背景技术：

半导体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，未公布）解决了晶粒相对面同时等光程共焦成像及等照度照明的检测装置与方法，如图1，2所示。

而图3是申请号202010171706X（未公布）提出的光学检测装置与方法很好地解决了半导体晶粒相邻面准等光程共焦成像检测，但是相邻双面成像光路之间仍然存在一个光程差△，这个小光程差△可以通过选择足够大景深的远心成像镜头来补偿，当待检测半导体晶粒尺寸增大时，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，这将会相应地增加远心成像镜头的成本。

图4提出一种基于时间差分辨成像法，使用单组成像系统实现半导体晶粒相邻面完全等光程共焦成像检测的新方法。

但上述半导体晶粒双面检测装置或方法中，通常使用同轴内置照明光源或同轴外置照明光源，而半透半反射分束器的使用会导致照明光的能量损失50%。

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偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全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半导体晶粒相邻双面同时完全等光程共焦成像检测，且无需使用大景深远心镜头来补偿双面成像的光程差。

本发明基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全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CMOS或CCD偏振相机、远心成像镜头、偏振立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明玻璃载物台，在半导体晶粒与偏振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，偏振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偏振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偏振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偏振立方分束器的第二面相对；偏振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、偏振立方分束器以完全等光程共焦成像在偏振相机传感器面上，以在CMOS或CCD偏振相机上获取半导体晶粒双面各自独立的像。

进一步的，上述同轴外置照明光源为单色光或是具有一定光谱带宽的准单色光源。

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15*15*15mm，偏振立方分束器的尺寸为15*15*15mm。

进一步的，上述同轴外置照明光源经过偏振立方分束器时被分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光p-分量与s-分量，一束偏振光即p-分量经天面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的天面；而另一束偏振光即s-分量经侧面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的侧面，两束偏振方向互相垂直的线偏振光分别照明半导体晶粒相邻的两个面。

进一步的，两束偏振方向互相垂直的线偏振成像光束照明半导体晶粒相邻的两个面，半导体晶粒天面的成像光束的s-分量经天面直角转像棱镜与偏振立方分束器反射进入偏振相机，而半导体晶粒侧面的成像光束的p-分量经侧面直角转像棱镜与偏振分束器透射进入偏振相机，在偏振相机上分别获得了双面各自独立的像。

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；偏振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为透明玻璃载物台宽度。

进一步的，半导体晶粒两个相邻面的偏振成像在空间上完全重合，均从偏振分束器上端面的中心输出；使用CMOS或CCD偏振相机，分别获得天面与侧面成像光路偏振方向0度与90度可分离的完全等光程共焦偏振成像检测。

本发明基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全等光程共焦成像检测的装置包括在光路方向上依次设置CMOS或CCD偏振相机、远心成像镜头、偏振立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明玻璃载物台，在半导体晶粒与偏振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，偏振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偏振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偏振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偏振立方分束器的第二面相对；偏振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、偏振立方分束器以完全等光程共焦成像在偏振相机传感器面上，以在CMOS或CCD偏振相机上获取半导体晶粒双面各自独立的像；

偏振照明光路：同轴外置照明光源经过偏振立方分束器时被分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光p-分量与s-分量；一束偏振光即p-分量经天面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的天面；而另一束偏振光即s-分量经侧面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的侧面，两束偏振方向互相垂直的线偏振光分别照明半导体晶粒相邻的两个面。

偏振成像光路：两束偏振方向互相垂直的线偏振光束照明半导体晶粒相邻的两个面产生散射光；半导体晶粒天面的成像光束的s-分量经天面直角转像棱镜与偏振立方分束器反射进入偏振相机，而半导体晶粒侧面的成像光束的p-分量经侧面直角转像棱镜与偏振分束器透射进入偏振相机；半导体晶粒两个相邻面的偏振成像在空间上完全重合，均从偏振分束器上端面的中心输出；使用CMOS或CCD偏振相机，分别获得天面与侧面成像光路偏振方向0度与90度可分离的完全等光程共焦成像检测。

本发明装置及方法的优点：

1)可实现待测半导体晶粒相邻双面同时完全等光程共焦偏振成像检测，即△=0，无需使用大景深远心镜头来补偿晶粒双面成像的光程差；

2)使用偏振立方分束器照明光利用率高达100%，双光路双偏振光照明物体照明效率高（使用普通分光棱镜的光利用率为50%）；

3)半导体晶粒双面偏振成像可实现完全等照度照明；

4)采用偏振相机分离两种不同偏振（0度和90度偏振方向）成像光路同时采集的相邻双面的像，图像处理时间短、速度快；

5)半导体晶粒相邻双面同时偏振检测装置结构简单紧凑且装配调试容易。

附图说明：

图1-4是现有半导体晶粒相邻面检测光学装置；

其中1为黑白偏振相机、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为透明玻璃载物台、 6或6a或6b为转像棱镜、7或7a或7b光源、8为控制器；

图5是本发明装置的构造示意图；

图6是检测四个偏振信息的偏振相机传感器结构原理；

图7是检测两个偏振信息的偏振相机传感器新结构原理；

图8是本发明装置的实施例示意图；

具体实施方式：

本发明基于偏振分离成像法的光学器件双面同时完全等光程共焦成像检测的装置包括在光路方向上依次设置CMOS或CCD偏振相机1、远心成像镜头2、偏振立方分束器3、半导体晶粒4（还可以是其它检测物体）和用于承置半导体晶粒的透明玻璃载物台5，在半导体晶粒4与偏振立方分束器3之间的光路上分别设有侧面直角转像棱镜6b和天面直角转像棱镜6a，侧面直角转像棱镜6b和天面直角转像棱镜6a分别位于半导体晶粒4的正侧部和天面正上方，偏振立方分束器3与天面直角转像棱镜6a在同一水平高度；侧面直角转像棱镜6b和偏振立方分束器3位于远心成像镜头的光轴上，同时侧面直角转像棱镜6b的第一直角面601与偏振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602与半导体晶粒侧面相对，侧面直角转像棱镜的斜面603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401和偏振立方分束器的第二面301相对；偏振立方分束器第二面相背的第四面302旁侧设有同轴外置照明光源7，半导体晶粒的天面401与侧面402分别经直角转像棱镜、偏振立方分束器以完全等光程共焦成像在偏振相机传感器面上，以在CMOS或CCD偏振相机上获取半导体晶粒双面各自独立的像。

进一步的，为了满足使用要求，上述同轴外置照明光源可以为单色光或是具有一定光谱带宽的准单色光源。

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15*15*15mm，偏振立方分束器的尺寸为15*15*15mm；天面与侧面光路的工作距（即棱镜直角面到晶粒中心的距离）分别为7.5与30mm。

其中偏振照明光路：上述同轴外置照明光源经过偏振立方分束器时被分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光p-分量与s-分量，一束偏振光即p-分量经天面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的天面；而另一束偏振光即s-分量经侧面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的侧面，两束偏振方向互相垂直的线偏振光分别照明半导体晶粒相邻的两个面。

其中偏振成像光路：偏振方向互相垂直的线偏振照明半导体晶粒相邻的两个面产生散射光；半导体晶粒天面的成像光束的s-分量经天面直角转像棱镜与偏振立方分束器反射进入偏振相机，而半导体晶粒侧面的成像光束的p-分量经侧面直角转像棱镜与偏振分束器透射进入偏振相机，在偏振相机上分别获得了双面各自独立的像。

进一步的，为了设计合理，上述天面成像光路工作距WD=d/2，d为棱镜直角边长；偏振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为透明玻璃载物台宽度。

半导体晶粒两个相邻面的偏振成像在空间上完全重合，均从偏振分束器上端面的中心输出；使用CMOS或CCD偏振相机，分别获得天面与侧面成像光路偏振方向0度与90度可分离的完全等光程共焦偏振成像检测。

本发明基于偏振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：所述基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全等光程共焦成像检测的装置包括在光路方向上依次设置CMOS或CCD偏振相机、远心成像镜头、偏振立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明玻璃载物台，在半导体晶粒与偏振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，偏振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偏振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偏振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偏振立方分束器的第二面相对；偏振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、偏振立方分束器以完全等光程共焦成像在偏振相机传感器面上，以在CMOS或CCD偏振相机上获取半导体晶粒双面各自独立的像；

偏振照明光路：同轴外置照明光源经过偏振立方分束器时被分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光p-分量与s-分量，一束偏振光即p-分量经天面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的天面；而另一束偏振光即s-分量经侧面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的侧面，两束偏振方向互相垂直的线偏振光分别照明半导体晶粒相邻的两个面。

偏振成像光路：偏振方向互相垂直的线偏振光照明半导体晶粒相邻的两个面产生散射光；半导体晶粒天面的成像光束的s-分量经天面直角转像棱镜与偏振立方分束器反射进入偏振相机，而半导体晶粒侧面的成像光束的p-分量经侧面直角转像棱镜与偏振分束器透射进入偏振相机；半导体晶粒两个相邻面的偏振成像在空间上完全重合，均从偏振分束器上端面的中心输出；使用CMOS或CCD偏振相机，分别获得天面与侧面成像光路偏振方向0度与90度可分离的完全等光程共焦成像检测。

本发明装置及方法的优点：

1)可实现待测半导体晶粒相邻双面同时完全等光程共焦偏振成像检测，即△=0，无需使用大景深远心镜头来补偿晶粒双面成像的光程差；

2)使用偏振立方分束器照明光利用率高达100%，双光路双偏振光照明物体照明效率高（使用普通分光棱镜的光利用率为50%）；

3)半导体晶粒双面偏振成像检测可实现完全等照度照明；

4)采用偏振相机分离两种不同偏振（0度和90度偏振方向）成像光路同时采集的相邻双面的像，图像处理时间短、速度快；

5)半导体晶粒相邻双面同时偏振成像检测装置结构简单紧凑且装配调试容易。

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 (8)

1.一种基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全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CMOS或CCD偏振相机、远心成像镜头、偏振立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明玻璃载物台，在半导体晶粒与偏振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，偏振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偏振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偏振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偏振立方分束器的第二面相对；偏振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、偏振立方分束器以完全等光程共焦成像在偏振相机传感器面上，以在CMOS或CCD偏振相机上获取半导体晶粒双面各自独立的像。

2.根据权利要求1所述的基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全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单色光或是具有一定光谱带宽的准单色光源。

3.根据权利要求1所述的基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全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15*15*15mm，偏振立方分束器的尺寸为15*15*15mm。

4.根据权利要求1所述的基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全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经过偏振立方分束器时被分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光p-分量与s-分量；一束偏振光即p-分量经天面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的天面；而另一束偏振光即s-分量经侧面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的侧面。

5.根据权利要求4所述的基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全等光程共焦成像检测的装置，其特征在于：半导体晶粒天面的成像光束的s-分量经天面直角转像棱镜与偏振立方分束器反射进入偏振相机，而半导体晶粒侧面的成像光束的p-分量经侧面直角转像棱镜与偏振分束器透射进入偏振相机，在偏振相机上分别获得了双面各自独立的像。

6.根据权利要求1所述的基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全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；偏振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为透明玻璃载物台宽度。

7.根据权利要求1所述的基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全等光程共焦成像检测的装置，其特征在于：半导体晶粒两个相邻面的偏振成像在空间上完全重合，均从偏振分束器上端面的中心输出；使用CMOS或CCD偏振相机，分别获得天面与侧面成像光路偏振方向0度与90度可分离的完全等光程共焦成像检测。

8.一种基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时等光程共焦成像检测方法，其特征在于：所述基于偏振分离成像法的半导体晶粒双面同时完全等光程共焦成像检测的装置包括在光路方向上依次设置CMOS或CCD偏振相机、远心成像镜头、偏振立方分束器、半导体晶粒和用于承置半导体晶粒的透明玻璃载物台，在半导体晶粒与偏振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，偏振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偏振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偏振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偏振立方分束器的第二面相对；偏振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、偏振立方分束器以完全等光程共焦成像在偏振相机传感器面上，以在CMOS或CCD偏振相机上获取半导体晶粒双面各自独立的像；

偏振照明光路：同轴外置照明光源经过偏振立方分束器时被分为两束偏振方向互相垂直的线偏振光p-分量与s-分量；一束偏振光即p-分量经天面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的天面；而另一束偏振光即s-分量经侧面直角转像棱镜照明待测半导体晶粒的侧面；

偏振成像光路：两束偏振方向互相垂直的线偏振成像光束照明半导体晶粒相邻的两个面产生散射光；半导体晶粒天面的成像光束的s-分量经天面直角转像棱镜与偏振立方分束器反射进入偏振相机，而半导体晶粒侧面的成像光束的p-分量经侧面直角转像棱镜与偏振分束器透射进入偏振相机；且半导体晶粒两个相邻面的偏振成像在空间上完全重合，均从偏振分束器上端面的中心输出；使用CMOS或CCD偏振相机，分别获得天面与侧面成像光路偏振方向0度与90度可分离的完全等光程共焦偏振成像检测。

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