一种实现半导体晶粒行进方向上前后两端面成像检测的装置

摘要

本实用新型涉及一种实现半导体晶粒行进方向上前后两端面成像检测的装置，其特征在于：在所述光学装置的光路方向上依次设置有相机、远心成像镜头、合像棱镜、第一组转像棱镜组件、第二组转像棱镜组件、半导体晶粒和玻璃载物转盘，所述合像棱镜位于远心成像镜头的光轴上；本检测装置可实现半导体晶粒运动方向上两端面的动态检测，同时降低了对成像镜头视场大小的要求，有效控制检测装置的成本；本实用新型检测装置使用的第三、第四直角转像棱镜安装在玻璃载物转盘及半导体晶粒的上方，无需与半导体晶粒表面接触，且不会与玻璃载物转盘产生干涉，可实现半导体晶粒在行进方向上前、后两端面的动态检测。

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种实现半导体晶粒行进方向上前后两端面成像检测的装置。

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（如半导体制冷器件晶粒）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。

目前公布专利提出了多种实现待测物体（半导体晶粒）双面成像检测方法，如图1是申请号为201911369257.3发明专利申请，图2是申请号为202010133044.7发明专利申请，以及图3是申请号为202010250856.X的发明专利申请，但是迄今已提出的方法只适用于半导体晶粒的相邻两侧面或相对两侧面成像检测，或采用两个检测工位获得四个侧面的检测。

为了提高检测效率，半导体晶粒筛选机需要具备包括两个端面在内的六个面缺陷检测的需求，但是在沿载物转盘运动方向上物体的前端面（或后端面）的成像检测迄今尚未解决；遇到的主要困难是成像光学装置直接安装在载物转盘待测物体端面的正前方比较困难，且不能与载物玻璃转盘接触，成像光学装置的光轴需要与物体端面法线成一个小角度，才能获得端面的成像，针对目前物体端面检测存在的困难。

实用新型内容：

鉴于现有技术的上述问题，本实用新型提供一种实现半导体晶粒行进方向上前后两端面成像检测的装置。

本实用新型实现半导体晶粒行进方向上前后两端面成像检测的装置，其特征在于：在所述光学装置的光路方向上依次设置有相机、远心成像镜头、合像棱镜、第一组转像棱镜组件、第二组转像棱镜组件、半导体晶粒和玻璃载物转盘，所述合像棱镜位于远心成像镜头的光轴上；

所述第一组转像棱镜组件为对称设置在合像棱镜两侧的第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜，所述第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的第一直角边平行于远心成像镜头的光轴，所述第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的第二直角边垂直于远心成像镜头的光轴，第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的斜面背向远心成像镜头光轴并与其形成45度夹角；

所述第二组转像棱镜组件为对称设置在第一组转像棱镜组件下方的第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜；第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的第一直角边远离远心成像镜头的光轴，第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的第二直角边靠近第一直角转像棱镜或第二直角转像棱镜的第二直角边，第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的斜面靠近远心成像镜头的光轴；

所述半导体晶粒由玻璃载物转盘支撑并随之转动，并在第二组转像棱镜组件下方且垂直于光轴的方向移动，半导体晶粒在行进方向上的前、后两端面，即半导体晶粒的第一端面和第二端面与远心成像镜头的光轴平行。

一种实施例，所述第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的第一直角边平行于远心成像镜头光轴，第二直角边垂直于远心成像镜头光轴，斜面朝向远心成像镜头光轴并与远心成像镜头光轴形成45度夹角。

一种实施例，所述第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜自转一个角度θ，使第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的斜面与远心成像镜头光轴形成45-θ的夹角。

一种实施例，在所述第一直角转像棱镜、第二直角转像棱镜与所述合像棱镜之间分别设有玻璃光楔，且两块玻璃光楔对称设置，使半导体晶粒的光轴折射产生一定角度偏转。

一种实施例，所述玻璃光楔为直角三角形，其一直角边与光轴平行，斜面朝向合像棱镜，直角边、斜面与第一直角转像棱镜、第二直角转像棱镜和合像棱镜具有间隔。

一种实施例，所述玻璃光楔均集成连接在所述第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的第一直角边上，斜面与合像棱镜具有间隔。

一种实施例，所述合像棱镜呈矩形体状，其靠近相机的天面为成像输出的平面，且垂直于远心成像镜头光轴，合像棱镜左侧平面与右侧平面分别为平行于远心成像镜头光轴的成像输入面；所述合像棱镜远离相机且垂直于光轴的底面中部具有互成90度的全反射面，全反射面构成Ⅴ形槽。

本实用新型实现半导体晶粒行进方向上前后两端面成像检测的方法，所述实现半导体晶粒行进方向上前后两端面成像检测的装置在光路方向上依次设置有CMOS相机、远心成像镜头、合像棱镜、第一组转像棱镜组件、第二组转像棱镜组件、半导体晶粒和玻璃载物转盘，所述合像棱镜位于远心成像镜头的光轴上；

所述第一组转像棱镜组件为对称设置在合像棱镜两侧的第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜，所述第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的第一直角边平行于远心成像镜头的光轴，所述第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的第二直角边垂直于远心成像镜头的光轴，第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的斜面背向远心成像镜头光轴并与其形成45度夹角；

所述第二组转像棱镜组件为对称设置在第一组转像棱镜组件下方的第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜；第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的第一直角边远离远心成像镜头的光轴，第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的第二直角边靠近第一直角转像棱镜或第二直角转像棱镜的第二直角边，第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的斜面靠近远心成像镜头的光轴；

所述半导体晶粒由玻璃载物转盘支撑并随之转动，并在第二组转像棱镜组件下方且垂直于光轴的方向移动，半导体晶粒在行进方向上的前、后两端面，即半导体晶粒的第一端面和第二端面与远心成像镜头的光轴平行；当半导体晶粒位于检测装置的左侧时，其第一端面离第三直角转像棱镜的距离为给定工作距离时，第一端面经第三直角转像棱镜、第一直角转像棱镜及合像棱镜转像后在相机传感器上成像；当半导体晶粒移动至检测装置的右侧时，其第二端面离第四直角转像棱镜的距离为给定工作距离时，第二端面经第四直角转像棱镜、第二直角转像棱镜及合像棱镜转像后在相机传感器上的另一区域成像；

其中第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的第一直角边平行于远心成像镜头光轴，第二直角边垂直于远心成像镜头光轴，斜面朝向远心成像镜头光轴并与远心成像镜头光轴形成45度夹角；当半导体晶粒位于检测装置的左侧时，其第一端面离第三直角转像棱镜的距离为给定工作距离时，第一端面经第三直角转像棱镜、第一直角转像棱镜及合像棱镜转像后在相机传感器左侧成像；当半导体晶粒移动至检测装置的右侧时，其第二端面离第四直角转像棱镜的距离为给定工作距离时，第二端面经第四直角转像棱镜、第二直角转像棱镜及合像棱镜转像后在相机传感器右侧成像；

调整给定工作距离、远心成像镜头的焦距，使在同一个时间点前、后两个半导体晶粒的端面都满足成像条件，在相机的传感器上得到这两个半导体晶粒的两个端面的同时成像检测，通过截取前一张图像中的右侧成像，后一张图像中的左侧成像，将该两个成像拼合即形成一半导体晶粒的行进方向上的前后端面的成像，即实现半导体晶粒的两个端面的成像检测。

一种实施例，所述第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜自转一个角度θ，使第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的斜面与远心成像镜头光轴形成45-θ的夹角，实现轴外物体成像转换为轴上物体成像；当半导体晶粒位于检测装置的左侧时，其第一端面离第三直角转像棱镜的距离为给定工作距离时，第一端面经第三直角转像棱镜、第一直角转像棱镜及合像棱镜转像后在相机传感器左侧成像；当半导体晶粒移动至检测装置的右侧时，其第二端面离第四直角转像棱镜的距离为给定工作距离时，第二端面经第四直角转像棱镜、第二直角转像棱镜及合像棱镜转像后在相机传感器右侧成像。

一种实施例，在所述第一直角转像棱镜、第二直角转像棱镜与所述合像棱镜之间分别设有玻璃光楔，且两块玻璃光楔对称设置，使半导体晶粒的光轴折射产生一定角度偏转，实现轴外物体成像转换为轴上物体成像；当半导体晶粒位于检测装置的左侧时，其第一端面离第三直角转像棱镜的距离为给定工作距离时，第一端面经第三直角转像棱镜、第一直角转像棱镜及合像棱镜转像后在相机传感器左侧成像；当半导体晶粒移动至检测装置的右侧时，其第二端面离第四直角转像棱镜的距离为给定工作距离时，第二端面经第四直角转像棱镜、第二直角转像棱镜及合像棱镜转像后在相机传感器右侧成像；

所述玻璃光楔为直角三角形，其一直角边与光轴平行，斜面朝向合像棱镜，直角边、斜面与第一直角转像棱镜、第二直角转像棱镜和合像棱镜具有间隔。

或者所述玻璃光楔均集成连接在所述第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的第一直角边上，斜面与合像棱镜具有间隔。由上述对本实用新型结构的描述可知，和现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1.本实用新型检测装置使用的第三、第四直角转像棱镜安装在玻璃载物转盘及半导体晶粒的上方，无需与半导体晶粒表面接触，且不会与玻璃载物转盘产生干涉，可实现半导体晶粒在行进方向上前、后两端面的动态检测。

2.本实用新型专利提出的在行进方向上前、后两端面成像检测装置通过使用两组转像棱镜组件和合像棱镜实现了一个检测工位用于检测运动中的物体行进方向上前、后两端面的检测，降低了对成像镜头视场大小的要求，可有效控制检测装置的成本。

3.本实用新型检测装置可加上其它两个检测物体的4个侧面的工位，可以实现一台筛选机上完成物体的六面的同时成像检测，有效减少漏检比例。

附图说明

图1、2是现有半导体晶粒相对两表面检测光学装置结构示意图；

图3是现有半导体晶粒相邻面检测光学装置结构示意图；

图4是本实用新型装置一种实施例的结构示意图（即第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜一直角边垂直于远心成像镜头光轴的情况）；

图5是本实用新型装置另一个实施例结构示意图（即第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜斜面朝向光轴并旋转一个角度的情况）；

图6是本实用新型装置另一个实施例结构示意图（即第一直角转像棱镜、第二直角转像棱镜与合像棱镜之间分别设有玻璃光楔的情况）；

图7是本实用新型装置另一个实施例结构示意图（即玻璃光楔集成连接在第一直角转像棱镜、第二直角转像棱镜一直角边上的情况）；

图8是图5的局部具体实施例结构示意图；

图9是本申请的半导体晶粒两端面成像检测装置实验采集的端面图像；

图10是图4的局部视图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图4-图10，本实用新型实现半导体晶粒行进方向上前后两端面成像检测的装置，在所述光学装置的光路方向上依次设置的相机1、远心成像镜头2、合像棱镜3、第一组转像棱镜组件4、第二组转像棱镜组件5、半导体晶粒6和玻璃载物转盘7，所述合像棱镜3位于远心成像镜头2光轴A上，较佳的是合像棱镜3关于光轴A对称。

其中相机1可以是CCD或CMOS等相机，半导体晶粒6通常指为长方体状、正方体状的半导体晶粒，其放置在玻璃载物转盘7上作为待测物体，该玻璃载物转盘7由驱动装置转动，实现半导体晶粒6在玻璃载物转盘7一起圆周转动，当然该玻璃载物转盘7也可以是直线移动的玻璃台面。

其中第一组转像棱镜组件4为对称设置在合像棱镜3两侧的第一直角转像棱镜4a和第二直角转像棱镜4b，所述第一直角转像棱镜4a和第二直角转像棱镜4b第一直角边401平行于远心成像镜头2光轴，所述第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的第二直角边402垂直于远心成像镜头的光轴，斜面403背向远心成像镜头2光轴并与光轴形成45度夹角。

其中第二组转像棱镜组件5为对称设置在第一组转像棱镜组件4下方的第三直角转像棱镜5a和第四直角转像棱镜5b，第三直角转像棱镜5a和第四直角转像棱镜5b的第一直角边501远离远心成像镜头的光轴，第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的第二直角边502靠近第一直角转像棱镜或第二直角转像棱镜的第二直角边，第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的斜面503靠近远心成像镜头的光轴；

如图4是一个实施例构造，所述第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的第一直角边501平行于远心成像镜头光轴A，第二直角边502垂直于远心成像镜头光轴，斜面503朝向远心成像镜头光轴并与远心成像镜头光轴形成45度夹角。

所述半导体晶粒6由玻璃载物转盘7支撑并随之转动，并在第二组转像棱镜组件5下方且垂直于光轴A的方向移动，半导体晶粒在行进方向上的前、后两端面，即半导体晶粒的第一端面6a和第二端面6b与远心成像镜头的光轴A平行。

检测工作开始时（如图4所示），当半导体晶粒6移动位于检测装置的左侧，其第一端面6a离第三直角转像棱镜5a的距离为给定工作距离WD时，第一端面6a经第三直角转像棱镜5a、第一直角转像棱镜4a及合像棱镜3a转像后在相机1传感器上成像；当半导体晶粒6移动至检测装置的右侧是，其第二端面6b离第四直角转像棱镜5b的距离为给定工作距离WD时，第二端面6b经第四直角转像棱镜5b、第二直角转像棱镜4b及合像棱镜3b转像后在相机1传感器上另一区域成像，不同的半导体晶粒尺寸，可通过调试WD距离、成像镜头的工作距、相机焦距等来获得清晰图像，这样半导体晶粒6的第一、第二端面的成像检测可以共用一个光学检测工位，玻璃载物转盘7上运动中的同一个半导体晶粒6在不同成像时间点上先后得到两个端面的成像。

检测过程时，在某个时间点只有一个半导体晶粒的一个端面（检测装置的左侧半导体晶粒的右端面或检测装置右侧半导体晶粒的左端面）获得成像检测，如果在同一个时间点有两个半导体晶粒的端面满足在一定工作距离时即都满足成像条件下，则可以在相机的传感器上得到这两个半导体晶粒的两个端面的同时成像检测，通过拆分、拼合检测到的前后张图像（即截取前一张图像中的右侧成像，后一张图像中的左侧成像，将该两个成像拼合即形成一半导体晶粒的行进方向上的前后端面的成像），即实现半导体晶粒的两个端面的成像检测。

由于上述检测装置半导体晶粒6位于成像系统的离轴区域，需要使用较大视场的镜头才能获得端面的成像，从而增加了检测装置的复杂性，提高了检测装置中相机的成本，为了能降低对远心成像镜头2视场大小的要求，降低相机侧部，本实用新型另一个实施例如图5所示，将第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜自转一个角度θ（可以是3度），使第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的斜面与远心成像镜头光轴形成45-θ（为42度）的夹角，满足轴外物体成像转换为轴上物体成像，除上述内容以外，其它构造与图4构造相同；第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的下端与半导体晶粒6上表面的距离WD2可以为1.1mm，第三直角转像棱镜和第四直角转像棱镜的下端与半导体晶粒6端面的距离WD1可以为65mm（如图8所示）。

该种实施例工作时，当半导体晶粒6位于检测装置的左侧，其第一端面6a离第三直角转像棱镜5a的距离为给定工作距离WD时，第一端面6a经第三直角转像棱镜5a、第一直角转像棱镜4a及合像棱镜3a转像后在相机1传感器左侧成像；当半导体晶粒6移动至检测装置的右侧时，其第二端面6b离第四直角转像棱镜5b的距离为给定工作距离WD时，第二端面6b经第四直角转像棱镜5b、第二直角转像棱镜4b及合像棱镜3b转像后在相机1传感器右侧成像，实现减小成像视场的效果，该实施例检测时，也可以是在同一个时间点有两个半导体晶粒的端面（如图5的前一个半导体晶粒的右端面，后一个的左端面）满足在一定工作距离时即都满足成像条件下，则可以在相机的传感器上得到这两个半导体晶粒的两个端面的同时成像检测，通过拆分、拼合检测到的前后张图像（即截取前一张图像中的右侧成像，后一张图像中的左侧成像，将该两个成像拼合即形成一半导体晶粒的行进方向上的前后端面的成像），即实现半导体晶粒的两个端面的成像检测。

本实用新型的又一种实施例如图6和图7所示，在所述第一直角转像棱镜4a、第二直角转像棱镜4b与所述合像棱镜3之间分别设有玻璃光楔，且两块玻璃光楔8a、8b对称设置，使半导体晶粒6的光轴折射产生一定角度偏转，实现轴外物体成像转换为轴上物体成像；图6和图7具有两种的玻璃光楔构造，一种实施例如图6所示，所述玻璃光楔为直角三角形，其一直角边与光轴平行，斜面朝向合像棱镜，直角边、斜面与第一直角转像棱镜、第二直角转像棱镜和合像棱镜具有间隔，另一种实施例，所述玻璃光楔均集成连接在所述第一直角转像棱镜和第二直角转像棱镜的第一直角边上，斜面与合像棱镜具有间隔。

该种实施例中，两块玻璃光楔8a、8b均集成连接在所述第一直角转像棱镜4a和第二直角转像棱镜4b平行于远心成像镜头2光轴的直角边上（如图7所示），半导体晶粒6位于检测装置的左侧，其第一端面6a离第三直角转像棱镜5a的距离是给定工作距离WD时，第一端面6a经第三直角转像棱镜5a、第一直角转像棱镜4a、玻璃光楔8及合像棱镜3a转像后在相机1传感器左侧成像；半导体晶粒6移动至检测装置的右侧，其第二端面6b离第四直角转像棱镜5b的距离是给定工作距离WD时，第二端面6b经第四直角转像棱镜5b、第二直角转像棱镜4b、玻璃光楔8及合像棱镜3b转像后在相机1传感器右侧成像，实现减小成像视场的效果，同样，该实施例在检测时，也可以是在同一个时间点有两个半导体晶粒的端面（如图7的前一个半导体晶粒的右端面，后一个的左端面）满足在一定工作距离时即都满足成像条件下，则可以在相机的传感器上得到这两个半导体晶粒的两个端面的同时成像检测，通过拆分、拼合检测到的前后张图像（即截取前一张图像中的右侧成像，后一张图像中的左侧成像，将该两个成像拼合即形成一半导体晶粒的行进方向上的前后端面的成像），即实现半导体晶粒的两个端面的成像检测。

上述各实施例中，合像棱镜3呈矩形体状，其可以为单块的棱镜制成，或由两小块对称粘接组合形成（中间需要有全反射面）；合像棱镜3靠近相机1的天面为成像输出的平面，且垂直于远心成像镜头2光轴，合像棱镜3左侧平面与右侧平面分别为平行于远心成像镜头2光轴的成像输入面；所述合像棱镜3远离相机1且垂直于光轴的底面中心为互成90度的全反射面，全反射面构成Ⅴ形槽，合像棱镜3尺寸为20x10x20mm，其中底面的Ⅴ形槽开口的宽为8-12mm，所述第一、第二、第三、第四直角转像棱镜4a、4b、5a、5b的直角边长均可以是10-25mm。

使用过程中，可以通过上下调节合像棱镜3的位置来调整半导体晶粒6两个端面的像离相机1的成像传感器中心的距离，以便将轴外物体成像到接近相机1的视场中心区域。

本检测装置可以加上现有的半导体晶粒相对两表面等光程成像的光学检测装置或使用玻璃光楔分像的致冷晶粒相邻面同时完全等光程共焦成像检测装置两个检测4个侧面的工位组成一台筛选机，可以实现一台筛选机上完成物体的6个面的同时成像检测，有效减少半导体晶粒的漏检比例。

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。