基于偏振分像的制冷器件晶粒雙面等光程共焦成像缺陷檢測裝置

廖廷俤，顏少彬，黃啟祿，黃衍堂，崔旭東

（1．泉州師范學(xué)院 光子技術(shù)研究中心，福建 泉州 362000；2．泉州師范學(xué)院 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．泉州師范學(xué)院 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

機(jī)器視覺自動光學(xué)檢測技術(shù)在光學(xué)與光電子器件等產(chǎn)品在線檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-9]。迄今，已經(jīng)被提出的半導(dǎo)體致冷晶粒雙面（相鄰或相對）同時成像檢測裝置與方法中，雙面同時成像檢測裝置的光程差與檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，當(dāng)被檢測晶粒結(jié)構(gòu)尺寸較大時，為解決晶粒雙面同時檢測及其光程差（或離焦）產(chǎn)生的成像清晰度問題，檢測裝置需采用較大的直角轉(zhuǎn)像棱鏡與大景深遠(yuǎn)心成像鏡頭，由此給檢測帶來一定的局限性[10]。最近，一種半導(dǎo)體制冷器件晶粒相鄰面同時“準(zhǔn)”共焦成像檢測的新方法得到了研究與驗(yàn)證[11]。該方法基于相鄰雙面的成像檢測在立方合像棱鏡上的“準(zhǔn)”等光程成像原理，使相鄰雙面成像檢測的光程差Δ與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)無關(guān)，只與晶粒相鄰雙面中心的間距有關(guān)。采用該方法的光學(xué)檢測裝置雖然實(shí)現(xiàn)了晶粒相鄰面“準(zhǔn)”等光程共焦成像檢測，但是相鄰雙面成像之間仍然存在光程差Δ[11]。這個光程差Δ可以通過選擇足夠大景深的遠(yuǎn)心成像鏡頭來補(bǔ)償，但是當(dāng)被檢測晶粒增大時，光程差Δ及物方視場也隨之增大，必須使用大視場、大景深的遠(yuǎn)心成像鏡頭，相應(yīng)地遠(yuǎn)心成像鏡頭的制造難度與成本會增加。因此，獲得晶粒相鄰面等光程共焦成像檢測的新技術(shù)途徑很有必要。偏振成像技術(shù)[12]與傳統(tǒng)光電成像檢測技術(shù)相比，不僅可獲得被檢測物體的強(qiáng)度信息，還可獲得偏振度信息；不僅可以增加被檢測物體的信息量，還可以簡化檢測裝置的結(jié)構(gòu)。隨著偏振成像技術(shù)與偏振成像器件的發(fā)展，偏振成像檢測技術(shù)及其應(yīng)用得到廣泛的研究[13-14]。本文提出了一種基于偏振分像的方法，利用偏振分束器與偏振傳感器相機(jī)設(shè)計(jì)了用于半導(dǎo)體晶粒相鄰兩面同時等光程共焦偏振成像檢測的新裝置，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體晶粒相鄰兩面同時等光程共焦偏振成像檢測。該檢測裝置具有等光程共焦偏振成像的特性，具有雙面同時成像、清晰度好、成像光路共焦調(diào)整方便、檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)，為檢測設(shè)備性能的提高提供了新的方法。

1 檢測裝置原理

圖1所示為半導(dǎo)體制冷器件晶粒天面與側(cè)面同時等光程共焦成像檢測的光學(xué)裝置。該檢測裝置在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局上類似傳統(tǒng)的雙光束等臂干涉儀系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)晶粒相鄰雙面的等光程共焦成像檢測。該裝置由特定的CMOS相機(jī)偏振傳感器1，遠(yuǎn)心成像鏡頭2，偏振立方分束器/偏振立方合像器3，半導(dǎo)體晶粒4、透明玻璃載物轉(zhuǎn)盤5、直角轉(zhuǎn)像棱鏡6a和6b、同軸外置照明光源7等構(gòu)成。晶粒的照明光源7位于偏振立方分束器/合像器3的右側(cè)，在照明光路中用作偏振分束的偏振立方分束器3在成像光路中的作用則為偏振立方合像器3。晶粒的天面經(jīng)直角轉(zhuǎn)像棱鏡6a與偏振立方合像器3的90°反射后進(jìn)入遠(yuǎn)心成像鏡頭2，半導(dǎo)體晶粒的側(cè)面經(jīng)直角轉(zhuǎn)像棱鏡6b與偏振立方合像器3的透射后也進(jìn)入遠(yuǎn)心成像鏡頭2，且天面與側(cè)面的像分別位于CMOS相機(jī)偏振傳感器1中心的兩側(cè)。本檢測裝置采用了相鄰雙面的檢測光路在偏振立方合像器3位置輸出面上等光程共焦成像的原理，有相鄰面的雙像在偏振立方合像器3輸出面時空間位置完全重合的特點(diǎn)，即滿足晶粒雙面等光程共焦成像條件Δ=0。（必須指出，本文中，“等光程共焦”是指晶粒的相鄰雙面經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)所形成的兩個像位于同一個傳感器平面上，而且空間上完全重合，與傳統(tǒng)的共焦掃描成像顯微鏡中的“共焦”是不同的。）

圖1 半導(dǎo)體制冷器件晶粒天面與側(cè)面同時等光程共焦偏振成像檢測的光學(xué)裝置Fig.1 Optical apparatus for simultaneously inspecting top and side surfaces defects of TEC components with polarization confocal imaging

本裝置中，半導(dǎo)體晶粒的雙面照明光束的偏振方向互為垂直，照明光源經(jīng)過偏振立方分束器3時，被分為兩束線偏振光：一束透射線偏振光（transmission polarized，TP）經(jīng)直角轉(zhuǎn)像棱鏡6a為待測晶粒的天面照明；另一束反射線偏振光（reflected polarized，RP）經(jīng)直角轉(zhuǎn)像棱鏡6b為待測晶粒的側(cè)面照明。半導(dǎo)體制冷器件晶粒相鄰兩面經(jīng)過兩線偏振成像光路后分別在CMOS相機(jī)偏振傳感器1上形成雙面各自獨(dú)立的像。

在機(jī)器視覺光學(xué)檢測裝置中，通常使用的是同軸照明光源[1-2]。然而，同軸內(nèi)置照明光源中所用的半透半反射立方分束器會導(dǎo)致照明光束的能量損失50%。晶粒的照明光經(jīng)過立方合像器后，照度又會進(jìn)一步被減少50%。因此，傳統(tǒng)的同軸內(nèi)置照明光源的能量利用率通常不超過25%。本文所提出的基于偏振分像的檢測裝置使用了偏振分束器，避免了常規(guī)的機(jī)器視覺光學(xué)檢測裝置中因照明光束經(jīng)過半透半反射立方分束器所產(chǎn)生的50%的能量損失，其光能利用率比常規(guī)的利用同軸內(nèi)置照明檢測裝置的高了一倍。

2 檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

基于偏振分像法獲得晶粒相鄰雙面等光程共焦成像檢測的原理,設(shè)計(jì)并搭建了晶粒相鄰雙面同時等光程共焦偏振成像的檢測裝置。該檢測裝置可以同時對晶粒的相鄰兩個面成像、檢測缺陷。圖2為半導(dǎo)體晶粒相鄰雙面等光程共焦偏振成像檢測實(shí)驗(yàn)裝置前置轉(zhuǎn)像棱鏡子系統(tǒng)光路。待測晶粒外形為長方體，其典型尺寸為2.10 mm×1.32 mm×1.32 mm。所設(shè)計(jì)和加工的直角轉(zhuǎn)像棱鏡尺寸為15 mm×15 mm×15 mm，偏振分束器尺寸為15 mm×15 mm×15 mm。本實(shí)驗(yàn)選用德鴻視覺的1.5倍遠(yuǎn)心成像鏡頭WTL110-1 520。CMOS偏振相機(jī)采用的是凌云光技術(shù)集團(tuán)有限責(zé)任公司供應(yīng)的加拿大制造的FLIR BFS-U3-51S5P-C，該CMOS偏振相機(jī)的靶面大小為2/3′(17mm)，像元大小為3.45 μm，分辨率為2 448 ×2 048。該偏振相機(jī)與普通CMOS相機(jī)不同之處是它集成了4個不同偏振探測特性的檢偏器。偏振相機(jī)的傳感器的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3(a)-(d)表示傳感器分別由0°、45°、90°、 135°四個偏振方向傳感器單元組構(gòu)成。這四個傳感器單元分別探測并分別輸出0°、45°、90°、 135°四個偏振方向的像。

圖2 制冷器件晶粒雙面等光程共焦偏振成像檢測實(shí)驗(yàn)裝置前置轉(zhuǎn)像棱鏡子系統(tǒng)光路Fig.2 Illustration of prism relay system for the apparatus for inspecting adjacent surfaces defects of TEC components with equal-optical-path polarization imaging

圖3 CMOS偏振相機(jī)傳感器的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Illustration of configuration of CMOS polarization imaging sensor (polarization camera)

2.2 雙面等光程共焦成像檢測

利用偏振成像檢測裝置得到的半導(dǎo)體晶粒相鄰兩面成像檢測結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為0°偏振方向傳感器單元對應(yīng)晶粒側(cè)面的像， 圖4(b)為90°偏振方向傳感器單元對應(yīng)晶粒天面的像，圖4(c)和(d)為45°與135°偏振方向傳感器單元對應(yīng)晶粒側(cè)面與天面的像的疊加。根據(jù)偏振光學(xué)原理，0°與90°偏振方向的光振幅也可以在45°與135°偏振方向上得到投影分量。由于晶粒相鄰雙面成像滿足等光程共焦條件，晶粒相鄰雙面同時對焦，在偏振相機(jī)傳感器面上可以同時獲得晶粒天面與側(cè)面的清晰成像。

圖4 制冷晶粒相鄰兩面等光程共焦偏振成像缺陷檢測Fig.4 Defect inspection of top and side surfaces of TEC components based on equal-optical-path polarization imaging

2.3 雙面準(zhǔn)共焦成像的調(diào)節(jié)

對本裝置進(jìn)行調(diào)焦可以分別獲得晶粒天面與側(cè)面準(zhǔn)共焦時、天面調(diào)焦而側(cè)面離焦時的成像結(jié)果。當(dāng)天面與側(cè)面準(zhǔn)共焦時，在相機(jī)的45°與135°傳感器區(qū)同時得到晶粒天面與側(cè)面的分開的像（像中心之間的間隔δ=1.62 mm）分別是0°與90°偏振方向的光振幅在45°與135°偏振方向上的投影分量。制冷晶粒相鄰雙面準(zhǔn)共焦時偏振成像缺陷檢測結(jié)果如圖5所示，圖5(a)-(d)分別為0°偏振方向單元（對應(yīng)晶粒側(cè)面的像）、90°偏振方向單元（對應(yīng)晶粒天面的像）、45°與135°偏振方向單元（對應(yīng)晶粒側(cè)面與天面像的疊加）。在離遠(yuǎn)心成像鏡頭“等光程共焦物平面”前后相同間距范圍內(nèi)，晶粒相鄰兩個面的成像質(zhì)量基本相同，但是清晰度明顯降低了。圖6為遠(yuǎn)心成像鏡頭對晶粒天面調(diào)焦而晶粒側(cè)面離焦時晶粒相鄰兩個面的成像情況，物面離焦±0.54 mm。圖6(a)-(d)分別為0°偏振方向單元（對應(yīng)晶粒側(cè)面的像）、90°偏振方向單元（對應(yīng)晶粒天面的像）、45°與135°偏振方向單元（對應(yīng)晶粒側(cè)面與天面像的疊加），此時晶粒側(cè)面的像完全模糊。為了定量說明等光程共焦成像與準(zhǔn)共焦成像之間的差別，我們用光學(xué)鏡頭的鑒別率板測試了實(shí)驗(yàn)所用遠(yuǎn)心成像鏡頭分辨率隨物面（鑒別率板）離焦的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)物面在“等光程共焦面”上時，分辨率可高達(dá)114 lp/mm；而當(dāng)物面離焦±0.20 mm時，分辨率則降低為32～45 lp/mm，此時晶粒側(cè)面的像已經(jīng)完全模糊不清。實(shí)驗(yàn)中，晶粒側(cè)面成像時會同時存在一個對稱的鏡像，這個鏡像是晶粒側(cè)面經(jīng)透明玻璃載物臺的表面反射并經(jīng)鏡頭后所成的實(shí)像。

圖5 制冷晶粒相鄰雙面準(zhǔn)共焦時偏振成像缺陷檢測(δ=1.62 mm)Fig.5 Defect inspection of top and side surfaces of TEC components with quasi-confocal imaging (δ=1.62 mm)

圖6 制冷器件晶粒相鄰面偏振成像缺陷檢測：當(dāng)天面調(diào)焦時(δ=1.62 mm)Fig.6 Defect inspection of top and side surfaces of TEC components when the top surface is focused (δ=1.62 mm)

從上述分析可以得知，晶粒相鄰雙面等光程共焦偏振成像與準(zhǔn)等光程（準(zhǔn)共焦）成像之間的差異在于：在偏振相機(jī)的45°與135°偏振方向上是否可以得到晶粒相鄰雙面分離的像。當(dāng)在偏振相機(jī)的45°與135°偏振方向上得到晶粒相鄰雙面完全重合的成像時，說明晶粒雙面等光程共焦成像，否則，晶粒相鄰雙面為準(zhǔn)等光程共焦成像。以此可以作為晶粒相鄰雙面偏振分離成像（0°與90°偏振方向）是否滿足等光程共焦成像的判定依據(jù)與方法。另一方面，由于遠(yuǎn)心成像鏡頭具有一定的成像景深以及人眼分辨率的判定局限，如果只根據(jù)0°與90°偏振方向的雙面成像清晰度，通常不易判定晶粒相鄰雙面是否完全等光程共焦成像。

3 結(jié) 論

本文研究了一種基于偏振分像的半導(dǎo)體制冷器件晶粒相鄰兩面同時等光程共焦成像檢測，設(shè)計(jì)并搭建了采用偏振分束器與偏振相機(jī)組成的晶粒相鄰兩面同時等光程共焦偏振成像檢測的光學(xué)裝置，完成了晶粒相鄰兩面同時等光程共焦偏振成像檢測的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，該檢測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)晶粒相鄰兩面同時偏振成像檢測缺陷的功能，能很好地滿足半導(dǎo)體晶粒相鄰兩面成像缺陷檢測的性能要求。