制冷器件晶粒相鄰面準(zhǔn)共焦成像檢測(cè)的光學(xué)裝置

廖廷俤，顏少彬，段亞凡，陳 武，黃啟祿，黃衍堂

（1.泉州師范學(xué)院光子技術(shù)研究中心，福建 泉州 362000；2.福建省先進(jìn)微納光子技術(shù)與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 泉州 362000；3.福建省超精密光學(xué)工程技術(shù)與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 泉州 362000）

引言

在機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的各種工業(yè)應(yīng)用中[1-7]，通常一個(gè)檢測(cè)工位使用一組遠(yuǎn)心成像鏡頭與相機(jī)檢測(cè)物體的一個(gè)面。一方面，當(dāng)待測(cè)物體（如液晶顯示面板）尺寸較大時(shí)，需要兩個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)心成像鏡頭與相機(jī)組成陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)物體全視場(chǎng)的同時(shí)檢測(cè)[8-9]。另一方面，有的工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用需要從多個(gè)角度同時(shí)檢測(cè)一個(gè)物體的兩個(gè)面（或多個(gè)面），例如在一個(gè)工位上需要同時(shí)檢測(cè)半導(dǎo)體制冷器件（thermoelectric cooler,TEC）晶粒兩個(gè)面[10]。晶粒雙面同時(shí)檢測(cè)可以提高檢測(cè)速度并可充分利用遠(yuǎn)心成像鏡頭與CMOS 相機(jī)的有效成像視場(chǎng)。

目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)半導(dǎo)體制冷器件廠家使用人工來(lái)完成半導(dǎo)體制冷晶粒的缺陷檢測(cè)。在已有雙面同時(shí)檢測(cè)技術(shù)中[10]，由于晶粒相鄰兩面同時(shí)成像存在光程差,即使采用了很大景深的遠(yuǎn)心成像鏡頭，也難以解決尺寸較大晶粒相鄰兩面同時(shí)清晰成像的問(wèn)題。針對(duì)相鄰面成像檢測(cè)存在的問(wèn)題，本文提出一種半導(dǎo)體制冷晶粒相鄰面同時(shí)準(zhǔn)等光程（或準(zhǔn)共焦）成像檢測(cè)的光學(xué)裝置。

1 檢測(cè)原理

1.1 檢測(cè)裝置構(gòu)造

圖1 為半導(dǎo)體制冷器件晶粒天面與側(cè)面缺陷同時(shí)成像檢測(cè)的光學(xué)裝置。該裝置由CMOS 相機(jī)1，遠(yuǎn)心成像鏡頭2，半透半反射的立方分束器3，玻璃載物轉(zhuǎn)盤(pán)4 和半導(dǎo)體致冷器件晶粒5，直角轉(zhuǎn)像棱鏡6a 和6b 以及同軸外置照明光源7 構(gòu)成。2 個(gè)直角轉(zhuǎn)像棱鏡分別位于天面與側(cè)面的成像光路中。晶粒的照明光源位于立方分束器2 的右側(cè)。在照明光路中用作分束的立方分束器在成像光路中的作用為立方合像器。晶粒的天面經(jīng)直角轉(zhuǎn)像棱鏡與立方合像器的90°反射后進(jìn)入遠(yuǎn)心成像鏡頭2，晶粒的側(cè)面經(jīng)直角轉(zhuǎn)像棱鏡與立方合像器的透射后也進(jìn)入遠(yuǎn)心成像鏡頭2，且天面與側(cè)面經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所形成的像分別位于CMOS 相機(jī)1 的傳感器中心的兩側(cè)。雖然圖1采用同軸外置照明光源，但是根據(jù)具體應(yīng)用要求，也可以采用其他非同軸外置的照明方案。

圖1 晶粒天面與側(cè)面同時(shí)成像缺陷檢測(cè)的光學(xué)裝置Fig.1 Optical apparatus for simultaneously inspecting top and side surfaces defects of TEC components.

晶粒的天面與側(cè)面經(jīng)過(guò)各自的轉(zhuǎn)像和成像光路后抵達(dá)立方合像器,在立方合像器輸出端且沿垂直于光軸方向上天面與側(cè)面成像光路產(chǎn)生一定的間隔δ，以便經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)心成像鏡頭與CMOS 相機(jī)后得到天面與側(cè)面分開(kāi)且清晰的像。當(dāng)立方分束器與側(cè)面直角轉(zhuǎn)像棱鏡的位置固定時(shí)，晶粒相鄰面像之間的間隔可通過(guò)改變天面直角轉(zhuǎn)像棱鏡的水平（或垂直）位置來(lái)調(diào)節(jié)。為了后續(xù)圖像處理，晶粒相鄰雙面像之間的間隔需要適當(dāng)，天面與側(cè)面相鄰面物方中間像中心之間的間距為δ=a+d，其中a為晶粒橫截面邊長(zhǎng)，d為晶粒天面與側(cè)面像邊緣之間的間隔。

1.2 準(zhǔn)共焦成像原理

在沿光軸方向上，晶粒的天面與側(cè)面成像光路也存在物方光程差Δ=δ。晶粒的天面與側(cè)面兩個(gè)相鄰面經(jīng)過(guò)雙光路成像轉(zhuǎn)換成一個(gè)在空間上相距δ，但存在物方光程差Δ且具有Δ=δ特性的中間像，然后經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)心成像鏡頭在CMOS 相機(jī)傳感器上形成相鄰雙面的像。

晶粒相鄰面成像光路的光程差Δ主要取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)：立方棱鏡上獲得的相鄰面中間像之間的距離δ=a+d。當(dāng)晶粒尺寸a增大時(shí)，δ也隨之增大。成像檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)時(shí)一般選取d=0.1～0.3 mm。當(dāng)晶粒尺寸a與相鄰面雙像邊緣間隔d較小時(shí)（通常a=0.5～2.0 mm），相鄰雙面成像的光程差Δ=δ也較小，因此可以認(rèn)為相鄰面成像檢測(cè)裝置滿足準(zhǔn)等光程（或準(zhǔn)共焦）成像條件。當(dāng)光程差Δ=δ=0 時(shí)，晶粒相鄰面成像光路滿足等光程或共焦條件。

為了在相機(jī)傳感器上獲得晶粒相鄰雙面同時(shí)清晰的成像，可以通過(guò)選擇足夠大景深（depth of focus，DOF）的遠(yuǎn)心成像鏡頭來(lái)補(bǔ)償成像光路的這一光程差Δ。本文提出的光學(xué)檢測(cè)裝置采用了晶粒相鄰面的檢測(cè)光路在合像器位置上的準(zhǔn)等光程或準(zhǔn)共焦成像原理。本檢測(cè)裝置在光學(xué)結(jié)構(gòu)布局上與傳統(tǒng)的雙光束等臂干涉儀（邁克爾遜干涉儀）類似。

2 檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

基于前面提出的相鄰面準(zhǔn)等光程共焦成像檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)并搭建了晶粒相鄰面同時(shí)成像檢測(cè)的光學(xué)裝置。圖2 為晶粒相鄰面成像裝置前置棱鏡轉(zhuǎn)像子系統(tǒng)的光路。該轉(zhuǎn)像子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)晶粒相鄰面缺陷的同時(shí)成像檢測(cè)。待測(cè)晶粒外形為長(zhǎng)方體，典型尺寸為2.10 mm×1.32 mm×1.32 mm。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)和加工了直角轉(zhuǎn)像棱鏡15 mm×15 mm×15 mm 與立方分束器15 mm×15 mm×15 mm。本實(shí)驗(yàn)采用?？低暤腃MOS 相機(jī)CA050-10GM 為成像傳感器，該相機(jī)CMOS 靶面大小為2/3′，像元大小為3.45 μm，分辨率為2 448×2 048。為比較，先使用德鴻視覺(jué)1.5 倍的遠(yuǎn)心鏡頭WTL110-1520 進(jìn)行初步的準(zhǔn)等光程或準(zhǔn)共焦成像的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2 前置棱鏡轉(zhuǎn)像子系統(tǒng)光路Fig.2 Illustration of light path in the prism relay sub-system.

利用上述檢測(cè)裝置得到的晶粒相鄰面成像檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可見(jiàn)，可以分別獲得晶粒天面調(diào)焦時(shí)的成像（圖3（a）），晶粒側(cè)面調(diào)焦時(shí)的成像（圖3（b）），以及晶粒天面與側(cè)面同時(shí)基本調(diào)焦時(shí)的“準(zhǔn)”共焦成像（圖3（c））。注意到晶粒天面與側(cè)面的調(diào)焦成像清晰度基本相同時(shí)，相鄰兩個(gè)面的“準(zhǔn)”共焦成像清晰度欠佳，不如僅天面（或僅側(cè)面）調(diào)焦時(shí)的成像清晰度好，“準(zhǔn)”共焦成像清晰度仍然存在一定的提升空間。這是因?yàn)樗玫牡馒櫼曈X(jué)1.5 倍的遠(yuǎn)心鏡頭WTL110-1520 調(diào)焦時(shí)的最佳分辨率接近100 lp/mm，但景深較小，即分辨率達(dá)到70 lp/mm，景深僅為±0.25 mm，無(wú)法滿足晶粒相鄰面共焦成像的最小景深要求DOF≥Δ=δ=1.32 mm（當(dāng)d=0 時(shí)）。為了獲得相鄰雙面在相機(jī)傳感器面上同時(shí)成像清晰，遠(yuǎn)心成像鏡頭的景深需要滿足的條件為：DOF≥Δ。遠(yuǎn)心成像鏡頭的物方線視場(chǎng)（field of view，F(xiàn)OV）需要滿足的條件為：FOV≥2a+d=δ+a。

圖3 對(duì)晶粒不同面調(diào)焦Fig.3 Focusing adjustment for two adjacent surfaces of TEC components

2.2 準(zhǔn)共焦成像檢測(cè)驗(yàn)證

為了獲得晶粒相鄰面準(zhǔn)共焦成像檢測(cè)，現(xiàn)選擇一款較大景深但較低倍的遠(yuǎn)心成像鏡頭WTL 110-03F50（德鴻視覺(jué)）。相鄰雙面檢測(cè)成像結(jié)果如圖4 所示。經(jīng)測(cè)試評(píng)估得知，在±1.0 mm 的物方景深范圍內(nèi)，遠(yuǎn)心成像鏡頭WTL110-03F50 的成像分辨率都達(dá)到120 lp/mm 以上，完全可以滿足相鄰面準(zhǔn)共焦成像的景深要求DOF≥Δ=δ=1.42～1.62 mm。從圖4 可見(jiàn)，天面和側(cè)面同時(shí)調(diào)焦情況下的成像十分清晰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)選擇景深足夠大的遠(yuǎn)心成像鏡頭，采用本檢測(cè)裝置可以得到滿足圖像處理算法要求的晶粒相鄰雙面同時(shí)成像檢測(cè)的性能要求。

圖4 晶粒天面與側(cè)面基本同時(shí)調(diào)焦時(shí)的準(zhǔn)共焦成像的缺陷檢測(cè)Fig.4 Defects inspection of top and side surfaces of TEC components with both surface are well focused

2.3 等光程共焦成像討論

通過(guò)調(diào)整天面直角轉(zhuǎn)像棱鏡的水平（或垂直）位置，可得到晶粒雙面成像重疊約2/3 時(shí)的成像結(jié)果，如圖5（a）所示。圖5（b）所示為晶粒雙面成像重疊完全重疊時(shí)的結(jié)果。當(dāng)晶粒雙面成像重疊區(qū)增加時(shí)，雙面成像的清晰度也隨之增加，當(dāng)天面與側(cè)面像完全重合時(shí)，雙面成像滿足完全等光程共焦成像條件。這時(shí)晶粒天面（或側(cè)面）分別獨(dú)立成像時(shí)的結(jié)果（遮擋晶粒之一面時(shí)另一面的成像）應(yīng)該和天面（或側(cè)面）分別對(duì)焦成像時(shí)得到的結(jié)果一致。注意到晶粒側(cè)面像的右側(cè)有一個(gè)模糊的鏡像，這是由于晶粒側(cè)面經(jīng)玻璃載物臺(tái)的表面反射所形成的鏡面倒影像，可以根據(jù)需要通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞郊右韵?/p>

圖5 晶粒天面與側(cè)面像2/3 重疊及完全重疊成像結(jié)果Fig.5 Imaging of two adjacent surfaces of TEC components with 2/3-area overlapping and whole overlapping.

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體制冷器件晶粒相鄰面同時(shí)準(zhǔn)共焦（或準(zhǔn)等光程）成像檢測(cè)的光學(xué)裝置。完成了晶粒相鄰面同時(shí)成像檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)選擇足夠景深的遠(yuǎn)心成像鏡頭時(shí)，該檢測(cè)裝置可以滿足晶粒相鄰面同時(shí)共焦成像檢測(cè)的功能。本裝置的特點(diǎn)是：當(dāng)立方分束器與側(cè)面直角轉(zhuǎn)像棱鏡的位置固定時(shí)，晶粒相鄰雙面像之間的間隔可通過(guò)改變天面直角轉(zhuǎn)像棱鏡的水平（或垂直）位置來(lái)調(diào)節(jié)，以獲得晶粒雙面分開(kāi)不同間隔的成像結(jié)果。當(dāng)晶粒天面與側(cè)面像完全重合時(shí)，晶粒相鄰雙面成像滿足等光程共焦成像條件。為獲得晶粒相鄰雙面同時(shí)清晰成像，需要設(shè)計(jì)晶粒相鄰雙面成像滿足等光程共焦成像條件的檢測(cè)裝置。如何實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶粒相鄰面同時(shí)等光程共焦成像檢測(cè)將有待后續(xù)進(jìn)一步探討。綜上所述，本文提出的檢測(cè)裝置基本滿足晶粒相鄰雙面檢測(cè)的性能要求，具有提高檢測(cè)速度、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)且降低成本等優(yōu)點(diǎn)，可望在晶粒缺陷智能檢測(cè)系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。