CN211426310U

CN211426310U - 实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置

Info

Publication number: CN211426310U
Application number: CN201922384522.7U
Authority: CN
Inventors: 廖廷俤; 颜少彬; 段亚凡
Original assignee: Quanzhou Normal University
Current assignee: Quanzhou Normal University
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2029-12-26

Abstract

本实用新型涉及一种实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置，其中检测装置包括在垂直光路方向上依次设置相机、远心成像镜头、第二照明光源、放置待测物体的透明载物台、第一直角转像棱镜，以及在待测物体的两侧分别设置的第二直角转像棱镜和第一照明光源；所述第一直角转像棱镜放置于待测物体第一待测表面的上方或下方，且第一直角转像棱镜的斜面平行并朝向待测物体的第一待测表面；所述第二直角转像棱镜放置于待测物体第二待测表面的一侧，且第二直角转像棱镜的一个直角面平行并朝向待测物体的第二待测表面；所述相机、远心成像镜头放置于第一直角转像棱镜的对立侧，本实用新型可以实现待测物体相邻两表面的等照度照明和等光程成像。

Description

实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置

技术领域：

本实用新型属于光学检测和机器视觉领域，尤其涉及一种对物体（半导体晶粒）相邻两面同时进行等照度照明且等光程成像的光学检测装置及方法。

背景技术：

机器视觉就是用机器代替人眼来做量测和判断，常用在一些不适合于人工作业的危险环境或人工视觉难以满足要求的场合；其具有自动化程度高、检测效率高、检测精度高和环境适应性好等优点，在降低人工成本和硬件更换成本方面具有较大优势。

随着与机器视觉技术相关的光学成像技术、光源照明技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、数字图像处理技术、机械工程技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等技术的不断提升，在全球“工业4.0”和自动化需求的推动之下，机器视觉逐渐应用于不同领域产品的质量检查和控制。

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，利用数字图像处理技术提取、处理图像信息并加以理解，给出缺陷检测、特征识别定位和尺寸量测等判别结果，进而控制现场的设备操作；目前传统的检测方法都是一个相机占用一个工位对待测物体的一个面的特征或轮廓尺寸进行检测，如果需要同时对1个以上的面进行表面特征检测和尺寸量测，就需要添加多套图像采集装置和电路模组，造成机构安装空间大，设备成本高，降低了性价比；同时增加了安装复杂性，降低了系统可靠性。

本申请人已经申请的专利，如图1所示，提出一种同时对物体天面与底两个表面进行光学检测的装置及方法，包括：水平的透明玻璃载物台A4、设置在所述透明玻璃载物台一侧的直角转像棱镜A5、以及设置在所述透明玻璃载物台另一侧的远心成像镜头A2、相机A1和内置同轴照明光源A6；所述直角转像棱镜A5的斜面朝向透明玻璃载物台且与透明玻璃载物台A4平行；所述直角转像棱镜、远心成像镜头和相机同轴;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，但存在以下两个问题：①底面成像光路经过多次光学元件，受入射损失影响，图像照度明显低于天面成像照度；②天面与底面的物方等效光程差异较大，需要采用专门设计的大景深远心成像镜头使得待测晶粒的天面与底面两个表面均能清晰成像。

本申请人另外的专利申请，如图2所示，提出一种同时对物体B4侧面与底面两个相邻表面进行光学检测的装置及方法，包括：水平的透明载物台B5、45°角的分光镜B3及其上方的相机B1和远心成像镜头B2、下方的直角转像棱镜B6，右方的照明光源B7；所述相机和远心成像镜头朝下设置于分光镜的上方；所述直角转像棱镜设置于透明玻璃载物台和分光镜的下方，且其斜面与透明玻璃载物台平行并朝向透明玻璃载物台，该方法通过光学元件的位置和尺寸优化设计解决了等光程问题，但仍存在两面成像照度差异问题。

上述现有技术局限于：（1）一套图像采集系统对物体（半导体晶粒）一个表面检测（正面光源照明）或轮廓尺寸量测（背光源照明）；（2）一个图像采集系统对半导体晶粒相对两面的同时检测，但存在不等照度照明或不等光程成像问题；（3）一个图像采集系统对半导体晶粒侧面与底面相邻两面的同时检测，但存在不等照度照明问题。

发明内容：

针对上述问题，本实用新型提出了一种实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置。

本实用新型实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置，其特征在于：包括在垂直光路方向上依次设置相机、远心成像镜头、第二照明光源、放置待测物体的透明载物台、第一直角转像棱镜，以及在待测物体的两侧分别设置的第二直角转像棱镜和第一照明光源；所述第一直角转像棱镜放置于待测物体第一待测表面的上方或下方，且第一直角转像棱镜的斜面平行并朝向待测物体的第一待测表面；所述第二直角转像棱镜放置于待测物体第二待测表面的一侧，且第二直角转像棱镜的一个直角面平行并朝向待测物体的第二待测表面；所述相机、远心成像镜头放置于第一直角转像棱镜的对立侧，且朝向第二直角转像棱镜和第一直角转像棱镜；所述第一照明光源和第二照明光源分别设置于待测物体相邻的第一、第二待测面后方且朝向待测物体，作为背光照明用于轮廓尺寸的检测。

进一步的，上述待测物体的侧面成像于相机外侧，天面或底面成像于相机内侧。

进一步的，上述检测装置设有第三照明光源，第三照明光源是内置同轴照明光源，或位于远心成像镜头和第二直角转像棱镜之间的外置照明光源，或以上两种光源的组合。

进一步的，上述外置照明光源为环形光源；其中心穿透区域未遮挡光路。

进一步的，上述透明载物台为透明玻璃板片。

进一步的，上述待测物体为半导体晶粒。

进一步的，上述相机为具有传感器CCD或CMOS的相机。

本实用新型实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像检测的方法，所述物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置包括在垂直光路方向上依次设置相机、远心成像镜头、第二照明光源、放置待测物体的透明载物台、第一直角转像棱镜，以及在待测物体的两侧分别设置的第二直角转像棱镜和第一照明光源；所述第一直角转像棱镜放置于待测物体第一待测表面的上方或下方，且第一直角转像棱镜的斜面平行并朝向待测物体的第一待测表面；所述第二直角转像棱镜放置于待测物体第二待测表面的一侧，且第二直角转像棱镜的一个直角面平行并朝向待测物体的第二待测表面；所述相机、远心成像镜头放置于第一直角转像棱镜的对立侧，且朝向第二直角转像棱镜和第一直角转像棱镜；所述第一照明光源和第二照明光源分别设置于待测物体相邻的第一、第二待测面后方且朝向待测物体，作为背光照明用于轮廓尺寸的检测；所述远心成像镜头上具有内置同轴第三照明光源，从第三照明光源发出的照明光束，其上半部分经第二直角转像棱镜直角面垂直入射，在斜面在上产生出射角为45°的一次全反射，转像90°后从另一直角边垂直出射，照明在位于透明载物台上的待测物体的左侧面，被照明的物体左侧面经第二直角转像棱镜转向90°后由远心成像镜头成像到相机传感器面的左半区域上，而下半部分照明光束经第一直角转像棱镜斜面的左半部分垂直入射在两直角面发生两次出射角为45°的全反射，转向180°后从斜面右侧垂直出射，照明在待测物体的天面，被照明的物体的天面从第一直角转像棱镜斜面右侧入射经180°转向后从斜面左侧垂直出射，由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上，同时第一照明光源和第二照明光源发出的照明光源沿着待检测物体边缘分别直接入射到直角转像棱镜，分别经第二直角转像棱镜和第一直角转像棱镜转向后，由远心成像镜头成像到相机传感器面上形成白色的背景，因此，从相机的成像面上同时得到高边界对比度的物体的左侧面与天面的像，且左侧面与天面的像相隔一个小间距。

本实用新型提出一种对半导体晶粒相邻两表面同时进行等照度照明且等光程成像的光学检测装置及方法，其可以实现相邻两表面等照度照明和等光程成像，无需照度补偿照明，便于进行图像处理；同时本申请可以获得高对比度边缘轮廓，实现同时进行尺寸量测。

附图说明：

图1是现有同时对物体天面与底两个表面进行光学检测的装置；

图2是现有同时对物体侧面与底面两个相邻表面进行光学检测的装置；

图3是本实用新型对物体的天面与左侧面同时进行等照度照明且等光程成像的光学检测装置；

图4是本实用新型对物体的天面和右侧面同时进行等照度照明且等光程成像的光学检测装置；

图5是本实用新型对物体的底面和左侧面同时进行等照度照明且等光程成像的光学检测装置；

图6是本实用新型对物体的底面和右侧面同时进行等照度照明且等光程成像的光学检测装置；

图7是本实用新型进行物体的天面与左侧面光学检测装置的光程计算；

图8是图7的另一种实施例。

具体实施方式：

本实用新型实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置包括在垂直光路方向上依次设置相机1、远心成像镜头2、第二照明光源9、放置待测物体的透明载物台5、第一直角转像棱镜6，以及在待测物体4的两侧分别设置的第二直角转像棱镜3和第一照明光源8；所述第一直角转像棱镜6放置于待测物体第一待测表面a的上方或下方，且第一直角转像棱镜6的斜面平行并朝向待测物体的第一待测表面a；所述第二直角转像棱镜3放置于待测物体第二待测表面b的一侧，且第二直角转像棱镜3的一个直角面平行并朝向待测物体的第二待测表面b；所述相机1、远心成像镜头2放置于第一直角转像棱镜6的对立侧，且朝向第二直角转像棱镜3和第一直角转像棱镜6；所述第一照明光源8和第二照明光源9分别设置于待测物体相邻的第一、第二待测面后方且朝向待测物体，作为背光照明用于轮廓尺寸的检测。

为了较好实现等照度照明与等光程成像，上述待测物体的侧面成像于相机外侧，天面或底面成像于相机内侧。

上述检测装置设有第三照明光源7，第三照明光源是内置同轴照明光源，或位于远心成像镜头和第二直角转像棱镜之间的外置照明光源，或以上两种光源的组合。

当第三照明光源7为外置照明光源时，上述外置照明光源为环形光源；其中心穿透区域未遮挡光路。

为了方便制作，上述透明载物台为透明玻璃板片。

上述待测物体为半导体晶粒；上述相机为具有传感器CCD或CMOS的相机。

本实用新型实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像检测的方法，所述物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置在垂直光路方向上依次设置相机1、远心成像镜头2、第二照明光源9、放置待测物体的透明载物台5、第一直角转像棱镜6，以及在待测物体4的两侧分别设置的第二直角转像棱镜3和第一照明光源8；所述第一直角转像棱镜6放置于待测物体第一待测表面a的上方或下方，且第一直角转像棱镜6的斜面平行并朝向待测物体的第一待测表面a；所述第二直角转像棱镜3放置于待测物体第二待测表面b的一侧，且第二直角转像棱镜3的一个直角面平行并朝向待测物体的第二待测表面b；所述相机1、远心成像镜头2放置于第一直角转像棱镜6的对立侧，且朝向第二直角转像棱镜3和第一直角转像棱镜6；所述第一照明光源8和第二照明光源9分别设置于待测物体相邻的第一、第二待测面后方且朝向待测物体，作为背光照明用于轮廓尺寸的检测；以图3为例，所述远心成像镜头上具有内置同轴第三照明光源，从第三照明光源发出的照明光束，其上半部分经第二直角转像棱镜直角面垂直入射，在斜面在上产生出射角为45°的一次全反射，转像90°后从另一直角边垂直出射，照明在位于透明载物台上的待测物体的左侧面，被照明的物体左侧面经第二直角转像棱镜转向90°后由远心成像镜头成像到相机传感器面的左半区域上，而下半部分照明光束经第一直角转像棱镜斜面的左半部分垂直入射在两直角面发生两次出射角为45°的全反射，转向180°后从斜面右侧垂直出射，照明在待测物体的天面，被照明的物体的天面从第一直角转像棱镜斜面右侧入射经180°转向后从斜面左侧垂直出射，由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上，同时第一照明光源和第二照明光源发出的照明光源沿着待检测物体边缘分别直接入射到直角转像棱镜，分别经第二直角转像棱镜和第一直角转像棱镜转向后，由远心成像镜头成像到相机传感器面上形成白色的背景，因此，从相机的成像面上同时得到高边界对比度的物体的左侧面与天面的像，且左侧面与天面的像相隔一个小间距。

如图4-6所示，本申请同样适用于半导体晶粒或物体天面与右侧面（图4），或底面与左侧面（图5），或底面与右侧面（图6）的同时检测，图4-6的实施例与图3的实施例区别仅在于第二直角转像棱镜3、第一照明光源8位于待测物体的左侧或右侧，以及第二照明光源9、第一直角转像棱镜6位于待测物体的上方或下方，其它部件以及光路走向相同。

下面以图3装置为例，假设待检测物体（半导体晶粒）的长*宽*高为:i*j*k，物体的左侧面成像于相机视野左侧，天面和左侧面的像相隔的间距为d，第二直角转像棱镜3的光轴长度为

，第一直角转像棱镜6的光轴长度为

，2个直角转像棱镜的折射率均为n，计算原理如图7所示，为了使晶粒待检测表面全部能够通过直角转像棱镜在相机上成像，必须有：

，

，玻璃载物台晶粒左侧宽度

，假设半导体晶粒4侧面的成像光路的等效几何光程为

，待检测物体天面的成像光路等效几何光程为

，两成像光束的等效几何光程差为

，则有：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

假设待检测物体（半导体晶粒）长宽高尺寸分别为2.10*1.30*1.30mm，固定天面和侧面的像的间距为d=2mm，BC=DE=HI=1mm，使用的直角转像棱镜材质均为K9玻璃，其折射率n=1.5163。

实施例一：

根据上述要求，若选用第二直角转像棱镜3的光轴长度为

，第一直角转像棱镜6的光轴长度为

（直角边长30mm），为了使相邻两表面等光程成像，根据公式（5）可得AB=3.82mm，此时玻璃载物台晶粒左侧宽度最大尺寸为W=39.13mm。

实施例二：

根据上述要求，若选用第二直角转像棱镜3的光轴长度为

(直角面长），第一直角转像棱镜6的光轴长度为

（直角边长50mm）为了使相邻两表面等光程成像，根据公式（5）可得AB=6.93mm，此时玻璃载物台晶粒左侧宽度最大尺寸为W=67.41mm。

本实用新型提出一种对半导体晶粒相邻两表面同时进行等照度照明且等光程成像的光学检测装置及方法，其可以实现相邻两表面等照度照明和等光程成像，无需照度补偿照明，便于进行图像处理；同时本申请引入背光源，可获得高对比度图像边缘轮廓，在进行表面缺陷特征检测的同时可进行轮廓尺寸量测；此外可通过增加第一直角转像棱镜的斜面长度尺寸，以便加大半导体晶粒左侧玻璃载物台的最大宽度尺寸，扩大检测装置的适用范围；而且本申请提出的检测装置应用在半导体晶粒筛选机两个工位上可以实现对半导体晶粒四个表面和轮廓尺寸的同时检测。

本实用新型申请解决了现有技术的不足：

（1）本实用新型申请对相邻两面成像各采用1个直角转像棱镜，分别实现光路的180°和90°转向，实现了相邻两表面的等照度照明；通过优化直角转像棱镜尺寸和位置设计，实现了相邻两表面的等光程成像。

（2）采用正面照明和背光源照明相结合的方式，白化视场背景，获得高对比度的待测物体边缘轮廓，一次成像可同时进行表面缺陷特征检测和轮廓尺寸量测，进一步减少了系统检测工位，提高了系统的检测效率、稳定性和性价比。

（3）可通过增加第一直角转像棱镜的斜面长度尺寸，可加大半导体晶粒左侧玻璃载物台的最大宽度尺寸，扩大检测装置适用被测物的范围。

上述直角转像棱镜（180°）：光线由直角转像棱镜斜边垂直入射，分别在两个直角边进行出射角为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。

直角转像棱镜（90°）：光线由直角转像棱镜直边垂直入射，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。最后出射光线与入射光线相比，光路发生了90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。

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

1.一种实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置，其特征在于：包括在垂直光路方向上依次设置相机、远心成像镜头、第二照明光源、放置待测物体的透明载物台、第一直角转像棱镜，以及在待测物体的两侧分别设置的第二直角转像棱镜和第一照明光源；所述第一直角转像棱镜放置于待测物体第一待测表面的上方或下方，且第一直角转像棱镜的斜面平行并朝向待测物体的第一待测表面；所述第二直角转像棱镜放置于待测物体第二待测表面的一侧，且第二直角转像棱镜的一个直角面平行并朝向待测物体的第二待测表面；所述相机、远心成像镜头放置于第一直角转像棱镜的对立侧，且朝向第二直角转像棱镜和第一直角转像棱镜；所述第一照明光源和第二照明光源分别设置于待测物体相邻的第一、第二待测面后方且朝向待测物体，作为背光照明用于轮廓尺寸的检测。

2.根据权利要求1所述实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置，其特征在于：所述待测物体的侧面成像于相机外侧，天面或底面成像于相机内侧。

3.根据权利要求1所述实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置，其特征在于：所述检测装置设有第三照明光源，第三照明光源是内置同轴照明光源，或位于远心成像镜头和第二直角转像棱镜之间的外置照明光源，或以上两种光源的组合。

4.根据权利要求3所述实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置，其特征在于：所述外置照明光源为环形光源；其中心穿透区域未遮挡光路。

5.根据权利要求1所述实现物体相邻两面等照度照明与等光程成像的检测装置，其特征在于：所述相机为具有传感器CCD或CMOS的相机。