CN111812939A - 超高速拍摄装置 - Google Patents

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CN111812939A CN202010194656.7A CN202010194656A CN111812939A CN 111812939 A CN111812939 A CN 111812939A CN 202010194656 A CN202010194656 A CN 202010194656A CN 111812939 A CN111812939 A CN 111812939A
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Abstract

提供超高速拍摄装置，其能够以更高的分辨率进行拍摄。超高速拍摄装置的拍摄单元包含：物镜，其与卡盘工作台所支承的被加工物对置；分束器，其配设于从物镜延伸的第一光路上；图像处理单元，其配设于从分束器延伸的第二光路上；以及照明单元，其配设于从分束器延伸的第三光路上。照明单元包含：宽频带脉冲光源；以及分光器，其将从宽频带脉冲光源射出的1脉冲的光分光成多个波长并且产生时间差。图像处理单元包含：衍射光栅，其将以时间差照射至卡盘工作台所支承的被加工物的返回光按照每个波长改变角度而进行分光；以及图像传感器，其在与波长对应的每个角度的区域如分解照片那样拍摄通过衍射光栅而分光的返回光。

Description

超高速拍摄装置
技术领域
本发明涉及超高速拍摄装置，其以高速度连续地拍摄支承单元所支承的被加工物。
背景技术
由交叉的多条分割预定线划分而在正面上形成有IC、LSI等多个器件的被加工物通过具有切削刀具的切割装置、具有激光聚光器的激光加工装置等分割成各个器件芯片，分割得到的器件芯片被用于移动电话、个人计算机等电子设备。
另外，在切削装置中，尝试了利用所谓的高速相机连续地拍摄切削刀具和被加工物并验证实施切削加工的过程中的机制的方法。这里，在切削刀具的转速例如为30,000rpm左右、高速相机的拍摄帧数例如为45,000/秒的情况下，能够将切削刀具旋转一次的期间的情况放进90帧左右的图像中，因此能够充分验证切削刀具的切削加工的情况。
另一方面，例如在验证通过照射激光光线实施加工而形成加工痕(例如参照专利文献1)时的机制、或验证在实施破坏试验等而产生裂纹时该裂纹如何传播而形成的机制的情况下，上述的以往已知的高速相机的分辨率充其量为数万帧/秒左右，因此无法充分验证该机制，要求能够以更高的分辨率进行拍摄的超高速拍摄装置。
专利文献1：日本特开2014-221483号公报
发明内容
由此，本发明的目的在于提供能够以更高的分辨率进行拍摄的超高速拍摄装置。
根据本发明，提供超高速拍摄装置，其中，该超高速拍摄装置具有：卡盘工作台，其对被加工物进行支承；以及拍摄单元，其对该卡盘工作台所支承的被加工物进行拍摄，该拍摄单元包含：物镜，其与该卡盘工作台所支承的被加工物对置；分束器，其配设于从该物镜延伸的第一光路上；图像处理单元，其配设于从该分束器延伸的第二光路上；以及照明单元，其配设于从该分束器延伸的第三光路上，该照明单元包含：宽频带脉冲光源；以及分光器，其将从该宽频带脉冲光源射出的1脉冲的光分光成多个波长并且产生时间差，该图像处理单元包含：衍射光栅，其将按照时间差而照射至该卡盘工作台所支承的被加工物的返回光按照每个波长改变角度而进行分光；以及图像传感器，其在与波长对应的每个角度的区域如分解照片那样拍摄通过该衍射光栅而分光的返回光。
优选超高速拍摄装置还具有：存储单元，其对该图像传感器所拍摄的图像进行存储；以及显示单元，其对存储于该存储单元的图像进行显示。
优选该衍射光栅包含第一衍射光栅和第二衍射光栅，通过该第一衍射光栅将返回光按照每个波长改变角度而进行分光，该第二衍射光栅使通过该第一衍射光栅而分光的返回光成为平行光而导入至该图像传感器。优选该衍射光栅将利用反射镜而以规定的角度反射的返回光按照每个波长改变角度而进行分光，并通过准直透镜而导入至该图像传感器。
优选该分光器包含：衍射光栅，其将来自该宽频带脉冲光源的1脉冲的光按照多个波长中的每个波长改变角度而进行分光；延迟线，其按照该衍射光栅所分光的每个波长而使光路长度不同，从而产生时间差；以及合波器，其将通过该延迟线而按照每个波长延迟的光合波。
根据本发明，能够将例如以10ns的时间差照射至被加工物的返回光按照每个波长改变角度而进行分光，在与波长对应的每个角度的区域如分解照片那样拍摄该分光的返回光，因此能够容易地获取10ns/1秒、即1/1亿的分辨率的超高速图像。
附图说明
图1是本发明实施方式的超高速拍摄装置的立体图。
图2是配设于图1所示的超高速拍摄装置中的拍摄单元的框图。
图3是超高速拍摄装置的卡盘工作台所支承的被加工物的俯视图。
图4是示出配设于图2所示的拍摄单元中的图像处理单元的其他实施方式的图。
图5是示出配设于图2所示的拍摄单元中的照明单元的其他实施方式的图。
标号说明
1：超高速拍摄装置；2：基台；4：框体；10：被加工物；12：板；20：支承单元；24：卡盘工作台；30：移动机构；31：X轴方向移动机构；32：Y轴方向移动机构；40：拍摄单元；41：拍摄器；411：物镜；42：分束器；43A、43B：图像处理单元；431：第一衍射光栅；432：第二衍射光栅；44A、44B：照明单元；441：宽频带脉冲光源；442A、442B：分光器；45：反射镜；46：第三衍射光栅；47：第四衍射光栅；49：延迟线；50：对准单元；60：激光光线照射单元；62：聚光器；80：合波器；R1：第一光路；R2：第二光路；R3：第三光路。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明实施方式的超高速拍摄装置进行详细说明。
在图1中示出本实施方式的超高速拍摄装置1的立体图。超高速拍摄装置1具有：对被加工物10进行支承的支承单元20；使支承单元20移动的移动机构30；对被加工物10进行拍摄的拍摄单元40；以及对准单元50。另外，在本实施方式中，为了验证对被加工物10照射激光光线LB时的机制，还配设有对支承单元20所支承的被加工物10照射激光光线LB的激光光线照射单元60。
支承单元20包含：矩形状的X轴方向可动板21，其在图中箭头X所示的X轴方向上移动自如地载置于基台2上；矩形状的Y轴方向可动板22，其在图中箭头Y所示的Y轴方向上移动自如地载置于X轴方向可动板21上；圆筒状的支柱23，其固定于Y轴方向可动板22的上表面上；以及矩形状的罩板26，其固定于支柱23的上端。在罩板26上配设有通过形成于罩板26上的长孔26a而向上方延伸的圆形状的卡盘工作台24。卡盘工作台24对被加工物10进行支承，构成为能够通过未图示的旋转驱动单元进行旋转。在卡盘工作台24的上表面上配置有圆形状的吸附卡盘(省略图示)，该吸附卡盘由多孔质材料形成，实质上水平延伸。另外，在图1中，在卡盘工作台24的上表面上配置有在中央粘接有被加工物10的圆形状的板12，隔着板12而将被加工物10支承于卡盘工作台24。
移动机构30配设于基台2上，该移动机构30具有：X轴方向移动机构31，其使支承单元20在X轴方向上移动；以及Y轴方向移动机构32，其使支承单元20在Y轴方向上移动。X轴方向移动机构31将脉冲电动机33的旋转运动经由滚珠丝杠34转换成直线运动并传递至X轴方向可动板21，使X轴方向可动板21沿着基台2上的导轨2a、2a在X轴方向上进退。Y轴方向移动机构32将脉冲电动机35的旋转运动经由滚珠丝杠36转换成直线运动并传递至Y轴方向可动板22，使Y轴方向可动板22沿着X轴方向可动板21上的导轨21a、21a在Y轴方向上进退。另外，虽省略了图示，但在X轴方向移动机构31、Y轴方向移动机构32以及卡盘工作台24配设有位置检测单元，可准确地检测卡盘工作台24的X轴方向的位置、Y轴方向的位置、周向的旋转位置。将卡盘工作台24的位置传递至后述的控制单元100，根据从控制单元100指示的指示信号，对X轴方向移动机构31、Y轴方向移动机构32以及未图示的卡盘工作台24的旋转驱动单元进行驱动，从而能够将卡盘工作台24定位于任意的坐标位置和旋转角度。
在移动机构30的侧方竖立设置有框体4。框体4具有配设于基台2上的垂直壁部4a以及从垂直壁部4a的上端部沿水平方向延伸的水平壁部4b。在框体4的水平壁部4b的内部内置有拍摄单元40的光学系统。参照图1以及图2所示的拍摄单元40的框图，对拍摄单元40的概略结构进行说明。
拍摄单元40包含：物镜411，其内置于与支承单元20所支承的被加工物10对置的拍摄器41中；分束器42，其配设于从物镜411延伸的第一光路R1上；图像处理单元43A，其配设于从分束器42向一方延伸的第二光路R2上；以及照明单元44A，其配设于从分束器42向另一方延伸的第三光路R3上。
照明单元44A具有：宽频带脉冲光源441；以及分光器442A，其将从宽频带脉冲光源441输出的1脉冲的光分光成多个波长，并且产生时间差。宽频带脉冲光源441是能够振荡出宽频带的脉冲状的光的光源，例如可以由脉冲激光振荡器、超级连续(Super Continuoum)光源、闪光灯等构成。
宽频带脉冲光源441例如能够按照以下的条件照射光。
Figure BDA0002417156890000041
分光器442A作为一例，通过图2所示的FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)而实现。FBG通过在光纤内的规定的位置按照规定的间隔刻出多个衍射光栅而形成反射部442a，在反射部442a中能够仅使所入射的光的特定的波长成分的光反射。在光纤内隔开规定的距离而配设有多个这样的反射规定的波长的光的反射部442a，从而将从宽频带脉冲光源441振荡出的光L1分光成多个波长的光，并且使根据波长进行了分光的各光产生与该规定的距离对应的时间差而输出。更具体而言，将从宽频带脉冲光源441振荡出的包含400nm～900nm的波长在内的宽频带的光(白色光)即脉冲光L1经由光纤443而导入至由FBG构成的分光器442A，通过分光器442A按照50nm间隔的波长(400nm、450nm…850nm、900nm)将该光L1分光，成为光L2，光L2由根据各个波长而产生了10ns的时间差的分光P1～P11构成。经分光器442A分光的光L2被导入至与分光器442A连接的光纤444，并从端部444a输出至外部。
从光纤444的端部444a输出的光L2经由准直透镜445而成为平行光L3，通过聚光透镜446进行会聚，并且导入至分束器42。如上所述，平行光L3由根据波长而产生了10ns的时间差的分光P1～P11构成。在图中，为了便于说明，仅示出P1、P2、P9、P10以及P11，但实际上还包含P3～P8。导入至分束器42的平行光L3被分束器42的斜面42a以规定的比例反射而导入至包含分束器42和物镜411的第一光路R1侧，经由物镜411而作为照明光L4照射至被加工物10。
在被照射了照明光L4的被加工物10上发生了反射的返回光L5利用物镜411而成为平行光，返回至分束器42，透过分束器42的斜面42a而成为通过聚光透镜447会聚的返回光L6，并导入至图像处理单元43A。另外，将从分束器42延伸的配设有图像处理单元43A的光路作为第二光路R2。
图像处理单元43A是通过从被加工物10反射而传递的返回光L6对被加工物10进行拍摄的单元，更具体而言，图像处理单元43A具有对返回光L6进行分光的第一衍射光栅431和第二衍射光栅432。第一衍射光栅431使返回光L6成为按照每个波长改变角度而进行分光的返回光L7，第二衍射光栅432使返回光L7成为按照每个波长调整角度而调整为平行的返回光L8。返回光L8通过聚光透镜433和准直透镜434而作为其扩展范围得到调整的返回光L9导入至图像传感器435。图像传感器435与控制单元100连接。
控制单元100由计算机构成，控制单元100具有：中央运算处理装置(CPU)，其按照控制程序进行运算处理；只读存储器(ROM)，其对控制程序等进行保存；能够读写的随机存取存储器(RAM)，其用于临时保存所拍摄的图像信息等；以及输入接口和输出接口(省略详细情况的图示)。通过图像传感器435拍摄的图像信息存储于控制单元100的由存储器(RAM)构成的存储单元110，并且能够输出至经由控制单元100的输出接口而连结的显示单元70。通过这样构成图像处理单元43A，图像传感器435能够根据在被加工物10上发生反射而传送的返回光L9，以10ns的时间间隔如分解照片那样拍摄被加工物10。另外，在控制单元100上还连接有配设于超高速拍摄装置1的各种传感器、各种动作部、例如X轴方向移动机构31、Y轴方向移动机构32、激光光线照射单元60等，通过控制单元100进行控制。
返回图1继续进行说明，在框体4的水平壁部4b的内部还内置有激光光线照射单元60的光学系统(省略图示)。在水平壁部4b的前端部下表面上配设有构成激光光线照射单元60的一部分的聚光器62，在聚光器62的内部内置有未图示的聚光透镜等。在激光光线照射单元60中配设有激光振荡器(省略图示)，从该激光振荡器射出的激光光线LB通过聚光器62进行会聚而照射至支承单元20所保持的被加工物10的规定的照射位置。
对准单元50在水平壁部4b的前端部下表面上配设于拍摄单元40的拍摄器41的沿X轴方向相邻的位置。对准单元50具有照射可见光线的照明单元以及通过可见光线进行拍摄的拍摄元件(CCD)。通过对准单元50对被加工物10进行拍摄，从而精密地进行拍摄器41所拍摄的位置与卡盘工作台24所支承的被加工物10的要拍摄的位置的对位。
本实施方式的超高速拍摄装置1具有大致如上所述的结构，以下对通过超高速拍摄装置1如分解照片那样拍摄使用该超高速拍摄装置1对支承单元20所支承的被加工物10照射激光光线LB而形成加工痕的过程的步骤进行说明。
首先，如根据图1所说明的那样，准备在圆形的板12的中央粘接有形成为长方形的板状的例如由硅(Si)构成的被加工物10而成的工件组，载置于卡盘工作台24上，通过使未图示的吸引单元进行动作而进行吸引支承。
若如上述那样将被加工物10支承于支承单元20的卡盘工作台24上，则使X轴方向移动机构31、Y轴方向移动机构32进行动作而使卡盘工作台24移动，将被加工物10定位于对准单元50的正下方，对照射激光光线LB的照射位置的位置进行检测。另外，优选在照射位置施加期望的标记。
若通过对准单元50进行了照射位置的检测，则使移动机构30进行动作而将被加工物10的照射位置定位于具有物镜411的拍摄器41的正下方。在图3中示出从物镜411侧观察的被加工物10，用虚线示出激光光线照射单元60所照射的激光光线LB的照射位置Q以及通过物镜411进行对焦而被拍摄的区域A。
若将被加工物10定位于拍摄器41的正下方，则使图2所示的拍摄单元40的照明单元44A进行动作。通过使照明单元44A进行动作，从宽频带脉冲光源441经由光纤443而将脉冲宽度为100ns的宽频带的光L1导入至分光器442A。分光器442A将导入至分光器442A的光L1分光成50nm间隔的波长(400nm、450nm…800nm、850nm、900nm)的光，并且使光L1成为与所分光的光对应地产生10ns的时间差的光L2，经由光纤444而输出。从光纤444的端部444a照射的光L2通过准直透镜445而成为平行光，成为存在10ns的时间差且波长为400nm、450nm…800nm、850nm、900nm的分光P1～分光P11(平行光L3)而输出。另外，从宽频带脉冲光源441反复照射与规定的频率对应的宽频带的脉冲状的白色的光L1，与各脉冲状的光L1对应而通过分光器442将各光L1如上述那样进行分光。
上述的平行光L3经由聚光透镜446而导入至分束器42，利用斜面42a以规定的比例反射，向卡盘工作台24侧变更光路而成为光L4。通过分束器42变更了光路的光L4经由物镜411而导入至被加工物10。据此，从激光光线照射单元60对被加工物10的照射位置Q照射加工用的激光光线LB。
关于在包含激光光线LB所照射的照射位置Q在内的区域A(参照图3)以及包含区域A的周边区域在内的范围内反射的返回光L5，利用物镜411使其成为平行光，导入至分束器42并透过分束器42。透过了分束器42的返回光L5成为利用聚光透镜447进行会聚的返回光L6并导入至图像处理单元43A。
导入至图像处理单元43A的返回光L6首先被导入至第一衍射光栅431。在第一衍射光栅431中形成有：中心部431a，其作为衍射光栅发挥功能；以及掩模部431b，对其按照不作为衍射光栅发挥功能的方式实施了掩模处理，具有作为将激光光线LB所照射的区域A仅限制于更窄的照射位置Q附近的一维掩模的功能。导入至第一衍射光栅431的返回光L6如图2所示那样进行分光，成为按照每个波长改变角度而具有扩展性的返回光L7。
经第一衍射光栅431分光的返回光L7被导入至第二衍射光栅432而成为各波长的分光P1～P11平行的返回光L8。利用第二衍射光栅432进行反射而成为平行的返回光L8通过聚光透镜433、准直透镜434按照与图像传感器435的拍摄区域一致的方式调整扩展范围而导入至图像传感器435。
关于通过以10ns的时间间隔照射至被加工物10上的分光P1～P11对被加工物10照射激光光线LB时的过程，以通过第一衍射光栅431、第二衍射光栅432改变了角度的状态作为图像信息而传递至图像传感器435。
图像传感器435所拍摄的上述图像信息利用配设于控制单元100的存储单元110进行存储，并且输出至与控制单元100连接的显示单元70，如图2所示，与分光P1～P11对应而连续地显示。分光P1～P11按照每10ns捕捉包含被加工物10的照射位置Q在内的区域A，以10ns间隔如分解照片那样拍摄合计100ns的时间期间的变化而作为图像信息进行输出。即，利用该图像处理单元43A捕捉的分解图像的分辨率为10ns/秒，因此是1/1亿的分辨率的超高速图像，能够准确地验证被加工物10被激光光线LB高速加工时的机制。另外，通过适当调整宽频带脉冲光源441的重复频率以及通过分光器442A而使分光P1～P11产生的时间间隔，能够进一步连续地验证被加工物10被加工时的机制。
根据本发明，不限于上述实施方式而提供各种变形例。在配设于图2所示的拍摄单元40的图像处理单元43A中，通过第一衍射光栅431和第二衍射光栅432将照射至被加工物10并反射的返回光按照每个波长改变角度而进行分光，但本发明不限于此，也可以采用图4所示的其他图像处理单元43B。另外，关于采用图4所示的图像处理单元43B的拍摄单元40，除了图4所示的其他图像处理单元43B以外是与图2所示的拍摄单元40同样的结构，因此省略了其说明。在图4所示的图像处理单元43B中，代替图2所示的第一衍射光栅431和第二衍射光栅432而配设有反射镜45和第三衍射光栅46。反射镜45对被导入至图像处理单元43B的包含以50nm间隔的波长(400nm、450nm…850nm、900nm)进行分光的分光P1～P11的返回光L6进行反射，调整其光路方向而成为返回光L7’。另外，在反射镜45上也形成有作为反射镜发挥功能的中心部45a以及按照不作为反射镜发挥功能的方式实施了掩模处理的掩模部45b，具有作为针对激光光线LB照射的区域A将拍摄区域限制于更窄的区域的一维掩模的功能。
返回光L7’被导入至第三衍射光栅46，导入至第三衍射光栅46的返回光L7’如图4所示那样进行分光，成为按照每个波长改变角度而具有扩展的返回光L8’。返回光L8’通过准直透镜434而成为平行光，被导入至图像传感器435，作为图像信息被捕捉。导入至图像传感器435的图像信息与上述实施方式同样地传递至控制单元100，利用配设于控制单元100的存储单元110进行存储，并且输出至与控制单元100连接的显示单元70，与分光P1～P11对应而成为以图2所示那样的10ns间隔如分解照片那样拍摄的图像信息。
另外，本发明可以代替上述实施方式的照明单元44A而采用图5所示的其他照明单元44B。参照图5对其他照明单元44B进行说明。
在图5所示的照明单元44B中也配设有与照明单元44A同样的宽频带脉冲光源441。从宽频带脉冲光源441照射的宽频带的光L1经由光纤443而导入至分光器442B。导入至分光器442B的光L1通过配设于分光器442B的准直透镜448而成为平行光，并导入至第四衍射光栅47。导入至第四衍射光栅47的光L1通过第四衍射光栅47而成为包含根据波长而改变角度且以50nm间隔的波长(400nm、450nm…850nm、900nm)进行分光的分光P1～P11的光L10，光L10被导入至反射镜48。另外，在图5中，仅示出每个波长的光轴，但实际上，成为根据波长连续地变更角度的光而进行照射。
被反射镜48反射的光L10通过准直透镜449而成为平行的光L11，按照第四衍射光栅47所分光的每个波长被导入至光路长度不同而产生时间差的延迟线49的导入部49A。延迟线49由长度不同的11条光纤49a～49k构成，向光纤49a～49k分别导入由第四衍射光栅47按照50nm间隔的每个波长改变了角度的波长(400nm、450nm…850nm、900nm)的分光P1～P11。导入至延迟线49的分光P1～P11通过构成延迟线49的光纤49a～49k而导入至合波器80。
构成延迟线49的光纤49a～49k设定成光纤49a最短、按照光纤49b、光纤49c…的顺序增长、光纤49k最长。此时，相邻的各光纤的长度的差设定成同时导入至导入部49A的光以10ns的时间间隔到达合波器80。导入至合波器80的分光P1～P11在合波器80中进行合波，从光纤444的端部444a作为光L2输出，并导入至拍摄单元40的准直透镜445。另外，上述合波器80可以由周知的光纤耦合器、集成杆(integrationrod)等构成。根据该照明单元44B，也能够起到与根据图2进行说明的照明单元44A完全相同的功能。
在上述实施方式中，为了拍摄对被加工物10照射从激光光线照射单元60照射的激光光线LB而形成加工痕的过程，在超高速拍摄单元1中配设了激光光线照射单元60，但在本发明中，未必需要在超高速拍摄单元1中配设激光光线照射单元60，也可以与超高速拍摄单元1分开而准备激光光线照射单元60。另外，作为对超高速拍摄装置1所支承的被加工物10实施加工的单元，未必需要具有激光光线照射单元60，为了拍摄裂纹的产生过程，可以是对被加工物10赋予冲击的装置，为了拍摄加工过程而配设的单元并不限于特定的单元。

Claims (5)

1.一种超高速拍摄装置，其中，
该超高速拍摄装置具有：
卡盘工作台，其对被加工物进行支承；以及
拍摄单元，其对该卡盘工作台所支承的被加工物进行拍摄，
该拍摄单元包含：
物镜，其与该卡盘工作台所支承的被加工物对置；
分束器，其配设于从该物镜延伸的第一光路上；
图像处理单元，其配设于从该分束器延伸的第二光路上；以及
照明单元，其配设于从该分束器延伸的第三光路上，
该照明单元包含：
宽频带脉冲光源；以及
分光器，其将从该宽频带脉冲光源射出的1脉冲的光分光成多个波长并且产生时间差，
该图像处理单元包含：
衍射光栅，其将按照时间差而照射至该卡盘工作台所支承的被加工物的返回光按照每个波长改变角度而进行分光；以及
图像传感器，其在与波长对应的每个角度的区域如分解照片那样拍摄通过该衍射光栅而分光的返回光。
2.根据权利要求1所述的超高速拍摄装置，其中，
该超高速拍摄装置还具有：
存储单元，其对该图像传感器所拍摄的图像进行存储；以及
显示单元，其对存储于该存储单元的图像进行显示。
3.根据权利要求1所述的超高速拍摄装置，其中，
该衍射光栅包含第一衍射光栅和第二衍射光栅，通过该第一衍射光栅将返回光按照每个波长改变角度而进行分光，该第二衍射光栅使通过该第一衍射光栅而分光的返回光成为平行光而导入至该图像传感器。
4.根据权利要求1所述的超高速拍摄装置，其中，
该衍射光栅将利用反射镜而以规定的角度反射的返回光按照每个波长改变角度而进行分光，并通过准直透镜而导入至该图像传感器。
5.根据权利要求1所述的超高速拍摄装置，其中，
该分光器包含：
衍射光栅，其将来自该宽频带脉冲光源的1脉冲的光按照多个波长中的每个波长改变角度而进行分光；
延迟线，其按照该衍射光栅所分光的每个波长而使光路长度不同，从而产生时间差；以及
合波器，其将通过该延迟线而按照每个波长延迟的光合波。
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