CN211426306U - 基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，包括用于承载待检半导体晶粒的透明载物台、设置在所述透明载物台第一侧的直角转像棱镜、以及设置在所述透明载物台第二侧的光源、远心成像镜头和相机；所述直角转像棱镜的斜面朝向透明载物台且与透明载物台平行；在直角转像棱镜斜面的成像光束入射与出射孔径上分别设有第一转像透镜和第二转像透镜；直角转像棱镜与第一，第二转像透镜构成了组合转像光学系统，该组合转像光学系统也可以包括两个第二直角转像棱镜及位于二者之间的转像透镜构成；本实用新型可以实现半导体晶粒天面与底面的基本等光程成像，降低检测系统对成像镜头大景深的要求，降低成像镜头的成本。

Description

基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置

技术领域：

本实用新型属于光学检测和机器视觉领域，尤其涉及一种基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置及方法。

背景技术：

传统的机器视觉光学检测装置主要包含相机、成像镜头、照明光源、图像处理算法软件、电气控制、机械结构、待测物体（如半导体晶粒）等。由光源照明物体，物体通过光学成像镜头在CCD探测器面上获得物体的像，经图像采集卡，A-D转换模块将图像传输至计算机，最后通过数字图像处理技术获得所需图像信息，根据像素分布，亮度，颜色等信息，进行尺寸，形状，颜色的判别与测量，进而控制现场的设备操作。如果要同时检测单个物体的两个面，目前通用的检测方法都是一个相机占用一个工位检测一个面，如果需要同时检测两个面或以上，就需要采用多个相机占用多个工位检测，这样就造成机构安装空间大，同时需要多套机构安装模组，多套电路模组，增加了安装复杂性，降低了系统可靠性。

基于单镜头单面检测技术的传统机器视觉光学检测装置存在检测效率、性价比、结构复杂等经济技术局限性；本申请人之前提出了一种半导体晶粒天面与底面两个表面同时检测的光学装置与方法，它可以改进表面缺陷检测的效率、性价比、结构复杂性与可靠性。

如图1所示，为本申请人之前的专利申请（专利申请号201910157471.6），其提出一种同时对物体（半导体晶粒）天面与底面两个表面进行光学检测的装置及方法，包括水平放置的透明玻璃载物台A5及位于其上的待测半导体晶粒A4、设置在所述透明玻璃载物台下方的直角转像棱镜A6、以及设置在所述透明玻璃载物台上方的相机A1、远心成像镜头A2、环形照明光源A3；直角转像棱镜的斜面朝向透明玻璃载物台且与透明玻璃载物台平行；所述直角转像棱镜、远心成像镜头和相机共轴。该方法主要采用直角转像棱镜的二次反射实现对同一待测晶粒的天面与底面的同时检测。

由于双面检测光学系统的两支光路使用不同数量的光学元件，两面检测成像光路的物方光程不相等，通常需要采用专门设计的大景深远心成像镜头来获得待测晶粒的天面与底面两个表面均能清晰成像。

上述现有技术的局限在于：一个镜头对半导体晶粒相对两个面（天面与底面）的同时检测，但是在半导体晶粒的双面同时检测的实施中，通常遇到以下两个新问题：（1）双面检测不等光程问题：由于双面检测系统的两支光路使用不同数量的光学元件，两面检测光路的物方光程不相等，从而导致对成像镜头景深要求提高的问题；（2）双面检测不等照度问题：由于两支光路经过不同数量的光学元件，不同次数的反射与折射，两支强度相等的光束到达晶粒待测表面时的照度将不同，从而给双面缺陷同时检测造成图像处理的困难。

发明内容：

针对上述问题，本实用新型提出了一种基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置及方法，该基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置及方法可以降低检测系统对成像镜头大景深的要求。

本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：包括用于承载待检半导体晶粒的透明载物台、设置在所述透明载物台第一侧的第一直角转像棱镜、以及设置在所述透明载物台第二侧的光源、远心成像镜头和相机；所述第一直角转像棱镜的斜面朝向透明载物台且与透明载物台平行；在第一直角转像棱镜斜面的成像光束入射与出射孔径上分别设有第一转像透镜和第二转像透镜。

进一步的，上述半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上。

进一步的，上述直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像。

进一步的，上述光源为环形光源；环形光源由左半环与右半环组成环形，左半环与右半环分别对应于相机传感器的左半区域与右半区域，且左半环与右半环的照度分别控制。

进一步的，上述转像透镜为用双胶合透镜替代。

进一步的，上述透明载物台为透明玻璃板片。

本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的方法，包括以下步骤：

步骤A1：在相机和同轴远心成像镜头组成的拍摄装置的光轴垂直方向放置透明载物台和位于透明载物台与远心成像镜头之间的光源；

步骤A2：在所述透明载物台的第一侧垂直于光轴方向设置第一直角转像棱镜；所述第一直角转像棱镜的斜面朝向透明载物台且与透明载物台平行；

步骤A3：在第一直角转像棱镜斜面的成像光束入射与出射孔径上分别设置第一转像透镜和第二转像透镜，并使放置于透明载物台上待测半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，同时直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像；

步骤A4：将待测半导体晶粒放置在透明载物台上。

本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：包括用于承载待检半导体晶粒的透明载物台、设置在所述透明载物台第一侧的两个直角面相背设置的第二直角转像棱镜、以及设置在所述透明载物台第二侧的光源、远心成像镜头和相机；所述两个第二直角转像棱镜另一直角面朝向透明载物台且与透明载物台平行；在两个第二直角转像棱镜相背直角面之间设有转像透镜。

进一步的，上述半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上。

进一步的，上述直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像。

进一步的，上述光源为环形光源；环形光源由左半环与右半环组成环形，左半环与右半环分别对应于相机传感器的左半区域与右半区域，且左半环与右半环的照度分别控制。

进一步的，上述转像透镜为用双胶合透镜替代。

进一步的，上述透明载物台为透明玻璃板片。

本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的方法，包括以下步骤：

步骤A1：在相机和同轴远心成像镜头组成的拍摄装置的光轴垂直方向放置透明载物台和位于透明载物台与远心成像镜头之间的光源；

步骤A2：在所述透明载物台的第一侧设置两个相背设置的第二直角转像棱镜；所述两个第二直角转像棱镜另一直角面朝向透明载物台且与透明载物台平行；

步骤A3：在两个第二直角转像棱镜相背直角面之间设有转像透镜，并使放置于透明载物台上待测半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，同时直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像；

步骤A4：将待测半导体晶粒放置在透明载物台上。

本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测装置使底面的实像也位于位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，即使底面与天面的成像非常靠近，从而可以降低检测系统对成像镜头大景深的要求，降低成像镜头的成本。

附图说明：

图1是现有同时对物体（半导体晶粒）天面与底面两个表面进行光学检测的装置；

图2是本实用新型一种实施例，采用一个直角转像棱镜与两个转像透镜构成的组合光学转像系统；

图3是本实用新型一种实施例，采用两个直角转像棱镜与一个转像透镜构成的组合光学转像系统；

图4是图3的另一种实施例，即采用两个直角转像棱镜与一个双胶合转像透镜构成的组合光学转像系统。

具体实施方式：

一种实施例（如图2），本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置包括用于承载待检半导体晶粒的透明载物台5、设置在所述透明载物台第一侧的第一直角转像棱镜6、以及设置在所述透明载物台第二侧的光源3、远心成像镜头2和相机1；所述第一直角转像棱镜的斜面601朝向透明载物台5且与透明载物台平行；在第一直角转像棱镜斜面的成像光束入射与出射孔径上分别设有第一转像透镜7a和第二转像透镜7b，该第一转像透镜7a和第二转像透镜7b均为凸透镜。

本实用新型第一直角转像棱镜与第一转像透镜7a和第二转像透镜7b构成的组合转像光学系统可以实现天面与底面的基本等光程成像，降低了检测系统对成像镜头大景深的要求，即使景深小于或等于晶粒的厚度。

上述半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，可以通过调节第一转像透镜7a和第二转像透镜7b与第一直角转像棱镜的斜面601距离，来调节该半导体晶粒的底面成像位置K，通过半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，即使可以降低检测系统对成像镜头大景深的要求，降低成像镜头的成本，也降低了拍摄的难度和图像处理的难度。

上述直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像。

为了使远心成像镜头和相机能够拍摄到图像，上述光源为环形光源。

环形光源由左半环与右半环组成环形，环形中心为通透的，使光路不被遮挡，左半环与右半环分别对应于相机传感器的左半区域与右半区域，且左半环与右半环的照度分别控制；由于半导体晶粒的底面检测照明光路比天面多使用了三个转像光学元件，因此会导致底面的照明照度与天面的照明照度不相同，通过左半环与右半环的照度分别控制，从而可以使这个照度的差异通过采用环形照明光源的左半环与右半环的不等照度来补偿。

为了提高成像质量，上述转像透镜可以用双胶合透镜替代，即第一转像透镜7a和第二转像透镜7b至少一个可以采用一个凹透镜和一个凸透镜贴合的双胶合透镜替代。

上述透明载物台可以是透明玻璃板片。

本申请装置除了可以对半导体晶粒进行检测，同时也可以对其它放置在透明载物台上的物体的上面与底面同时进行检测。

本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的方法，包括以下步骤：

步骤A1：在相机1和同轴远心成像镜头2组成的拍摄装置的光轴垂直方向放置透明载物台5和位于透明载物台与远心成像镜头之间的光源3；

步骤A2：在所述透明载物台的第一侧垂直于光轴方向设置第一直角转像棱镜6；所述第一直角转像棱镜的斜面601朝向透明载物台且与透明载物台平行；

步骤A3：在第一直角转像棱镜斜面的成像光束入射与出射孔径上分别设置第一转像透镜7a和第二转像透镜7b，并使放置于透明载物台上待测半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，同时直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒4天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像；

步骤A4：将待测半导体晶粒4放置在透明载物台5上。

另一种实施例（如图2、4），本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置包括用于承载待检半导体晶粒的透明载物台5、设置在所述透明载物台第一侧的两个直角面相背设置的第二直角转像棱镜6a、6b，以及设置在所述透明载物台第二侧的光源3、远心成像镜头2和相机1；所述两个第二直角转像棱镜另一直角面朝向透明载物台且与透明载物台5平行；在两个第二直角转像棱镜相背直角面之间设有转像透镜7，该转像透镜7为凸透镜。

本实用新型第二直角转像棱镜6a、6b与转像透镜7构成的组合转像光学系统可以实现天面与底面的基本等光程成像，降低了检测系统对成像镜头大景深的要求，即使景深小于或等于晶粒的厚度。

上述半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，可以通过调节转像透镜7与第二直角转像棱镜直角面的距离，来调节该半导体晶粒的底面成像位置K，通过半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，即使可以降低检测系统对成像镜头大景深的要求，降低成像镜头的成本，也降低了拍摄的难度和图像处理的难度。

上述直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像。

为了使远心成像镜头和相机能够拍摄到图像，上述光源为环形光源。

环形光源由左半环与右半环组成环形，环形中心为通透的，使光路不被遮挡，左半环与右半环分别对应于相机传感器的左半区域与右半区域，且左半环与右半环的照度分别控制；由于半导体晶粒的底面检测照明光路比天面多使用了三个转像光学元件，因此会导致底面的照明照度与天面的照明照度不相同，通过左半环与右半环的照度分别控制，从而可以使这个照度的差异通过采用环形照明光源的左半环与右半环的不等照度来补偿。

为了提高成像质量，上述转像透镜可以用双胶合透镜替代，即转像透镜7可以采用一个凹透镜和一个凸透镜贴合的双胶合透镜替代。

上述透明载物台可以是透明玻璃板片。

本申请装置除了可以对半导体晶粒进行检测，同时也可以对其它放置在透明载物台上的物体的上面与底面同时进行检测。

本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的方法包括以下步骤：

步骤A1：在相机1和同轴远心成像镜头2组成的拍摄装置的光轴垂直方向放置透明载物台5和位于透明载物台与远心成像镜头之间的光源3；

步骤A2：在所述透明载物台的第一侧设置两个相背设置的第二直角转像棱镜6a、6b；所述两个第二直角转像棱镜另一直角面朝向透明载物台且与透明载物台5平行；

步骤A3：在两个第二直角转像棱镜相背直角面之间设有转像透镜7，并使放置于透明载物台上待测半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，同时直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像；

步骤A4：将待测半导体晶粒4放置在透明载物台5上。

第二直角转像棱镜：光线由第二直角转像棱镜直角边垂直入射，在斜面上产生出射角为45度的一次反射后从另一直角边垂直出射，产生90度的转向，最后出射光线与入射光线相比，光路发生了90度的转向。

第一直角转像棱镜：光线由第一直角转像棱镜斜边垂直入射，分别在两个直角边产生出射角为45度的反射，最后出射光线与入射光线相比，光路发生了180度的转向。

景深：是指摄影镜头或其它成像系统能够获得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。

同轴镜头：同轴照明光源与镜头一体，采用落射式照明方式。

本实用新型基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测装置使底面的实像也位于位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上，即使底面与天面的成像非常靠近，从而可以降低检测系统对成像镜头大景深的要求，降低成像镜头的成本。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型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；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：包括用于承载待检半导体晶粒的透明载物台、设置在所述透明载物台第一侧的第一直角转像棱镜、以及设置在所述透明载物台第二侧的光源、远心成像镜头和相机；所述第一直角转像棱镜的斜面朝向透明载物台且与透明载物台平行；在第一直角转像棱镜斜面的成像光束入射与出射孔径上分别设有第一转像透镜和第二转像透镜。

2.根据权利要求1所述基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：所述半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上。

3.根据权利要求1所述基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：所述直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像。

4.根据权利要求1所述基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：所述光源为环形光源；环形光源由左半环与右半环组成环形，左半环与右半环分别对应于相机传感器的左半区域与右半区域，且左半环与右半环的照度分别控制。

5.根据权利要求1所述基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：所述转像透镜为用双胶合透镜替代；所述透明载物台为透明玻璃板片。

6.一种基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：包括用于承载待检半导体晶粒的透明载物台、设置在所述透明载物台第一侧的两个直角面相背设置的第二直角转像棱镜、以及设置在所述透明载物台第二侧的光源、远心成像镜头和相机；所述两个第二直角转像棱镜另一直角面朝向透明载物台且与透明载物台平行；在两个第二直角转像棱镜相背直角面之间设有转像透镜。

7.根据权利要求6所述基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：所述半导体晶粒的底面成像位于透明玻璃载物台的旁侧且接近半导体晶粒底面的水平位置上。

8.根据权利要求6所述基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：所述直角转像棱镜与转像透镜构成的组合转像光学系统，当半导体晶粒的底面位于组合转像光学系统的物方两倍焦点位置上时，在像方两倍焦点位置上得到半导体晶粒底面的实像且横向放大倍率为1倍；半导体晶粒天面及底面的二次像分别经过远心成像镜头最终在相机传感器的左半区域与右半区域形成天面及底面的实像。

9.根据权利要求6所述基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：所述光源为环形光源；环形光源由左半环与右半环组成环形，左半环与右半环分别对应于相机传感器的左半区域与右半区域，且左半环与右半环的照度分别控制。

10.根据权利要求6所述基于转像透镜实现半导体晶粒天面与底面同时检测的装置，其特征在于：所述转像透镜为用双胶合透镜替代；所述透明载物台为透明玻璃板片。

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