对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置及方法与流程

本发明涉及一种对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置及方法，属于机器视觉、光学自动检测领域。

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。

发明专利2019101574716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。

发明专利2019102070162提出一种同时对物体(半导体晶粒)侧面与底面两个相邻表面进行光学检测的装置及方法。

现有技术局限于：一个镜头对物体(半导体晶粒)一个表面的检测，或一个镜头对半导体晶粒天面与底面的同时检测，或一个镜头对半导体晶粒侧面与底面的同时检测。无法实现一个镜头对物体(半导体晶粒)侧面与天面的同时检测。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置及方法，能实现一个镜头对物体(半导体晶粒)侧面与天面的同时检测。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置，包括在垂直光路方向上依次设置的相机、远心成像镜头、45°角的分束器、待测半导体晶粒与透明玻璃载物台；在水平光路方向上依次设置的直角转像棱镜、与垂直光路共享的45°角的分束器与照明光源。

优选的，照明光源位于45°角的分束器的侧部实现外置同水平光轴，分束器采用半透半反射分束器。

优选的，照明光源位于远心成像镜头内置同轴照明分束器的侧部实现内置同水平光轴。

优选的，45°角的半透半反射分束器设计为部分透射、透过率t，部分反射、反射率r＝1-t，t＝50％。

优选的，45°角的分束器设计为一半区域为高反射镜面，另一半区域为透明玻璃平板，形成组合分束器。

优选的，透明玻璃平板上镀ar增透膜，直角转像棱镜的斜面也镀ar增透膜。

优选的，相机含传感器ccd或cmos，相机和远心成像镜头朝下设置于45°角的分束器的上方。

优选的，直角转像棱镜设置于45°角的分束器与待测半导体晶粒的一侧，且直角转像棱镜斜面与45°角的分束器成45°夹角并朝向待测半导体晶粒的待测表面。

一种对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置的检测方法，按以下步骤进行：(1)从照明光源发出的照明光束，其下半部分经45°角的半透半反射分束器反射后照明位于透明玻璃载物台上的待测半导体晶粒的天面，被照明的天面经45°角的半透半反射分束器后由远心成像镜头成像到相机传感器面的左半区域上；(2)从照明光源发出的照明光束，其上半部分照明光束透过45°角的半透半反射分束器后入射到直角转像棱镜斜面的上半部分通光孔径，经直角转像棱镜转向后照明待测半导体晶粒的左侧面，被照明的左侧面依次经直角转像棱镜的二次反射转向以及45°角的半透半反射分束器的90度反射转向后，由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上；(3)从相机的成像面上同时得到待测半导体晶粒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。

一种对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置的检测方法，按以下步骤进行：(1)从照明光源发出的水平照明光束，先经过内置同轴照明分束器转向90度，再由远心成像镜头变换后出射，其左半部分经45°角的组合分束器透射后照明位于透明玻璃载物台上的待测半导体晶粒的天面，被照明的天面经45°角的组合分束器后再由远心成像镜头成像到相机传感器面的左半区域上；(2)而右半部分照明光束透过45°角的组合分束器反射到直角转像棱镜斜面的上半部分通光孔径，经直角转像棱镜的二次反射转向后照明待测半导体晶粒的左侧面，被照明的左侧面沿原光路依次经直角转像棱镜的二次反射转向以及45°角的组合分束器的90度反射转向后，最后由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上；(3)从相机的成像面上也同时得到待测半导体晶粒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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置，结构简单，可以实现对物体(半导体晶粒)侧面与天面的同时检测。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例一的构造示意图。

图2为本发明实施例二的构造示意图。

图3为图2的光程计算原理图。

图中：1-相机，2-远心成像镜头，3-半透半反射分束器，4-待测半导体晶粒，5-透明玻璃载物台，6-直角转像棱镜，7-照明光源，8-高反射镜面，9-透明玻璃平板，10-组合分束器。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

本发明的所有实施例如图1-3所示：

一种对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置，包括在垂直光路方向上依次设置的相机1、远心成像镜头2、45°角的分束器、待测半导体晶粒4与透明玻璃载物台5；在水平光路方向上依次设置的直角转像棱镜6、与垂直光路共享的45°角的分束器与照明光源7。

在本发明实施例中，相机含传感器ccd或cmos，相机和远心成像镜头朝下设置于45°角的分束器的上方。

在本发明实施例中，直角转像棱镜设置于45°角的分束器与待测半导体晶粒的一侧，且直角转像棱镜斜面与45°角的分束器成45°夹角并朝向待测半导体晶粒的待测表面。

如图1所示，在以上基础上本发明的实施例一区别为：照明光源位于45°角的分束器的侧部实现外置同水平光轴，分束器采用半透半反射分束器3，45°角的半透半反射分束器设计为部分透射、透过率t，部分反射、反射率r＝1-t，通常选择t＝50％。通过适当优化设计照明光源上半区与下半区局部照度的比例、分束器的透过率(t)与反射率(r)的比例优化设计获得侧面与天面的近似相等同照度的照明。

如图2所示，在以上基础上本发明的实施例二区别为：照明光源位于远心成像镜头内置同轴照明分束器的侧部实现内置同水平光轴，45°角的分束器设计为一半区域为高反射镜面8，另一半区域为透明玻璃平板9，形成组合分束器10，透明玻璃平板上镀ar增透膜，直角转像棱镜的斜面也镀ar增透膜。解决了已有双面检测技术的侧面与天面两个待测表面的照度不相同产生的图像识别与处理的困难，可以获得侧面与天面的近似相等同照度的照明。通过侧面与天面两个相邻表面成像光路等光程成像的优化设计，获得侧面与天面的同等清晰度的成像，可以降低对远心成像镜头的景深要求。如果无法完全获得左侧面与天面两个相邻物面的等光程成像，可选择具有一定景深的远心成像镜头来进一步获得双面同时清晰成像。

如图1所示，本发明的实施例一对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置的检测方法，按以下步骤进行：(1)从照明光源发出的照明光束，其下半部分经45°角的半透半反射分束器反射后照明位于透明玻璃载物台上的待测半导体晶粒的天面，被照明的天面经45°角的半透半反射分束器后由远心成像镜头成像到相机传感器面的左半区域上；(2)从照明光源发出的照明光束，其上半部分照明光束透过45°角的半透半反射分束器后入射到直角转像棱镜斜面的上半部分通光孔径，经直角转像棱镜转向后照明待测半导体晶粒的左侧面，被照明的左侧面依次经直角转像棱镜的二次反射转向以及45°角的半透半反射分束器的90度反射转向后，由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上；(3)从相机的成像面上同时得到待测半导体晶粒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2所示，本发明的实施例二对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置的检测方法，按以下步骤进行：(1)从照明光源发出的水平照明光束，先经过内置同轴照明分束器转向90度，再由远心成像镜头变换后出射，其左半部分经45°角的组合分束器透射后照明位于透明玻璃载物台上的待测半导体晶粒的天面，被照明的天面经45°角的组合分束器后再由远心成像镜头成像到相机传感器面的左半区域上；(2)而右半部分照明光束透过45°角的组合分束器反射到直角转像棱镜斜面的上半部分通光孔径，经直角转像棱镜的二次反射转向后照明待测半导体晶粒的左侧面，被照明的左侧面沿原光路依次经直角转像棱镜的二次反射转向以及45°角的组合分束器的90度反射转向后，最后由远心成像镜头成像到相机传感器面的右半区域上；(3)从相机的成像面上也同时得到待测半导体晶粒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3所示，光程计算原理以本发明的实施例二为例：

假设待检测半导体晶粒的长×宽×高为：i×j×k，半导体晶粒的侧面成像于相机视野右侧，天面和侧面光路在组合分束器上的水平间距为d，二次反射直角转像棱镜的光轴长度为l，组合分束器的厚度为t，二次反射直角转像棱镜和组合分束器的折射率为n。计算原理如图3所示，可知ji＝fg，侧面光路在直角转像棱镜中的等效光程为：l/n，天面光路经组合分束器折射的等效光程为：天面光路在组合分束器的入射点和出射点间的高度差为：为了使晶粒全部能够通过直角转像棱镜在相机上成像，必须有：

组合分束器的最小通光孔径：假设天面的成像光路的等效几何光程为s1，晶粒底面的成像光路等效几何光程为s2，两成像光束的等效几何光程差为d，则有：

根据上述要求，假设使用材质为k9玻璃的直角转像棱镜和组合分束器，其折射率n＝1.5163，若待检测晶粒长宽高尺寸分别为2.10×1.30×1.30mm，天面和侧面成像间距为1mm，组合分束器厚度为2mm，则需求的组合分束器最小通光孔径为6.14×2.1mm²，光路hj＞5.76mm。因此，选择1个通光孔径为7×7mm²，厚度为2mm的组合分束器、1个直角面长30mm(斜面长l为42.4mm)的直角转像棱镜、1个ccd靶面大小2/3”，像元大小为3.45um的相机，通过调节直角转像棱镜与晶粒间的水平间距，改变光程差，匹配分辨率>100lp/mm，景深大于光程差的镜头即可实现对晶粒天面和侧面的同时检测。

通过调节并固定直角转像棱镜竖直方向位置，使hj＝40mm；调节组合分束器水平方向位置并固定，使天面和侧面的成像间距d＝1mm，根据公式(4)可知，当直角转像棱镜与晶粒之间的距离ab＝4.49mm时，天面和侧面两成像光路的光程差为零。

在本发明实施例中，该光学装置可用于对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测，但并不局限于此。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的对半导体晶粒天面与侧面同时进行检测的光学装置及方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。